煤层开采底板承压水导升模拟试验系统研制与应用

为深入分析煤层底板承压水导升规律和直观展现突水通道形成过程,基于现有的二维相似材料模拟试验台研制了煤层底板承压水导升模拟试验系统。该系统包括二维相似模拟试验台(改造后)、承压水加载系统、承压水导升系统和计算机监测系统。运用研制的系统进行了尺寸为1 900 mm×220 mm×1 800 mm的模型铺设、开挖及监测。试验结果表明:该系统将柔性水囊、导水脉络和突水口组合成一个整体,避免了一般模型底板加载压力不均衡,解决了含压水箱与模型之间的密封难题;在水压达到0.03 MPa条件下,随着工作面推进距离增大,承压水导升高度不断升高,采空区中部出水量最大,导升高度最高;承压水沿阻力最小、距离最短的线路突出,且突水通道形成呈现突发、干脆特点;底板岩层受采动矿压和承压水水压产生的压剪作用,应力值出现"负—正—负"变化趋势。     

回采过程控制与裂隙导升型底板突水的预防

通过回采过程控制,对承压水与底板的关系演变进程施加良性影响,利于承压水与底板达到系统再平衡,对预防裂隙导升型底板突水发挥积极作用.     

从抑制承压水再导升进程视角看底板注浆的应用

回采引发的底板岩石卸压效应,使得底板岩石阻水性能发生不均衡损失,导致承压水残余水压增加,从而启动承压水再导升进程并予以维持。底板注浆通过消减底板岩石特定层位、区域的原生结构瑕疵,能够降低承压水再导升的起点和抑制卸压效应的扩散程度。     

带压开采煤层底板破坏突水规律

针对随着开采深度不断加深而带来的承压水威胁进一步增加这一现状,根据具体地质条件,利用相似材料模拟试验以及自主设计的承压水导升模拟装置,观测了承压水在开采不同阶段的导升情况和底板破坏情况,深入研究了从开采伊始到逼近断层时底板从细微破坏到最终导水通道形成的规律;利用对模型进行分层拆解的方法,了解了裂隙的内部发育情况。     

煤层底板承压水导升规律数值模拟

为了研究煤层底板承压水导升规律,基于流固耦合理论,在对煤层底板突水机理进行分析的前提下,建立了煤层底板突水的水文地质物理概念模型和数值模型,模拟了在不同方案下(不同的底板隔水层渗透系数、不同底板水压)原始导升高度与再导升高度的变化规律。     

底板渗流应力耦合破坏与递进导升协同突水演变规律研究

为深入研究底板渗流应力耦合破坏与递进导升协同突水演变规律,应用FLAC3D固液耦合模式模拟隐伏断层底板岩体的应力分布、变形破坏特征、递进导升渗流规律及裂隙扩展突水机制.数值模拟表明:在矿山压力和承压水压力影响下,随着工作面开挖,打破原来开挖面周围荷载平衡,底板岩层节理裂隙经历张开、闭合、扩展反复循环过程,当矿压破坏带和...     

水岩作用下底板导高带的导升机制

针对煤层底板中较难确定的导高带,为了对其导升机制有比较深入的认识,研究了导高带中岩体裂隙的形成及扩展。结果表明:原始裂隙的形成的深度非常有限,这主要与承压水的大小有关;裂隙的扩展非常复杂,但主要由地应力,承压水水压,裂纹倾角有关,水压越大,倾角越大,则裂隙越容易向上发展,即底板带水裂隙带越容易贯通底板破坏带,突水发生几率就会加大。     

断层带承压水导升特性相似材料试验研究

以某矿工作面的地质资料为背景,运用自制的承压水导升系统,对工作面推进过程中,断层带及附近岩层的应力演化规律、裂隙发育规律、承压水导升特性进行了系统研究。结果表明:承压水导升系统不仅使得含水层对底板岩体的力学效用得以表征,而且实现了水流导升高度的动态观测;保护煤柱下方底板区域以压应力为主,回采结束后含水层邻近岩层在水压力的作用下已由压缩状态转变为膨胀状态;断层带内承压水的导升高度与防水煤柱尺寸密切相关,当煤柱尺寸小于20 cm后,断层带内承压水的导升高度会迅速递增,加大工作面发生突水的风险。     

