基于应力–渗流–损伤耦合效应的断层活化突水机制研究

 基于大量煤矿断层突水案例的系统调查分析和归类统计,研究充填型断层滞后突水的灾变演化机制,分析采动条件下断层形态产状、充填性、导水性的变化及其对断层活化突水通道形成过程的影响。以承压水下开采的充填断层为例,分析充填介质距含水层远近的弹性区和应变软化区的力学特性和渗流特征,将水致弱函数引入充填介质的剪应力和变形的本构关系中,建立断层充填结构滑移突水的燕尾突变模型,由系统势能函数的分叉集导出突水灾变演化路径的主控因素;对于承压水上开采的充填型断层,分析充填介质失效过程的渗流损伤特征。考虑充填介质的压剪和拉剪双重破坏准则,引入适合描述充填介质损伤前后阶段的应力–渗流–损伤耦合方程,采用有限元数值仿真真实再现采动应力扰动和高压承压水双重作用下底板采动裂隙演化、断层介质活化直至突水通道形成的灾变演化过程。通过对不同断距和倾角的断层突水过程的仿真分析,揭示突水通道形成过程中岩体应力场、渗流场以及损伤场的耦合效应,实现对不同突水通道形成轨迹的路径记录和准确定位,归纳出断层活化突水的4种典型破裂通道类型。研究结论对我国煤矿突水机制与灾害防治的认识具有一定的指导和借鉴意义。     

地下工程突水的断裂变形活化导水机制

断层突水事故中,大多是原始地质条件下的非导水断层在采动影响下发生突水。借助数值模拟,并结合大量工程事例分析,对断裂变形活化与导水机制进行了分析。研究发现,断裂变形活化与导水具有明显的时空效应。对时空效应的充分认识可为科学的工程设计和施工组织以及有效的超前探测和工程监测提供依据。     

断层倾角对断层活化及底板突水的影响研究

 针对含断层缺陷底板的受力特征,建立相应的简化力学模型,分析得到断层面上的剪切应力和法向应力表达式,并研究断层倾角对断层面上剪切应力、法向应力及断层活化的影响规律。同时运用RFPA2D-Flow软件,模拟不同倾角的正断层在采动影响下底板的裂隙分布、渗流分布及采空区底板涌水量变化特征。模拟结果在一定程度上揭示含断层构造底板突水通道的形成机制及断层倾角对底板突水的影响规律。研究表明,断层倾角越大,断层越容易活化与突水。研究结果对采场底板含断层缺陷时防水煤柱的留设具有重要的参考价值。     

固液耦合模式下含断层缺陷煤层回采诱发底板损伤及断层活化突水机制研究

针对具体地质条件,以现场试验数据为基础,采用相似材料试验及数值模拟相结合的分析方法,对含断层缺陷煤层回采过程中底板损伤破坏及断层活化规律进行研究,研究得出:采用内径不同的水管能够很好地反映底板岩层渗透性的空间差异性,通过采用调节注水管水柱高度的方式可以控制水压以满足设计要求;煤层埋深、承压水水压及断层落差越大越易突水,断层防水煤柱宽度越大越不易突水;通过试验及模拟计算再现了不同因素影响下煤层回采过程中底板采动裂隙形成、断层活化到突水通道形成的全过程,揭示了含断层构造底板突水通道的形成机制;研究结果对承压水上含断层缺陷煤层回采时防水煤柱的留设具有重要的参考价值。     

高压奥灰水大型逆断层下盘煤层安全开采研究

 在底板高压岩溶含水层上且靠近较大断裂构造弱面采矿时,隔水层段的残余厚度和断裂的采动活化程度是能否突水的关键因素。为探索这类问题,以徐州矿区柳新煤矿在大型逆断层下盘带高压奥灰岩溶水开采深部煤层为实验现场,根据奥陶系顶部存在隔水层的观点,对该逆断层进行数值模拟、力学及演化的地质历史分析、探测和现场渗透性实验后,完成工作面的安全保水试采。试采结果表明：该矿井田内的奥陶系顶部存在厚约118 m碳酸盐岩隔水层,该隔水层由充填带和岩溶不发育带构成;逆断层天然状态下不导水,工作面开采造成了下盘煤层至上盘奥陶系顶板逆断层面(约60 m)的局部活化,而处于奥陶系顶部隔水层段内的断层面未被活化。若上盘奥陶系顶板就是岩溶含水层顶板,则在高水压的驱动下岩溶水将沿逆断层活化段向工作面渗透而造成突水。奥陶系顶部碳酸盐岩隔水层和断层天然不导水是工作面贴近断层开采而不发生突水的主要原因。     

含断层煤层底板突水通道形成过程的仿真分析

基于对断层形态、产状要素、力学性质复杂性及断层诱发突水机制的认识,针对承压水上采煤的含断层岩体水力学模型,通过有限元数值仿真再现了含断层煤层开采底板采动裂隙形成、断层活化到突水通道形成的全过程.通过对损伤演化、应力场和渗流场的解读,揭示开采扰动及水压驱动下完整底板由隔水岩层到突水通道的演化机制.数值分析结果显示:断层本身的物理力学性质及断层的产状要素,包括断距和倾角等,对煤层底板的相对安全性都具有重要的影响.最后结合现场地质、水文地质调查及数值仿真结果对一工程实例进行突水机制分析,为承压水上采煤底板突水的机制分析及防治提供一些新的认识.     

