翟镇井田断裂构造分布特征定量化分析

针对翟镇井田因断裂构造发育而导致底板频繁发生突水的现状,研究翟镇井田断裂构造对突水的影响程度。根据井田11煤层地质资料,采用统计分析法及断层影响因子法,对翟镇井田的断裂构造分布特征进行了定量化分析,并对断层性质、走向、落差、倾角等进行了统计分析,阐明了断层要素对矿井生产的影响。基于断层影响因子法对井田的断裂构造复杂程度定量化分区,结果表明,翟镇井田存在3种构造分区,即构造简单区、构造中等区和构造复杂区,其中构造复杂区为突水危险区。     

煤矿区突(涌)水系统分析模拟及应用

按照系统论、控制论、信息论的思想方法，将开滦范各庄煤矿防治水实践活动所获得的各种信息，采用多源信息采集及关联信息提取处理的二次开发技术，总结出突水系统原岩应力、应变特征及含水介质富水性规律；在此基础上，一方面，围绕揭示突水系统自组织演化过程规律，运用力学分析和数值模拟方法，提取、突出和升华揭示突水机理、概化突水模式的有用信息，提出了柱式通道剪、拉、压复合以剪为主的岩层破坏力学机制，并建立了厚壁简模型及突水理论判据，可以有效预测突水部位及突水与否，指导防治工作；另一方面，为难确模拟预测矿井涌水量，采用广义三重介质渗流模型对范各庄矿井地下水系统进行了模拟预测。总体实现了岩体结构、地下水、地下工程在突(涌)水系统中的交叉和统一。采动影响下巷道及采面的FLAC^3D数值模拟显示，柱式构造的存在使底板的应力、应变分布极不均匀，在采空区煤壁边缘线内外，底板岩层受升、降错动产生的剪应力、上凸弯曲产生的拉应力和压应力的三重作用，当三重复合力学作用超过岩体强度极限时岩体失稳破坏。通过北方煤矿区岩溶陷落柱这种特殊构造形式的深入研究，认为适当的岩溶及地质构造是岩溶陷落柱形成的基本要素。按岩体结构控制论的观点，将煤矿突水划分为陷落柱、断层(或破碎带)、完整结构岩体三种突水模式。突(涌)水条件分析表明，不论岩体结构如何，采动矿压和构造(如陷落柱)存在降低了岩体强度，当承压水压力大于关键层的最小主应力时，承压水的渗水软化和压裂扩容作用，导致地下水突破其中的关键部位(层)，而形成突水。范各庄2171综采工作面特大突水模型的建立及突水判别的实际计算表明，‘柱体通道’突水模式概化准确，‘厚壁简’力学模型切实可行，突水判据正确，且切合实际。多源信息处理同时阐明，原岩应力应变控制了介质的富水性规律，陷落柱、褶皱轴部裂隙带和断裂构造是范各庄矿井地下水系统补、径、排的主要控制因素，是系统的主干裂隙介质，而陷落柱作为含水介质的主干裂隙，其水文地质特征、渗流量计算等均不同于断裂裂隙或褶皱轴部裂隙，概化为另一类主干裂隙介质。范各庄矿井地下水系统以煤层底板砂岩介质为主要目标含水层，F0断层及其伴生构造、井口向斜轴部、塔蛇向斜轴部、13号陷落拄为主干裂隙，其间为等效裂隙岩块，主干裂隙控水且主干裂隙水流服从水流三次方定律，陷落柱等同水流管道，裂隙岩块等效多孔渗流介质，用水量交换耦合组成广义三重介质渗流模型，该模型充分体现了煤系裂隙含水系统流场的空间特征，特别是强径流带和局部非连续渗流特征。流场和模型识别显示，范各庄矿井底板砂岩含水层正常裂隙岩块的渗透性及储水性较差，矿井水主要来源于构造导通的下部灰岩含水层；以不同矿井(突)涌水量为输入，运行系统模型，所得的流场形态分析认为，三水平12～14煤含水层的正常涌水量以10m^3／min较为适当，最大涌水量不超过15m^3／min，矿井正常总涌水量20～25m^3／min，矿井最大总涌水量30m^3／min。此外，应用突变理论研究了突水的充分必要条件、突变特征和底板稳定性影响因素。     

