采动过程中底板隐伏陷落柱突水数值模拟

为弄清采动在工作面底板岩溶陷落柱围岩破坏及突水中所起到的作用,以葛亭煤矿底板隐伏岩溶陷落柱为研究对象,采用FLAC3D数值模拟软件对采动过程中的垂直方向应力场、塑性破坏区和垂直方向位移变化进行分析研究,分析了不同推进距离下隐伏底板岩溶陷落柱的突水过程。研究结果表明,随着推进距离的不断增加,岩溶陷落柱的塑性破坏范围不断增加,底板垂直方向的位移不断增大,当煤层底板的塑性破坏区和岩溶陷落柱的塑性破坏区发生连接时,容易发生底板岩溶陷落柱突水事故。     

导水陷落柱突水模拟试验台研制及应用

为了分析研究采动影响下陷落柱突水的物理规律及特征,结合五阳煤矿7601工作面工程地质和开采技术条件,利用数值模拟软件和突水模拟试验平台分别模拟了底板和过煤层两种不同陷落柱的突水过程.结果表明,陷落柱突水破坏过程的数值模拟与试验台相似模拟相一致;底板陷落柱与过煤层陷落柱突水的规律是,在采动作用影响下,陷落柱周边的塑性区不断扩大,与工作面前方形成的塑性区相互贯通,形成突水通道,当陷落柱充水且水压达到一定值时,工作面发生突水;特殊构造突水模拟试验台在一定程度上满足了设计试验的需要.     

深部煤层采动流固耦合效应下陷落柱突水机理研究

以淮北矿区下组煤开采为例,研究煤层深部开采扰动诱发陷落柱突水机理,建立了陷落柱突水模型。基于FISH对FLAC3D进行二次开发,研究流固耦合效应下工作面推进不同步距条件下,陷落柱破坏特征。结果表明:深部高地应力及高承压水耦合作用下,随着工作面回采推进,陷落柱产生侧向塑性破坏。在采动影响下塑性破坏区范围不断地向外扩展,工作面前方的裂缝带与陷落柱塑性破坏区之间的完整岩层宽度在不断地减小,当工作面推进50m时,距陷落柱30m处二者相连通,形成突水通道,诱发陷落柱突水。研究揭示了矿井深部煤层采动流固耦合效应下,陷落柱突水的过程与机理。     

阳煤二矿岩溶陷落柱防水保护煤柱宽度设计

为保障阳煤二矿15^#煤层采煤工作面的安全生产，以31301工作面为背景，采用理论计算分析其顶底板岩层破坏范围，确定顶底板涌水水源及其突水危险性，并通过数值模拟探究回采工作面回采影响下陷落柱围岩塑性破坏特征。结果表明：15^#煤层工作面顶板水源为K₂、K₃、K₄石灰岩含水层，顶板含水层不会威胁矿井的生产安全；采动影响下岩溶陷落柱围岩内出现渗漏区域，岩溶陷落柱防水保护煤柱宽度设计为65 m，能够保证工作面安全生产。     

带压开采底板突水预测研究

为了有效预测工作面在带压开采下底板突水,以上孔煤业15#煤层为研究背景,通过塑性理论和经验公式分别计算底板的破坏深度|考虑采动与赋存因素影响,基于修正的突水系数法,提出极限突水系数公式,确定合理的工作面尺寸,提高突水预测精度。现场施工水文钻孔探查底板涌水情况,并根据岩芯测得底板隔水层物理力学性质,与理论推算结果对比,对15#煤层底板突水可能性进行有效预测。研究结果表明：底板主要隔水层属于中等坚硬岩石类,具有较好的隔水性能,底板含水层含水性弱,不具备底板突水的条件。极限突水系数计算结果显示,15#煤层在底板完整区段无突水危险,受构造破坏的区段具有底板突水的危险,建议减小工作面尺寸,查明底板地质特征,并加强在构造等薄弱区域的探放水以预防突水危险发生。     

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...     

采动影响下底板隐伏陷落柱突水灾变数值分析

为研究采动影响下底板隐伏陷落柱的渗流演化规律及突水灾变特征,以1个隐伏陷落柱工程为背景,考虑流固耦合作用以及围岩渗透系数的动态变化特征,模拟再现隐伏陷落柱随工作面开挖前进的突水灾变过程;在此基础上,研究隐伏陷落柱发育高度以及水压对煤层底板突水的影响。结果表明:当工作面开挖通过陷落柱时,陷落柱与煤层间的导水裂隙通道起始于陷落柱顶部最前方而终于煤层底板距陷落柱中心约20 m的位置;随着工作面的向前推进,煤层底板的涌水量大体呈"S"型曲线分布,其在工作面靠近并通过陷落柱时增大速率最快,而在工作面远离陷落柱中心35 m后逐渐保持稳定;陷落柱距煤底越近,煤层底板涌水量发生快速增长的时间点就越靠前且其增长区间范围也越大,同时煤层底板的涌水量与其距陷落柱的距离呈指数衰减式关系;当工作面推进距离相同时,煤层底板的涌水量与陷落柱水压呈指数递增关系。     