深部开采底板裂隙扩展演化规律试验研究

 为进一步研究深部底板岩体的破裂失稳机制,基于自主研制的高水压底板突水相似模拟试验系统,建立深部承压水上含小断层底板采动裂隙演化及导水通道形成的模型,通过在底板不同深度布设应力传感器和位移监测点,研究底板和断层附近岩体随工作面开采的应力及位移变化规律,反演得到底板及断层采动裂隙的发育及扩展演化规律,为深部开采工作面突水机制的研究提供了一种新的思路。结果表明：工作面开采过程中,底板岩体的受力变化规律主要有2种：(1) 开切眼左侧煤柱底板岩体的应力增量出现先增大后减小的变化趋势;(2) 采场底板岩体的应力增量出现先增大后减小至零再反向增大的变化趋势。深部底板岩体的采动裂隙主要在开切眼、采空区中部和回采工作面3个部位产生,裂隙类型以竖向张裂隙、剪切裂隙和层向裂隙为主,且在主要裂隙附近衍生出一些细微的小裂隙。距煤层较近的断层上、下盘岩体受到的应力差较大,断层上盘在强剪应力差的作用下形成了一条与断层走向平行的剪切裂隙,加快了断裂面破碎岩体的相对滑动程度,促进了断层的活化。     

采动应力效应下的煤层底板裂隙演化规律研究

煤层底板突水的实质是采动应力诱发煤层底板裂隙失稳、扩展和贯通,形成突水通道,进而引发突水灾害。根据回采工作面前后支承压力分布规律,笔者建立了煤层底板应力计算模型,分析了随着回采工作面的推进煤层底板中的垂直应力和水平应力分布规律以及煤层底板的破坏形式;对煤层底板岩体进行了破坏分区,根据断裂力学理论给出了不同区域内,裂纹不同破坏模式下的张开位移表达式;采用震波检层技术验证了煤层底板采动裂隙动态的演化规律,有利于煤矿底板突水预测和突水防治措施的制订。     

含隐伏断层煤层底板损伤演化及滞后突水机理分析

基于对采动岩体流固耦合作用的力学响应以及底板岩体强度退化机制的认识,针对承压水体上采煤的岩体水力学模型,对底板隔水岩体的长期强度特征进行了分析,并用数值方法再现了含隐伏小断层底板在采动应力扰动和高承压水共同作用下采动裂隙形成、小断层活化、扩张、突水通道最终贯通形成的全过程。通过对损伤演化、应力场和渗流场的解读,揭示了开采扰动及水压驱动下完整底板由隔水岩层到突水通道的演化机理,对突水通道进行时空基准标定,并着重就小断层发育高度、承压水水压力大小对隔水底板的损伤演化模式及突水滞后时间的影响关系进行了分析探讨,从岩体强度退化及损伤演化机制的角度,为承压水体上采煤底板滞后突水的机理分析提供了一些新的认识。     

高承压水上采煤底板突水通道形成的监测与数值模拟

 底板采动破坏及导水通道的形成是底板突水发生的必要条件,也是进行矿井突水的监测预报基础。以新义矿为例,采用现场监测及数值模拟等手段,研究高承压水上采煤底板采动破坏及突水通道的形成及演化过程,分析该过程中的底板电阻率、应力及孔隙水压力的变化规律。结果表明：高承压水上采煤底板受工作面超前支撑压力破坏严重,11011工作面底板破坏深度达到25 m,大于一般经验计算值;建立的基于流–固耦合底板采动破坏数值模拟模型更能准确、客观地反映底板破坏的影响因素,模拟的最大破坏深度为23.75 m,与现场监测结果接近;采动过程中的底板电阻率、应力以及孔隙水压力变化较好地反映底板破坏及突水通道形成、演化以及充水的整个过程,可作为矿井突水临突监测预报的重要信息源。     

