陷落柱突水模式及理论判据

不论岩体结构如何，地下水总是寻找采掘小区域内的构造软弱带，突破其中的关键部位(层)，而形成突水。大量防治水实践和理论证实，突水通道一般呈横截面积有限、形状各异、类似陷落柱的柱体管道，因此，可以将煤矿突水‘柱体突水通道’设想为力学中的‘厚壁筒’，其顶底板突水类似‘筒盖’破坏失稳，煤柱侧壁突水则与‘筒壁’破坏失稳相似，而突水通道中的地下水压力和围岩地应力即为厚壁筒的内外压力：以‘柱体突水通道’和‘厚壁筒’的完全吻合为基础，将突水通道概化为‘柱体突水通道’统一模式，并建立其‘厚壁筒’力学模型。在利用模型进行突水条件分析时，应用结构分析的剪切破坏理论方法，并对其中的力学条件和推导过程作了适当简化，由地下水压力突破构造软弱带内关键层时的极限平衡状态，得到了简单实用的突水理论判据，可以有效预测突水部位及突水与否，指导防治水工作。范各庄217l综采工作面特大突水模型的建立及突水理论判别的实际计算表明，‘柱体突水通道’突水模式概化准确，‘厚壁筒’力学模型切实可行，突水理论判据正确，且切合实际。     

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。     

华北煤矿区岩溶陷落柱特征及成因探讨

岩溶陷落柱是中国北方型石炭二迭纪煤田的一种特殊隐伏垂向构造，广泛分布于20个煤田45个煤矿区。通过对华北煤矿区岩溶陷落柱内部物质特征和外部形态特征的综合分析，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，其形成过程是多种因素影响的复杂动力地质过程。以奥灰岩层中岩溶发育为基础，地下水的强烈交替为条件，岩体自重重力、地应力集中以及溶洞内的真空负压三重作用为动力，经过迅速垮落、溶蚀、搬运、塌陷、冒落等周而复始的过程，分阶段逐步形成陷落柱。向斜轴部的岩层底面受张拉破碎为‘倒楔形’岩块，背斜轴部岩层底面受压破碎为‘正楔形’岩块。在重力作用下向斜轴部有利于岩块整体下移形成陷落柱，从力学上解释了‘华北地区岩溶陷落柱集中发育多在向斜褶曲部位而不是背斜轴部’这一基本规律。     

华北煤田岩溶陷落柱研究综述

针对华北煤田岩溶陷落柱,对矿井的建设和生产安全产生了严重威胁的情况,从陷落柱的研究历史入手,综合论述了陷落柱的形成机理、形态及导突水特点,并对陷落柱研究的方向进行了预测。     

流固耦合模型用于陷落柱突水的数值模拟研究

采动岩体动力学失稳与渗流突变是发生矿井突水的直接原因.以岩体的损伤演化为主线,考虑岩体的非均质性、渗流与变形的耦合效应,提出流固耦合条件下岩石破坏过程的本构关系,并在COMSOL Multiphysics的编程环境下通过MATLAB编程开发了突水模拟及突水危险性评价的软件系统.结合范各庄矿陷落柱突水的实际,用该数值模拟系统开展陷落柱突水的数值模拟.数值模拟再现了突水发生的整个过程,据此对陷落柱突水危险性进行了评价分析,并探讨了突水发生的机理.     

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。     

综合物探勘查陷落柱及充水性的应用研究

阐述了瞬变电磁法理论和激发极化法勘探原理，结合具体工程实践，利用瞬变电磁法和激发极化法进行综合勘探，经实践证明，该综合勘探法弥补了其他物探方法在勘查陷落柱充水方面的不足，提供了可靠的地质依据。     

吉林靖宇煤矿水文地质条件及充水因素分析

为查明吉林靖宇煤矿涌水条件,对该煤矿的水文地质条件进行了详细的分析,指出靖宇煤矿属于水文地质条件中等的孔洞、裂隙充水矿床,并基于裂隙发育情况、玄武岩厚度、单位涌水量,将矿区整体划分为强富水区和一般富水区,提出了矿井主要的充水因素及矿山安全生产的合理化建议。     

煤矿陷落柱水害特征与防治技术研究

煤矿地下地质条件及地下水情况复杂多变,在工作中经常遇到各种水害发生。笔者总结以往在煤矿陷落柱水害方面的经历,制定了一套合理、经济、实用的防治方案。本文主要阐述我国煤矿陷落柱水害特征与防治技术研究。     