开滦范各庄井田突水特征及煤层底板 突水地质条件分析

 煤层顶底板突水危险性预测与评价是煤矿突水灾害防治的基础和依据,以开滦范各庄井田为依托,从促发与阻抗突水2方面系统分析矿井突水特征和12～14煤层间砂岩裂隙含水层厚度及其特征、突水介质条件(岩性、层间距)和突水构造条件,建立煤层底板突水与地质条件之间的相关关系和模型,并探讨控制机制。研究结果表明,本区发生突水的水源以12～14煤层间砂岩裂隙承压含水层为主,其砂岩裂隙含水层的厚度由井田的浅部向深部增厚;含水层水压随其埋藏深度的增加而增高,呈线性相关关系,且富水性增强。煤层底板隔水性能取决于隔水层厚度及其泥岩百分比含量,底板泥岩极限厚度与水压之间呈正相关关系,随着底板泥岩厚度的增加,泥岩层抵抗水压的能力增强,隔水性能变好,且完整底板泥岩层的抗水能力明显大于含裂隙的底板泥岩层。突水与构造密切相关,突水点最大涌水量与断层密度呈正相关关系。断层突水是由于断层对煤岩层的破坏作用导致在断层附近煤岩层裂隙和孔隙增加,力学强度大幅度降低的结果,且受控于区域构造和现代构造应力环境。这些成果为井田12煤层底板突水危险性评价与预测和井下突水防治提供理论依据。     

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。     

大平矿断裂构造突水危险性的研究

大平矿是郑州煤业集团下属的大水矿井,水害问题严重制约着煤矿企业的发展。论文分析了断裂构造对矿井突水的控制作用,尤其是小断层的影响作用。研究表明:大平矿断裂构造以EW向、NE向和NW向为主,中小断层的研究对矿井水害的治理具有很大的指导意义。     

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。     

矿井岩体破坏突水机制及非线性渗流模型初探

矿山采动围岩破坏突水过程中,水流经历了在含水层中的Darcy层流、破碎带中的非Darcy快速流以及进入巷道中的Navier-Stokes紊流3个物理过程.研究表明Brinkman方程比较适合破碎带渗流特点;同时,将含水层Darcy渗流和巷道N-S流动有机联系在统一流动场中,基于质量守恒和压力平衡,建立突水流体流动数值模型.据此,以采动诱发陷落柱突水为例,应用COMSOL Multiphysics系统数值分析工具,通过在模型中耦合Brinkman,Navier-Stokes和Darcy方程,把含水层、岩体破碎带和巷道整个突水水流路径连接在一起,模拟突水流动全过程.计算结果表明,陷落柱作为含水层渗流和巷道突水自由流动的过渡区域,其渗透性变化对于突水压力和流速演变十分敏感,陷落柱或导水破碎带沟通了含水层和巷道之间的水力联系,而含水层充足的补给水量是保持恒定的高水压并沿陷落柱形成突水的根源.     

断层采动活化对南方煤矿岩溶突水影响研究

为防止岩溶因断层活化而引发突水,探讨断层在采动条件下的活化规律及其对南方煤矿岩溶突水的影响.首先根据断层的形成机制分析各类断层形成的应力环境,得到断层活化的应力条件;然后分析工作面推进过程中的采场应力场和岩体运动规律,次生的垂直应力和水平应力不均衡变化是断层采动活化的主要原因;最后分析断层采动活化引发岩溶突水的机制,断层活化导致导水裂隙带高度增加,从而破坏隔水层导通上覆承压岩溶含水层,引发矿井岩溶突水事故.     

范各庄矿井地下水系统广义多重介质渗流模型

为充分体现矿井裂隙水系统的强烈非均质性和不连续特征，运用广义多重介质理论，系统地研究了范各庄煤系含水介质。地质研究及水文地质试验表明，陷落柱作为含水介质的主干裂隙，其水文地质特征、渗流量计算等均不同于断裂裂隙或褶皱轴部裂隙，应概化为另一类主干裂隙介质；范各庄矿井地下水系统以煤层底板砂岩介质为主要目标含水层，F0断层及其伴生构造、井口向斜轴部、塔坨向斜轴部、13^#陷落柱为主干裂隙，其间为等效裂隙岩块；主干裂隙控水且主干裂隙水流服从水流三次方定律，陷落柱等同水流管道，裂隙岩块等效多孔渗流介质；用水量交换耦合组成了广义三重介质渗流模型，该模型充分体现了煤系裂隙含水系统流场的空间特征，特别是强径流带和局部非连续渗流特征。广义三重介质渗流模型的流场和模型识别显示，范各庄矿井底板砂岩含水层正常裂隙岩块的渗透性及储水性较差，矿井水主要来源于构造导通的下部灰岩含水层；以不同矿井(突)涌水量为输入，运行系统模型，所得的流场形态分析认为，三水平12煤-14煤含水层的正常涌水量以0．167m^3／s较为适当，最大涌水量不超过0．25m^3／s，矿井正常总涌水量为0.333-0．417m^3／s，矿井最大总涌水量为0．5m^3／s。     