保德煤矿奥灰突水危险性评价及其防治对策

通过对保德煤矿水文地质条件和突水影响因素分析研究,认为井田构造不发育,煤层底板隔水层隔水性能较好。利用突水系数法对煤层底板奥灰突水危险性进行了评价,8#和11#煤层底板突水系数均小于临界突水系数,在无隐伏导水断层或导水陷落柱等导水构造的情况下可实现安全带压开采。针对奥灰突水的特点,提出防治对策是掘进工作面和回采工作面应采用物探和钻探手段进行综合探查,加强矿井水情监测监控预警系统、防排水系统、应急救援等安全保障措施。     

含隐伏断层煤层回采诱发底板突水影响因素研究

针对具体地质条件,采用FLAC~(3D)的固液耦合模式,利用变参数流变模型对含隐伏断层缺陷煤层诱发底板滞后突水影响因素及滞后突水机理进行研究。结果表明:滞后突水是由底板岩体的变形和破坏所引起,其影响因素不仅与隐伏断层与煤层的空间关系及承压水水压有关,而且与隐伏断层发育程度及其与煤层间的空间距离有关;隐伏断层顶界面处的应力随工作面的持续推进先增加后松弛再增加,应力变化导致对应位置处的岩体先压缩后膨胀再压缩,隐伏断层顶界面处的最大垂向位移与煤层埋深之间存在线性关系,而与水压及隐伏断层顶面与煤层间距之间均存在幂指数关系;煤层回采致使地应力重新分布,重新分布的应力影响到底板岩体的渗透能力,使裂隙内的水将静水势能转变成动能,进而对裂隙壁面产生冲刷和扩张作用,这种影响具有时效性,其为滞后突水机理研究的核心内容和关键问题。通过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、隐伏断层损伤破坏到突水通道形成的全过程,揭示了含隐伏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隐伏断层缺陷煤层安全回采具有重要的参考价值。     

底板隐伏陷落柱突水主控因素数值模拟

为了弄清采动过程在底板陷落柱围岩破坏及突水中所起到的作用,采用理论分析、数值模拟、物理探测的方法从发育特征等方面分析归纳出葛亭煤矿底板隐伏岩溶陷落柱的基本特征。以葛亭煤矿2160工作面发现的SX1陷落柱为研究对象,通过FLAC3D模拟陷落柱在采动过程中煤层顶底板和陷落柱围岩应力场、渗流场、位移场和塑性破坏区的变化情况。结果表明:随着工作面采高和含水层水压的增加,陷落柱周围围岩应力场、塑性破坏区、位移场和渗流场随着采高和含水层水压的增加呈现增大的趋势;陷落柱属于天然的低应力集中区,随着推进距离的增加,原有的应力场重新分布,陷落柱顶部围岩的位移不断增加。     

某矿9~#煤顶底板采动效应数值模拟

以某矿9#煤9418工作面为研究实例建立工程地质模型,在分析其工程地质、水文地质及开采条件的基础上,采用FLAC3D有限差分数值计算软件对工作面推进过程中顶底板的采动破坏规律进行数值模拟,得到了工作面推进过程中顶底板应力场、位移变形及塑性破坏区的基本发展变化规律,为煤矿安全生产和煤矿水害防治提供参考依据。     

特厚煤层采动底板变形破坏的数值模拟与实测对比

根据兖州某矿工作面煤层顶、底板岩层组合及结构性质特点,建立反映完整底板岩层组合的工程地质模型,通过FLAC3D数值模拟分析了煤层开采过程中底板应力及塑性区分布特征,得到了采动煤层底板变形破坏的深度。最后,结合现场该面煤层底板随不同深度钻孔内超声成像观测的变化规律,综合对比分析得出该面煤层底板破坏深度约为12 m。     

