断层影响下底板突水通道研究

基于岩体极限平衡理论,综合考虑断层本身性质和矿山压力中应力降低区的作用,解得底板隔水层的极限水压解析式,推导出底板突水力学判据,结合华泰煤矿7502工作面,解得底板隔水层的极限水压大于实际承压水水压,底板隔水层中没有形成突水通道;基于FLAC3D流固耦合理论,建立了断层影响下煤层开采的数值模型,得出断层带中的承压水导升高度(8m)较正常岩层(6m)高,断层影响下底板岩体应力呈非对称分布,断层附近的底板采动破坏深度(24m)大于未受断层影响的底板破坏深度(20m),底板破坏区与断层导通,承压水通过断层进入破坏区,形成突水通道,发生底板突水。结果表明:断层影响下的底板突水,往往不是底板隔水层破坏导致,而是承压水通过断层进入采动破坏区所致。     

含水层水压对底板断层突水危险性的影响

随着煤矿开采深度的增加,受奥灰岩溶底板高承压水的威胁日趋严重,矿井突水事故的频率不断增加。建立了弹塑性多孔介质渗流应力耦合模型,并基于多物理场耦合模型软件COMSOL Multiphysics,结合徐州某矿突水实例,分析了含水层水压的变化对含断层底板突水危险性的影响。研究表明:随着含水层水压的增大,岩体介质的有效应力减小,岩体强度降低并容易产生塑性破坏;含水层水压越大,底板的塑性破坏区范围越大,含断层底板的突水危险性越大。研究结果可为承压水上采煤底板断层突水的防治提供参考。     

断层影响下底板采动临界突水水压解析解

考虑采动矿压和煤层隔水底板下承压含水层水压的联合作用,推导出断层影响下底板突水的水压力解析式。运用试算法搜索出最危险底板剪切破裂面及临界突水水压。在此基础上,分析了工作面开切眼到断层带距离、断层倾角、工作面推进方向以及侧压力系数等因素对底板临界突水水压的影响规律。算例显示,临界突水水压随工作面开切眼到断层带距离的加大而减小;随着断层倾角的减小,临界突水水压先减小后增加,但当断层倾角小于某一临界角度时,底板不沿断层面破坏;由断层下盘向上盘推进时的临界突水水压较由断层上盘向下盘推进时大,但无论工作面的推进方向如何,临界突水水压皆随着工作面过断层带距离的加大而逐步减小;随着侧压力系数的加大,临界突水水压先增大后逐渐减小。实例应用表明,临界突水水压计算判别结果与实际情况吻合。     

晋城成庄井田煤层气直井开发后煤层底板突水危险性评价

以晋城矿区成庄井田为依托,分析煤层气开发后煤层底板岩石破裂压力、地应力、煤层底板含水层水压和隔水层有效厚度等条件,建立了煤层气开发后煤层底板突水危险性评价理论与方法,揭示煤层气直井开发对煤炭开采底板突水影响机制。研究结果表明:煤层气井煤层底板完井深度和采动矿压与承压水的水压使煤层底板隔水层形成贯通的破裂,如果隔水层中的最小水平主应力大于承压水的水压,从应力方面,就不会发生突水,如果相反,就会发生突水;煤层气井煤层底板完井深度和采动矿压与承压水的水压未能使底板隔水层形成贯通的破裂,开采煤层承受的水压与煤层到主要含水层间有效隔水层厚度之比,决定了煤层底板突水危险性。根据煤层底板隔水层岩石破裂压力、水压和水压与隔水层厚度比值等关键参数,将煤层底板突水危险性划分为安全(Ⅰ)、中等安全(II)、安全性差或有危险(III)和安全性极差或极有危险(Ⅳ)4类。成庄井田太原组15号煤层距奥灰含水层间距小,且变化大,煤层气垂直井开发后煤炭开采受奥灰水威胁。如果9号煤层气完井深度与煤炭开采底板破坏深度15 m相同计算,煤层底板突水危险性主要为中等安全,仅在深部存在突水危险性;煤层气开发后3号煤层开采过程中不会发生底板突水。     