沉积和构造特征对含水层富水性的影响

为了从含水层本质特征定量评价含水层富水性及其影响指标的相关性,根据研究区含水层沉积和构造特征,并结合地质及水文地质补充勘探资料,确定了影响含水层富水性的指标包括含水层砂地比、含水层厚度、粗砂岩厚度、粗砂岩层数、断层分维值和褶皱分维值,采用灰色关联度对6项影响指标与含水层富水性的相关性进行了研究。通过计算分析,对含水层富水性影响由大到小依次为断层分维值、含水层厚度、含水层砂地比、砂岩层数、粗砂岩厚度和褶皱分维值。说明了含水层富水性受到构造的影响较大,但是沉积特征同样对含水层富水性起到了重要的影响作用。在对含水层富水性进行分析的过程中,考虑到构造控水的同时,含水层沉积控水作用同样应该受到重视。     

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。     

煤层底板突水水量预测及注浆改造技术

 以基岩裂隙水运移的基本理论Chezy定律为基础,建立承压水正常涌水量的数学模型,提出利用Lagrangian法计算涌水量,应用Bernoulli能量方程计算矿井突水量的公式。计算结果表明,计算突水量与实际突水量的相对误差仅1.04%。针对焦作矿区大部分矿井煤层底板发生突水的实际情况,提出采用底板含水层注浆改造,防止底板突水事故。注浆孔位置主要决定于裂隙的发育程度、裂隙的走向,而注浆孔间距取决于浆液的扩散半径。最后,分析注浆压力和注浆量等注浆参数,并研制高压止水器,可解决注浆钻孔提前出水止水的难题。     

采动影响下强充水型隐伏岩溶陷落柱 围岩变形与渗流场数值模拟

 通过引入孔隙水作用于围岩的体积力项 ,采用弹塑性本构模型和达西渗流模型,有限元数值模拟和分析存在一穿透煤层的强充水型隐伏岩溶陷落柱时的带压开采过程中,煤层围岩的变形和渗流场随采煤工作面逐步接近陷落柱时的变化规律,探讨孔隙水压力对围岩变形的影响,并分析在存在岩溶陷落柱条件下的合理防水煤柱预留距离。数值模拟结果可为含特殊地质构造煤层的开采设计提供依据,同时为进一步的流固耦合作用和煤层底板突水机制的研究以及防水煤柱的留设提供一定的参考。     

大采高开采覆岩台阶错动演化规律及突水防治

 在厚煤层大采高开采条件下,覆岩垮落带和裂隙带高度增大,岩层活动程度增强,将造成裂隙带岩层的台阶错动失稳,是开采中引发突水事故的重要条件,而裂隙带岩层的台阶错动失稳与其下位岩层的岩性结构和组合状况有关。因此,分析岩性结构对覆岩台阶错动失稳及突水防治的影响,并运用数值计算和现场实测分析的方法,研究厚煤层大采高条件下,煤层群开采煤层间不同岩性结构组合对上煤层完整性和连续性的影响规律。当煤层间岩性呈软硬岩层组合结构时,随着下位硬岩层或软岩层所占层间距比例的增大,上煤层产生的台阶错动量减小,软岩层结构比硬岩层结构更有利于减小上煤层台阶错动。给出判定台阶错动量的岩性结构构成条件,现场实测覆岩台阶错动及裂隙分布规律,提出突水防治的有效措施,保障工作面的安全生产。     