采动底板导水破坏深度滞后煤壁二次加深规律探测

率先明确探测并提出底板采动导水破坏深度滞后煤壁二次加深的观点,并先后选择晋城、榆林、鄂尔多斯多个煤矿工作面做了验证,利用现场测试条件,在煤壁推过测点后,仍对底板采动破坏规律实施注水试验与底板岩层应变连续性探测。探测结果表明:1)底板岩层首次破坏发生在工作面刚推过测点的应力集中区;2)工作面推过测点15~20 m,即过测点后的第1次周期来压时,测点位置的底板导水破坏深度出现二次滞后加深,破坏加深程度一般在1~2 m;3)工作面推过测点2~4个周期来压后测点位置底板岩层变形状态趋于稳定;4)工作面推过测点后第1次周期来压到第4次周期来压之间(工作面推过测点15~60 m)这段距离为底板滞后突水高风险区域;5)底板注水试验与岩层应变探测试验的探测结果一致性很高。     

采动与隐伏断层双重作用下底板破坏特征

针对工作面底板含隐伏断层条件下底板水害多发的问题,综合数值计算与现场实测2种方法探究底板岩体采动破坏特征。模拟结果得出:底板塑性区范围随工作面推进距离增加而扩大,距底板隐伏断层远场的完整型底板岩体最大破坏深度约为18 m,靠近底板隐伏断层的岩体最大破坏深度约为28 m,隐伏断层活化是促进底板破坏深度增加的积极因子;受隐伏断层存在的影响,底板岩体采动破坏范围呈现出以过隐伏断层顶部竖轴为对称轴的正"八"型破坏形态;钻孔窥视实测得到采动破坏影响范围内呈现出裂缝贯通型"环形"破坏圈的特征,底板采动破坏深度最大值约为29 m。结果表明:受隐伏断层和采动应力影响,底板破坏深度明显增大,且扩展路径沿着隐伏断层顶部斜向下发展,数值模拟与实测结果误差约为3.4%。     

深部开采砌体梁失稳扰动底板破坏力学行为及分区特征

深部开采的强扰动附加属性导致底板煤岩破坏加剧,易沟通底板承压水导升带而诱发突水灾害,故研究砌体梁失稳扰动底板破坏的力学行为可为实现矿山岩层控制提供重要的理论基础。根据弹塑性力学理论分析了深部开采砌体梁失稳扰动底板破坏的动载源特征,基于压力拱及损伤力学理论研究了砌体梁失稳扰动底板压剪破坏和卸荷破坏的力学行为,应用离散元软件计算分析了不同采深下砌体梁失稳扰动底板的应力变化及变形破坏行为,结合采动力学全过程应力-应变曲线获得了深部开采底板强扰动破坏的分区特征,并应用深部开采微震监测数据进行了验证。结果表明:砌体梁失稳后,梁端煤壁端部及触矸区域底板应力增高并形成了塑性屈服区和触矸破坏区,两者之间则形成了压力拱形式的卸荷破坏区;随采深增加,底板塑性屈服区和触矸破坏区的压应力增量及卸荷破坏区的卸荷反弹力不断增大,并使得底板岩体最大变形量在采深700 m以浅时近似线性增加,而采深700 m以深的深部开采却表现为非线性突变增长;深部开采高围压造成底板压应力峰值及卸荷反弹力非线性增加,促使了扰动岩体由浅部脆性向深部延性的转变,并导致其强扰动破坏的分区范围扩大,变形破坏深度增加,深部开采底板的非线性强扰动破坏行为在底板浅部最突出。     

深部开采底板突水灾变模式及试验应用

深部采场高地应力、高岩溶水压和强开采扰动条件使得底板突水相比浅部采场形成特定构造、水-岩-应力及采掘工程相互作用影响下的复杂岩体水力学问题。基于不同地质构造受采动影响特征及其诱发煤层底板突水机理,将深部开采底板突水灾变模式划分为完整底板裂隙扩展型、原生通道导通型和隐伏构造滑剪型3种类型,并分析了对应的突水判据。研究认为完整底板裂隙扩展型归结于承压水影响下裂隙扩张造成彼此贯通引发承压水导升高度大于有效隔水层厚度,原生通道导通型归结于构造活化引发局部位移扩展与保护煤柱底板压缩区连通裂隙发生沟通,隐伏构造滑剪型归结于构造上方断面岩层失稳发生剪切破坏造成承压水以最短距离涌入采空区。利用深部采动高水压底板突水相似模拟试验系统探寻了3种突水灾变模式下突水通道的时空演变过程,验证了突水判据的准确性。     

深部承压水上底抽巷围岩破坏特征及合理位置

针对赵固二矿区域瓦斯治理需开掘底抽巷与承压水上开掘底抽巷易引发底板突水之间的矛盾,通过承压水影响下的圆形巷道围岩塑性区边界方程,分析了底抽巷围岩塑性区的分布特征与底板突水危险性之间的关系;采用数值模拟研究了工作面开挖后的底板应力分布状态及底抽巷布置在不同位置时的围岩破坏特征及相应的突水危险性。结果表明:底抽巷围岩塑性区的非均匀分布会显著减小底板隔水层厚度,增加底板突水危险;工作面开挖后底板应力根据其双向应力比值大小及应力加卸载状态可分为4个区域且按对底板突水危险的影响程度可排序为:卸压高应力比值区卸压应力比值稳定区增压低应力比值区原岩应力比值区。据此提出了赵固二矿底抽巷的合理位置为沿待采工作面法向布置,并在规划的煤柱中部下方的L9灰岩上部砂质泥岩层中沿底掘进。     