含水层上工作面回采诱发顶底板破坏及应力演化规律试验研究

以五沟煤矿F4、F5断层地质条件为背景,采用相似模拟试验方法,对含水层上正断层上盘工作面回采过程中煤层顶底板岩层破坏及应力变化规律进行研究。结果表明,随着工作面推进,煤层底板的应力峰值随着断层距离的减小而增大;采动影响及含水层水压作用导致煤层底板岩层产生裂隙,衍生出突水通道,突水危险性增加;对F4断层进行注浆加固,阻隔对盘含水层,相对增加工作面与含水层的距离;试验结果表明,下盘含水层对上盘工作面回采的影响减小,可以有效缩小防水煤柱宽度。     

含隐伏断层的煤层底板破坏深度的数值模拟

针对含隐伏断层煤层底板采动破坏过程及导水通道的形成过程,根据岩-水关系法理论并利用COMSOL Multiphysics软件进行数值模拟,分析了不同水压力下底板破坏深度,研究了在高承压水影响下,随着工作面的推进,底板破坏区域沟通断层导致突水的过程,研究得出随着含水层水压的逐渐增大,底板下方岩层裂隙中水压也呈现逐渐增加的趋势,而岩层中水压的增大会导致工作面与采空区涌水量增加以及底板破坏深度的增加,同时会影响到突水原因的变化,使得突水更具有隐蔽性,更不容易被探测和规避。     

基于不同正断层角度的上盘工作面突水数值模拟分析

运用FLAC3D软件,模拟位于正断层上盘的工作面推进过程中不同的断层倾角对工作面突水的影响。模拟结果表明:断层倾角越小,底板和煤柱塑性破坏越严重,容易导致承压水通过底板裂隙进入工作面引起突水;断层倾角越大,断层活化越明显,承压水的导生速度、高度、渗透幅度均增大,容易通过煤岩柱塑性破坏区进入工作面引起突水。     

含断层构造采动底板岩体突水过程数值模拟

为确保承压水上煤层安全开采,从"下三带"理论入手,以实际工程为背景,基于FLAC3D数值软件,构建断层构造承压水上煤层开采模型,分析断层影响下底板破坏规律及突水路径,结果表明:随着工作面推进,在距断层一定范围内,煤层底板最大破坏深度为10 m,靠近断层时,受断层影响,煤壁前下方破坏深度增大至16m,并与断层破坏带导通形成突水通道;受采动影响,孔隙水压力沿着底板隔水层和断层均发生明显导升,其高度约6~8m不等,且流水矢量方向与底板突水通道路径一致;含30°、45°和60°断层工作面开采突水通道形成时,对应剩余临界水平煤柱长度分别为67m、37m和18 m,说明断层倾角越小,需要留设的保护煤柱越长,即在相同推进距离下,断层倾角越大越不易发生底板突水现象。该研究结果为矿井煤柱留设提供了科学依据,具有重要的实用价值。     

霍宝干河矿含隔水层特性及对下组煤开采的影响分析

为了研究霍宝干河矿高承压含水层对煤层开采的影响,基于现场实测资料,确定了井田范围内的主要含隔水层特征及其空间分布关系,得出了底板承压含水层为中等富水含水层.针对高承压含水层对下组煤开采可能造成的底板突水,采用FLAC~(3D)数值模拟手段,得出了工作面开采宽度与煤层底板破坏深度的关系及渗流发育的规律.当工作面的开采宽度大于160 m时,煤层底板的破坏深度不再随开采宽度的变换而变化,而是稳定在25 m,加上阻水带厚度13 m,小于底板46 m的隔水层厚度;在应力一渗流耦合的过程中,开切眼处单元孔隙水压力最高上升到2.4 MPa,且变化过程中孔隙水压力始终小于承压含水层的水压,不会发生煤层底板突水事故.     

固液耦合模式下采动诱发断层界面应力变化规律的模拟研究

本文运用数值模拟方法,通过改变断层倾角的大小、断层破碎带厚度以及含水层水压对固液耦合模式下采动诱发断层界面应力变化规律进行了模拟研究,揭示了不同工况条件下断层活化突水的影响规律。模拟结果表明:在相同工况条件下,断层的上盘断层界面所受的正应力及剪应力皆大于下盘断层界面所受的相应应力;在工作面推进相同步距时,断层界面所承受的正应力随断层倾角增大而减小,剪应力在倾角为一定范围内随增大而增加,但倾角超过一定角度后其又随之增加而减小;随断层破碎带宽度增加,断层盘界面所受的正应力越大,而剪应力越小;断层界面所承受的正应力及剪应力皆随含水层水压的增加而增加,且水压越大,断层突水危险性就越大。     