“两硬”条件正断层影响下的冲击地压发生规律研究

断层是能够诱发冲击地压的一种重要地质构造,为研究断层活动对冲击地压发生的作用机制,以大同忻州窑煤矿8935回采工作面为例,通过对4个月内连续发生的十余次冲击地压案例的分析,得到正断层影响下的冲击地压的发生特征,冲击地压发生前后电磁辐射、微震等的信号特征和前兆信息。研究结果表明：冲击地压发生频度和强度受断层影响明显,断层对冲击地压的影响体现在两方面：一方面是改变了煤岩体的物理力学性质,另一方面是使构造应力场变得复杂;微震事件集中在断层前方230～360 m,冲击位置在工作面前方0～60 m;电磁辐射能量和脉冲数曲线呈现马鞍形的形态时预示着冲击危险来临,随后发生冲击地压的概率极高;微震监测显示冲击地压发生能量为105～106 J量级,持续出现能级大于105 J的微震事件,且能量起伏变化大,则存在冲击危险。     

巷道放顶煤法的顶煤破碎机理研究

在总结现场试验效果的基础上,应用断裂力学理论分析了急倾斜煤层巷道放顶煤顶煤破断裂纹的扩展和破碎机理.通过建立力学模型,探讨了急倾斜煤层放顶煤开采的影响因素,并得出了较为理想的开采条件是煤层倾角为70°左右、厚度大于临界厚度且裂纹发育.该结论对推广这一采煤方法具有较大的现实意义.     

深部厚煤层综放沿空掘巷煤柱合理宽度试验研究

 煤柱合理宽度的确定是影响综放沿空掘巷围岩稳定性的重要因素。以深部厚煤层综放沿空掘巷赵楼煤矿11302工作面轨道巷为工程背景,首次提出一种新型侧向支承压力监测方法,通过现场应力监测和数值模拟相结合的研究方法确定区段煤柱合理留设宽度。现场应力监测与数值模拟结果显示,采空区侧向支承压力影响范围为50～56 m,低应力区宽度为12～15 m,考虑沿空巷道应处于应力降低区内,煤柱留设宽度不应大于7～10 m;同时,从有利于锚杆锚固出发,煤柱宽度不应小于4 m。综合考虑煤柱稳定性、次生灾害控制及煤炭资源回收等因素,最终确定煤柱留设宽度为5 m。采用大型地质力学模型试验与现场试验对煤柱宽度合理性进行验证,结果表明,巷道表面位移均呈现沿空帮＞顶板＞实体帮＞底板的变化趋势,掘巷稳定后,现场实测顶底板移近量最大为271 mm,两帮移近量最大为359 mm,巷道围岩控制效果较好;同时,锚杆、锚索受力均在其屈服范围内,并为回采期间预留充足的余量。研究结果可为类似开采条件下的区段煤柱宽度确定提供参考依据。     

常压煤气甲烷化过程析碳的预测

本文对常压煤气甲烷化过程进行了热力学分析，并用Ｂｒｏｙｄｅｎ方法计算了甲烷化反应体系在原料气组成、反应温度、压力及空速一定时，抑制析碳所需的最小水蒸汽加入量。     

浅埋煤层长壁留煤柱开采方法的有限元分析

针对陕北府谷县郭家湾煤矿的浅埋煤层开采，通过对开采方法的研究，采用有限元仿真试验模拟方法，对实际采用的隔离煤柱和区内煤柱留设的不同方案进行了计算模拟试验，研究了采场煤柱群及上覆岩层的稳定性，探讨了造成大面积垮落灾变的机理，为陕北浅埋煤层以及西部类似条件下中小矿山合理、安全、经济的开发提供了重要的参考依据。     

气肥煤与焦煤的孔隙分布规律及其吸附–解吸特征

 采用山东微山菜园矿的气肥煤和山西古交马兰矿的焦煤作为煤样,分别进行压汞试验,测定煤的孔径分布,了解各孔径段孔容、比表面积的分布规律;并且对所采集的两种煤样分别进行平衡水煤样的CH4/CO2混合气体的吸附–解吸试验,从孔隙结构方面分析深部煤层煤对瓦斯吸附的影响。研究结果表明,焦煤比气肥煤具有更为复杂的孔隙结构,具有更丰富的小孔和微孔;煤中微孔的分布决定煤的吸附能力,吸附最有效的孔隙半径是在10 nm以下;焦煤对CH4/CO2二元混合气体的吸附能力强于气肥煤的吸附能力;探讨分析CO2/CH4吸附能力的差异性是导致试验中高压阶段CH4/CO2二元混合气体吸附量小于低压时的现象发生的主要原因。研究煤的孔隙分布规律及其吸附–解吸特征,可以从微观层次揭示深部煤层煤吸附瓦斯的聚气能力,探寻煤吸附–解吸瓦斯的特征和机制,丰富煤吸附瓦斯理论,对煤与瓦斯突出的防治和煤层气资源的开发均具有重要意义。     