深部承压水上含隐伏构造煤层底板渗流路径扩展规律

针对邯邢矿区矿井开采深度逐渐加深与采动影响下隐伏构造活化而导致底板奥灰层突水威胁日益加重的问题,研究大采深、高水压条件下含不同隐伏构造类型底板高承压水的始渗条件和渗流路径扩展规律,以确定矿井底板突水条件及重点治理区域。从开采扰动、隐伏构造、承压水共同作用角度分析,根据典型突水矿井地质条件及突水原因分析,建立了含隐伏导含水构造的概化力学模型,通过断裂力学理论得出了含水裂隙的起裂条件、抗渗透强度及由主应力表达的裂隙扩展判据,应用弹性力学边界荷载在半无限板内传播的经典求解方法推导得出了采动应力与承压水压力耦合作用下含隐伏构造煤层底板的垂直应力、水平应力和剪切应力表达式,在所得应力分量基础上通过应力张量的不变量求解应力状态方程得到含水裂隙扩展判据中的主应力表达式,以邯邢矿区典型突水矿区地质与开采参数为例进行算例分析,通过编制Matlab计算程序计算得出底板裂隙的扩展路径。进而采用可模拟岩石破裂声发射且裂隙扩展可视化效果较好的RFPA数值软件进行验证分析,再现了底板渗流路径演化过程。理论计算与数值分析结果表明:隐伏构造的局部应力扰动作用影响了渗流路径的扩展方向,使3种类型底板分别呈现出不同的渗流路径,对于完整型底板,渗流裂隙由奥灰承压水层顶界面至采空区两侧边界呈"正八字"形向采空区扩展;对于隐伏陷落柱型底板,渗流裂隙沿陷落柱顶界面呈"倒八字"形向上发散式扩,至底板28 m深度时与采动裂隙贯通而停止扩展,其延线分别指向采空区两侧边界展;而对于隐伏断层型底板,渗流裂隙则沿断层延线的反向扩展,至底板30 m深度时与采动裂隙贯通而停止扩展,其延线指向工作面后方,在底板含水裂隙自下而上与底板采动裂隙自上而下联合扩展作用下最终贯通形成底板奥灰水至采煤工作面的渗流通道。基于理论计算和数值模拟得出的底板承压水渗流路径扩展规律,在实际工程中可结合微震监测技术来实时动态捕捉煤层底板隐伏导含水构造活化的前兆信息,进而实现底板突水路径的预测预报和快速重点区域治理。     

深部倾斜煤层采动底板破坏演化特征分析

为研究深部倾斜煤层底板破坏特征及破坏深度,以羊东煤矿8469工作面为研究对象,采用理论分析、数值模拟和现场实测相结合的方法,对煤层采后底板应力分布规律、塑性区发育特征及破坏深度进行了研究。通过数值模拟与理论分析可知:煤层开采后,作用在周围煤岩体上的支承压力产生不同的应力分区。沿煤层走向方向,应力呈对称性变化,形状近似马鞍状,在工作面两端处产生应力集中;沿煤层倾向方向,倾斜剪切力的存在使底板岩体由采动破坏转变成滑移破坏,塑性破坏区和应力变化大致呈勺型分布形态,最大应力集中区出现在工作面下侧。随着工作面向前推进,底板破坏范围相应增大,但推进255m后,破坏深度不再增加。现场实测表明,底板浅部岩层最早受到扰动,且受到的扰动程度最高。扰动范围随最大注水量的减少而增加,在底板下25m范围内的岩层受影响较小。由此可知,该工作面底板破坏深度为25.0～29.2m。     

刘桥一矿663工作面底板破坏深度分析及监测

为了研究刘桥一矿663工作面底板破坏深度,采用了理论计算和钻孔压水试验法.理论公式计算获得工作面底板破坏深度为16.27m,最大破坏深度距工作面端部的水平距离为10.57m,采空区内底板破坏区沿水平方向的最大长度为86.54m;通过钻孔压水试验的三个钻孔测试获得底板破坏深度在16m左右,结合经验公式计算最终确定底板破坏深度为18.88m.该研究成果为其他的工作面底板破坏深度提供了重要的参数依据.