断层影响下底板隔水层的破坏机理研究

为了研究断层对底板隔水层稳定性的影响,根据岩石剪切破坏的极限平衡条件推导出隔水层破坏的临界水压力公式,并提出突水判据.基于临界水压力公式分析了断层倾角、内聚力和断层煤柱宽度对底板隔水层破坏的影响规律.结果表明,断层倾角越小,底板隔水层能够承受的临界水压越小,底板就越容易发生突水;若断层带内聚力越小,即断层带强度越软弱,底板临界水压力也随之减小,此时底板发生突水的可能性越大;断层煤柱留设宽度越大,底板越不容易发生突水.工程应用表明预设的煤柱宽度偏小,有发生底板突水的可能,为保证安全开采,根据所推出的临界水压力公式计算得出合理的断层煤柱宽度应为34.3 m.     

超化煤矿三软煤层采煤工作面底板承压水的防治

在带水压开采条件下,为了消除采煤工作面底板承压水的威胁,结合郑州矿区超化煤矿煤层底板含、隔水层情况,采用突水系数法划分底板突水威胁区域,通过物探、钻探查明底板富水区的分布情况,对煤层底板薄层含水层进行注浆以将含水层变为隔水层,在工作面生产过程中保持均衡推进以减少前方移动支承压力对底板隔水层的破坏.实践表明:采取物探、钻探、注浆和均衡推进等综合防治水的方法能有效减少工作面底板的涌水量,降低底板承压水的突水概率;对三软煤层底板主要强含水层以上地层进行加固改造,可以提高底板岩层的隔水厚度和隔水性能,有效防治底板承压水.     

岩体破坏突水失稳的水压致裂机理及工程应用分析

首先从渗流-损伤耦合角度深入研究水压致裂破坏机理,探讨水压致裂过程的渗流-损伤耦合效应,提出了研究水压致裂的难点是破坏模式及失稳压力的确定.针对矿山采动岩体破坏突水问题,系统解释了渗透系数、有效应力系数在突水机理研究中的工程意义.其次,通过对煤层开采过程中底板突水实例模拟,分析了渗流-损伤耦合作用,从稳态和瞬态两个方面探讨了不同有效应力系数条件下煤矿底板突水过程的渗流-损伤耦合效应.研究结果表明:岩层破坏突水不仅和岩层的应力状态和力学强度密切相关,而且还受控于岩层的渗流力学指标;煤层底板有效应力系数越大,突水失稳临界水压越小;渗透系数越大,突水失稳临界水压越小,这对深刻理解岩体破坏突水的渗流力学本质和突水系数的内涵,具有重要的理论和实用价值.     

承压水体上煤层底板下位隐伏断层采动突水机制研究

由于煤层底板隐伏断层分布广、数量多、隐蔽性强且不易探测的特点,使得底板隐伏断层活化突水成为深部开采突水的主要形式之一。根据底板隐伏断层发育规模及空间位置条件,总结提出了底板沟通隐伏性断层突水、上位隐伏性断层突水及下位隐伏性断层突水3种模式。针对承压水体上煤层底板下位隐伏断层底板突水模式,通过力学分析、底板突水相似模拟及FLAC^3D数值拟研究了煤层回采过程中底板空间采动应力变化规律、隐伏断层扩展及突水通道演化过程。研究结果表明：近煤层底板采动岩体随工作面推进,经历压缩-卸荷-恢复过程,形成采动破坏带,底板空间采动应力状态以工作面为分界线呈现水平“S”型分布形态;采动-水压-隐伏断层作用下,隐伏断层将对采动应力随工作面移动起到阻隔作用;隐伏断层顶部受矿压-水压作用的破坏程度时机更早、程度更严重,更易诱发导水裂隙发育,隐伏断层原生裂隙扩展并向逆工作面推进方向上方发育,与采动破坏带沟通形成突水通道;采动承压水导升运移与采动裂隙发育紧密相关,采动承压水导升强度及强渗流区范围随工作面推进渐进发展,底板隐伏断层采动突水先出现隐伏断层上方采空区,突水量随工作面推进渐进增加。在将含...     