煤层底板陷落柱突水模拟及机理分析

岩溶陷落柱是中国北方型石炭二迭系煤田的一种特殊塌陷，广泛分布于20个煤田45个煤矿区，其导致的突水具有隐蔽性、突发性且与岩溶水有天然联系等特点，对煤矿安全生产危害极大。为研究煤层底板陷落柱破坏特征及突水机理，采用FLAC^3D模拟分析了陷落柱影响下采面推进过程的不同阶段。数值模拟及实验显示，由于陷落柱的面积有限，矿压和水压力联合作用下使其发生弯曲并形成拉张破坏的可能性较小，一般产生剪切破坏，虽然升、降错动产生的剪应力、上凸弯曲产生的拉应力和压应力的三重作用导致煤层底板岩层失稳破坏，但以剪应力作用为主：同时，陷落柱的存在改变了煤层底板的地质环境和岩体结构，底板有效隔水层厚度减小，岩体强度降低，应力．应变分布不均，局部应力集中系数增大，使关键层的最小主应力进一步降低，一旦承压水压力大于关键层的最小主应力，承压水的渗水软化和压裂扩容即起作用，使底板岩层破坏裂隙沿最薄弱方向进一步扩展，导致裂隙贯通，最终形成管涌，发生突水。特别是，陷落柱的边壁、工作面底板压缩区与膨胀区的分界线重合在一条线上时，是底板岩层发生剪切破坏的最佳状态，最容易发生底臌突水。     

松散承压含水层水位变化与顶板来压的联动效应及其应用研究

 结合祁东煤矿松散承压含水层下采煤压架突水灾害防治问题,开展松散承压含水层水位变化与顶板来压联动效应的实测与实验研究。结果表明：松散承压含水层水位下降超前于工作面压架突水,且水位下降速度基本保持不变。水位下降幅度和下降速度与工作面来压强烈程度密切相关,水位下降幅度和下降速度越大,工作面来压越强烈,压架突水危险性越大。覆岩关键层的不同破断运动形态是导致水位变化与顶板来压存在上述联动效应的主要原因。当关键层逐层破断时,覆岩缓慢回转下沉,水位降幅和降速较小,不会发生压架突水灾害;而当关键层复合破断时,关键层结构易产生滑落失稳,短时间内大量采空体积传至基岩顶界面,水位出现大幅度快速下降,存在压架突水危险性。利用松散承压含水层水位变化与顶板来压的联动效应,提出将水位下降速度作为预警指标对压架突水灾害进行预警的方法,并基于地下水动力学原理导出工作面压架突水时的水位降速临界预警值计算公式,指导祁东煤矿6130工作面压架突水灾害防治实践。     

厚硬顶板硬顶煤压缩性分析与综放开采方案选择

顶煤的运移与垮落，尤其是内部微观裂隙的扩展，与其直接项和老项岩层的活动规律密切相关。张双楼煤矿主采煤层为7煤和9煤，两层煤之间赋存唯一一层厚硬岩层，即9煤层的直接项也是7煤层的直接底。9煤较硬，其项煤的可放性和开采方案的选择是其成功应用综放开采技术的关键。采用实验室物理模拟，分析厚硬岩层的破断特征，并根据开采不同布置方式与厚硬岩层的不同断距提出9种上层煤与下层煤不同开采方案，系统分析下层煤项煤压缩量的变化及其可放性。计算机数值模拟与现场实践表明，7煤与9煤的工作面成交错布置方式，先采7煤后采9煤，一次采全高，最有利于9煤工作面的顶煤冒放，保证9煤综放开采的成功。研究结果可为类似条件下的厚硬煤层推广综放开采工艺提供设计指导。     

覆岩主关键层位置对导水裂隙带高度的影响

 采用理论分析、模拟实验和工程探测等方法,就覆岩主关键层位置对导水裂隙带高度的影响进行深入研究。研究结果表明：覆岩主关键层位置会影响顶板导水裂隙带高度,当主关键与开采煤层距离较近并小于某一临界距离时,顶板导水裂隙带将发育至基岩顶部,导水裂隙带高度明显大于按我国《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(以下简称“规程”)中的顶板导水裂隙带高度确定方法得到的结果。对导水裂隙带高度产生影响的主关键层与开采煤层临界距离主要与煤层采高、顶板碎胀压实特性、主关键层破断块度等因素有关,可以粗略按7～10倍煤层采高计算该临界距离。当覆岩主关键层与开采煤层距离小于7～10倍采高时,不能按规程中的方法确定顶板导水裂隙带高度;当覆岩主关键层与开采煤层距离大于7～10倍采高时,仍可按规程中的方法确定顶板导水裂隙带高度。上述结果能很好地解释部分煤矿顶板异常突水灾害的发生机制,并指导神东矿区补连塔煤矿顶板突水灾害防治实践,取得显著的经济效益。