考虑渗流应力耦合关系的陷落柱突水机理研究

陷落柱突水受多种因素影响,其中煤矿工作面推进引起的区域岩体应力变化是主要原因。本文以陷落柱内承压水头上升高度和陷落柱内渗流量变化为评价突水危险性的简化判据,根据渗流应力耦合经验公式,借助FLAC^3D软件自带的FISH语言开发了流固耦合程序。应用该耦合程序并结合团柏矿某工作面的工程实际,对承压水上边缘充水导水型陷落柱的突水全过程进行了数值模拟。通过模拟结果和力学机理分析,得出了该边缘充水导水型陷落柱的渗流特征及工作面突水危险区域,从而为煤矿安全生产提供了指导。     

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。     

华北地区构造应力场非均匀特征与煤田深部应力状态

 将华北地区分成11个应力小区,依据华北地区近期1 111条中小地震震源机制解数据,利用格点尝试法分析华北地区主应力方向的分布特征,结果显示,华北地区现今构造应力场以水平作用为主,其中,唐山和晋南地区最大主应力方向为近EW向,其他地区最大主应力方向均为NEE向,方位为NE60°～80°。鲁西南万福煤矿深部水压致裂原地应力测试结果显示,水平最大主应力方向的为NE40°～80°,与鲁西南地区中小地震震源机制解的分析结果十分接近。通过构造类比,认为万福煤矿深部应力状态受控于鲁西南地区区域构造应力场。     

岩体破坏突水模型研究现状及突水预测预报研究发展趋势

在收集整理国内外相关资料的基础上,从岩体渗流损伤耦合方程、突水试验监测等方面总结目前岩体破坏突水模型及预测预报研究现状,认为破坏诱发渗透性演化方程和破坏引起有效应力方程的修正是建立描述破坏渗流机制的关键。通过现场实例分析及提出的数值模型的讨论,提出“采动压力和水压力扰动应力场诱发岩体破裂（微震活动性）是矿山突水前兆本质特征”这一学术思路,认为突水预测预报研究发展趋势为依托实例工程,采用渗流耦合力学理论、计算科学技术和高新微震测量技术手段,在深层次上对采动岩层破坏突水通道形成特征、突水岩层微震活动前兆信息和并行渗流耦合数值仿真结果进行综合反演,通过微震活动信息来基准标定突水模型,达到揭示岩层破断突水前兆规律及定位突水通道的目标,为建立矿山突水灾害预测预报奠定理论基础。     

矿井涌水水源识别的MMH支持向量机模型

 提出一种新的多水源判别的H支持向量机模型。推导H支持向量机的理论推广误差公式,发现确保高优先级节点的推广性能是提高H支持向量机性能的有效途径;设计基于SVM最大间隔逐层分类、最小间隔逐层聚类构造H支持向量机的新方法,以各支持向量机节点的分类间隔为分类、聚类指标,通过TopDown,BottomUp两种方式混合构造H支持向量机,即MMH支持向量机。实验效果表明,MMH支持向量机结构简单、泛化能力强,不仅能正确区分各类水源,而且其层次结构能很好地反映各水源的层次关系。判别函数的法向量还可以指示各含水层水质化验指标的权重,为矿井涌水水源识别提供了新的科学方法。     

矿井富水体的瞬变电磁场物理模型实验研究

 通过物理模型实验,研究矿井富水异常体的瞬变电磁场响应特征,为改进资料解释方法、提高探测精度提供重要依据。根据物理模型实验相似性准则,设计物理模型参数并校正模型系数;制作矿井富水体物理模型及发射接收装置,并对天线参数及探测能力进行对比分析。实验结果表明：在发射天线参数相同的条件下,接收天线绕制匝数越多,接收到的感应信号就越强;发射线圈中的电流越大,接收到的信号越强;相同条件下,方形天线装置比圆形天线装置接收到的感应信号强。巷道空间及空间内的金属体对富水体感应场的干扰特征实验表明：当天线位于巷道靠近富水体所在一侧时,接收到的响应值最高;当天线位于远离富水体一侧时,由于巷道空间的影响使探测结果的分辨能力降低。巷道内的金属体(工字钢、金属锚网和铁轨)使所接收到的信号值变大,而富水异常体的响应规律则没有变化。     

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。