气肥煤与焦煤的孔隙分布规律及其吸附-解吸特征

采用山东微山菜园矿的气肥煤和山西古交马兰矿的焦煤作为煤样,分别进行压汞试验,测定煤的孔径分布,了解各孔径段孔容、比表面积的分布规律;并且对所采集的两种煤样分别进行平衡水煤样的CH4/CO2混合气体的吸附-解吸试验,从孔隙结构方面分析深部煤层煤对瓦斯吸附的影响.研究结果表明,焦煤比气肥煤具有更为复杂的孔隙结构,具有更丰富的小孔和微孔;煤中微孔的分布决定煤的吸附能力,吸附最有效的孔隙半径是在10 nm以下;焦煤对CH4/CO2二元混合气体的吸附能力强于气肥煤的吸附能力;探讨分析CO2/CH4吸附能力的差异性是导致试验中高压阶段CH4/CO2二元混合气体吸附量小于低压时的现象发生的主要原因.研究煤的孔隙分布规律及其吸附-解吸特征,可以从微观层次揭示深部煤层煤吸附瓦斯的聚气能力,探寻煤吸附-解吸瓦斯的特征和机制,丰富煤吸附瓦斯理论,对煤与瓦斯突出的防治和煤层气资源的开发均具有重要意义.     

城郊矿煤样冲击倾向性指数的试验研究

利用 RMT-150B 伺服试验机对城郊矿煤样进行冲击倾向性试验,试验结果表明：测定冲击倾向性指数时煤样峰后变形特征与加载控制方式相关,测定动态破坏时间采用应力控制方式,冲击能量指数则采用应变控制方式;煤样的抗压强度与弹性模量、冲击能量指数、弹性能量指数和剩余能量指数呈正相关,而与动态破坏时间呈负相关,表明煤样抗压强度越高时发生冲击地压的危险程度越大;煤样的冲击能量指数与弹性能量指数,弹性能量指数与剩余能量指数均具有良好的正相关性;动态破坏时间与冲击能量指数具有呈良好负相关;剩余能量指标和弹性模量能否作为评判煤层冲击性等级划分有待进一步研究;城郊矿二2煤层煤样的动态破坏时间为306 ms、弹性能量指数为5.91、冲击能量指数为2.48、单轴抗压强度为8.86 MPa,依据规程模糊综合法评判二2煤层属于弱冲击类。     

强排煤粉防治冲击地压的机制与应用

 确定合理的技术参数是应用强排煤粉防治冲击地压的关键。采用室内实验、数值模拟等方法研究强排煤粉防治冲击地压的机制,建立钻孔间距、钻孔直径等强排煤粉技术参数的确定方法,提出冲击地压分区治理思路,并得到以下结论：(1) 强排煤粉的主要作用是“降模增变”和“耗能增阻”;(2) 防冲钻孔间距是钻孔直径、煤层厚度、增溢系数和安全增变量的函数,并与增溢系数、钻孔直径呈正相关,与煤层厚度、安全增变量呈负相关;(3) 冲击地压治理分为预卸压和解危2个阶段,强排煤粉应用于预卸压阶段时的主要作用是“降模增变”,应用于解危阶段时的主要作用是“耗能增阻”。将研究成果应用于新巨龙矿井1302工作面冲击地压防治,取得良好效果,避免冲击地压事故的发生。研究结果对深井冲击地压防治具有参考意义。     

深部矿区煤岩体强度测试与分析

 基于钻孔触探法原理,开发出小孔径井下煤岩体强度测定装置。在实验室对34个煤岩样品进行试验：在煤岩块上钻取标准试件,测量单轴抗压强度;在留下的钻孔中,用煤岩体强度测定装置测定探针临界载荷,分析探针破坏钻孔壁煤岩的形态;然后确定煤岩块单轴抗压强度与探针临界载荷的关系。试验表明,探针破坏钻孔壁煤岩的形状、深度及范围与煤岩性质密切相关。煤岩体强度越高,破坏范围、侵入深度越小,破坏形状越规则。结合井下实测数据,回归得出描述探针临界载荷与煤岩体单轴抗压强度关系的公式。同时,分析临界载荷的离散性及控制措施,讨论结构面对煤岩体强度的影响及测试分析方法,并在典型的深部矿区——新汶矿区进行井下原位测试。新汶矿区巷道顶板不同岩性的岩层强度相差很大,不同矿井的岩层强度也存在明显差别。煤层强度由于煤帮出现破碎区、煤层性质不均匀、煤层结构面分布不均匀等原因变化较大,出现明显的波动。基于井下煤岩体强度实测数据的巷道支护设计,符合井下环境中的煤岩体条件,设计的合理性与可靠性显著提高,巷道围岩稳定性与支护状况得到明显改善。最后分析钻孔触探法存在的问题,并提出改进建议。