底板隐伏断层采动活化突水的断裂力学分析

为研究含隐伏断层煤矿底板采动突水发生的力学机理,根据底板隐伏断层赋存的实际特征,建立力学模型。利用断裂力学理论分析方法,研究了工作面推进过程中,在采动应力和承压水压力联合作用下底板突水通道形成的过程。获得了隐伏断层活化突水的力学判据,并分析了影响突水的主要因素。结果表明:临界水压力q是底板突水的必要条件,主要受到隐伏断层长度a、倾角β、支撑压力Q、底板厚度h等因素的影响,而当分支裂纹扩展长度达到一定值,使得有效隔水层厚度不足以抵抗采动应力和承压水压力的作用时,能够满足底板突水的充分条件。根据实际工作面工程地质条件,采用数值模拟方法对底板破坏过程中的底板应力变化和渗流情况进行了分析,使理论分析得到验证。     

带压开采底板破坏因素分析及突水预测研究

为有效防治采动影响导致的底板突水事故,采用塑性理论及经验公式分析总结了底板破坏的影响因素,并将其分为赋存因素与开采设计因素。以上孔煤业15号煤层为研究背景,选取隔水层厚度、底板水压、煤厚及工作面斜长作为主控因素,建立了"赋存-采动"多因素组合模型,利用FLAC3D模拟了不同因素组合下底板垂直应力及塑性区分布规律。结果表明:采动破坏带深度对工作面宽度的变化十分敏感;隔水层厚度及底板水压则对承压水导升带范围起控制作用,且隔水层厚度影响更大;采厚的波动对底板破坏影响微弱。首次提出了等效破坏深度的概念,并将其应用于突水系数法中,预测了15号煤层带压开采突水危险,并建议降低工作面宽度、在煤壁及工作面前方等采场边缘处加强探放水以预防突水。     

采动和强承压水作用下大倾角断层防水煤柱宽度研究

针对煤层位于断层上盘的大倾角正断层防水煤柱的合理宽度留设,采用数力学理论分析和现场实测的综合研究方法,同时考虑沿煤层方向和沿煤层底板方向的复合作用,在沿煤层方向分别建立了煤柱采动影响区、弹性核区和断层裂隙带煤柱宽度的数学模型,在沿煤层底板方向深入分析了煤层底板抵抗水压破坏的力学机理,揭示了断层防水煤柱合理宽度影响因素的作用机制。研究表明,断层防水煤柱宽度的计算必须考虑采动矿压和断层裂隙带的双重影响;当断层下盘为特厚含水层时,防水煤(岩)柱合理宽度的计算还要考虑煤层底板能否抵抗承压水的破坏;最后形成了特大落差正断层防水煤(岩)柱合理宽度的计算方法。工程实践表明,所留设的煤柱宽度合理,经济效益显著。     

固液耦合模式下采动诱发断层活化及突水的试验研究

以五沟煤矿F16断层地质条件为背景,采用相似材料模拟试验,在固液两相相似的基础上研究临近断层时采动对煤层顶、底板以及工作面前方煤柱的塑性破坏规律以及断层的活化突水规律,研究结果表明:由于断层带具有"屏障"作用,在煤柱的顶板和底板形成更高的集中应力;底板岩层渗透率较大的岩层,底板突水的危险性更大;在相同的煤柱宽度时,含水层水压越大,突水危险性更大。     

固液耦合模式下采动诱发断层活化及突水的试验研究

以五沟煤矿F16断层地质条件为背景,采用相似材料模拟试验,在固液两相相似的基础上研究临近断层时采动对煤层顶、底板以及工作面前方煤柱的塑性破坏规律以及断层的活化突水规律,研究结果表明:由于断层带具有"屏障"作用,在煤柱的顶板和底板形成更高的集中应力;底板岩层渗透率较大的岩层,底板突水的危险性更大;在相同的煤柱宽度时,含水层水压越大,突水危险性更大。     

隐伏断层诱发巷道底板突水研究

隐伏断层在掘进扰动和承压水共同作用下可能形成突水通道诱发底板突水。以山西省刘家梁煤矿巷道突水问题为工程背景,以底板含隐伏断层的巷道为研究对象,通过理论分析、岩石力学试验、数值模拟的方法,研究了巷道在掘进过程中,围岩应力场、位移场、塑性区的演化情况。结果表明：随着巷道掘进,隐伏断层顶界面处围岩受应力场影响,由压缩态变为膨胀态;在倾角大于50°的正断层中,小倾角隐伏断层顶界面处围岩受到的剪应力峰值更大,当剪应力达到某一临界值时,断层不断向上活化扩展,最终演化形成沟通底板破坏带的突水通道,且突水通道更易在卸压区底板贯通。