双承压水间采煤顶底板破断及渗流规律

以山西某煤矿双承压水间下组煤开采为背景,针对煤岩应力-渗流耦合机理,采用相似材料模拟和离散元数值模拟,揭示双承压水间下组煤不同开采尺度下岩体断裂模式和渗流规律,提出顶板导水裂隙带发展模式,并建立底板“四带”形成与工作面开采过程的对应关系。研究发现：初采期间底板仅发育矿压破坏带,达到充分采动后,新增损伤带及采动导高带开始出现,新增损伤带主要集中于工作面下方。采动岩体应力-渗流耦合效应归结为：煤层开采导致顶板破裂和应力的降低,顶板岩体渗透性能增大,太灰水透过顶板裂隙渗入采空区和工作面;底板隔水层在奥灰高承压水的楔劈作用下发育导高裂隙并导升。当残余水头压力无法继续劈裂隔水层岩体抗拉强度,底板岩层重新恢复到应力-渗流稳定状态。     

高密度电阻率法在承压水导升高度探测中的应用

承压水导升高度的精准测定对于现场水压施加点以及水头压力值的选取有着重要的影响。文章采用高密度电阻率法对工作面承压水自然导升高度进行了测定,根据测定结果绘制了α排列视电阻率的断面图及比值T_s断面图。通过对成像结果的分析,得到进风巷中电阻率低于60的异常区和50的低值区分别出现在179～272 m和220～240 m的范围内,对应承压水导升高度上升到煤层底板68 m以上、位于煤层底板40 m深处;回风巷中电阻率低于45的异常区和35的低值区分别出现在235～255 m和180～250 m的范围内,对应承压水导升高度上升到煤层底板49 m以上、位于煤层底板30 m深处。本文的研究结果可为现场工程中承压水导升高度的确定提供参考依据。     

煤矿隐伏断层递进导升突水的临界判据及物理模拟研究

为解决煤层底板隐伏断层突水的难题,以递进导升及断裂力学原理为基础,建立了断层递进导升简化断裂力学模型,推导了递进导升突水临界力学解析式和断层到底板破坏区的最小安全距离,然后利用相似材料模拟实验研究底板隐伏断层递进导升过程。实验结果表明:底板隐伏断层在采动影响下,尖端的应力发生了集中,应力强度因子增加,当其超过临界值时,即发生扩展,导升高度增加,随机应力得以释放;随着工作面的推进,应力再次集中,强度因子再次增加,当其再次达到临界值时,导升高度再次升高,达到底板破坏区的最小安全距离发生突水,递进导升突水强度随初始导水高度的增加而增加、随岩层强度降低而增强。隐伏断层初始发育自然导升高度越大,其递进导升破坏越强烈,导致沟通煤层底板更易发生突水现象。     

断层带承压水导升模拟试验系统研制与应用

在相似材料试验方面对断层带承压水导升高度数据的采集缺乏有效的监测手段,因此仅从应力变化、裂隙扩展2个角度去研究断层的活化突水规律缺乏一定的系统性。为研究工作面推进过程中断层带的活化特性及注浆工艺对断层突水行为的影响,以新元煤矿的地质条件为背景,运用二维相似材料试验平台和自制的承压水导升系统,对注浆前后工作面推进过程中断层带及附近岩层的应力演化规律、裂隙发育规律、承压水导升特性进行了系统研究。研究结果表明:承压水导升系统不仅使得含水层对底板岩体的力学效用得以表征,且实现了采动过程中水流导升高度数据的连续采集;在工作面推进过程中底板岩体会先后经历采前压缩、采后膨胀、应力恢复3个基本阶段,断层带的"屏障"作用会造成其邻近区域内底板应力集中,破坏区范围加大;随着防水煤柱尺寸的减小,断层带及两盘灰岩含水层受采动应力的扰动越加明显,当煤柱尺寸缩减到小于30 cm后,断层带下盘区域离层量陡增,并且对盘三灰～四灰含水层中原先被浆液封堵的裂隙再次张开;断层带内承压水的导升高度与煤柱尺寸宽度密切相关,注浆工艺有效保证了煤柱尺寸在从36 cm减到30 cm的过程中,水流高度一直保持在9.6 cm,但是工作面在30 cm宽煤柱的基础上再向前推进时断层带内承压水的高度又会急速递增。     

高承压水上采煤固流耦合数值模拟

随着矿井开采深度的增加,一些深部有高承压水的煤矿正面临高承压水上采煤的现状。根据"下三带"理论,在工作面推进过程中,煤矿底板要受到采动压力及高承压水的破坏,但是底板破坏带及承压水导高带很难用解析的方法进行计算。基于此,通过研究地下水渗流场和应力场耦合作用机理,建立了渗流场和应力场的耦合方程,并采用数值计算软件ANSYS对葛亭煤矿11601工作面进行了模拟研究,获得了采动破坏带和承压水导升带的破坏范围。最后,用双端堵水器测定底板破坏深度验证了模拟的结果。     

高承压水上暗斜井开拓断层带底板水害预测与防治技术

基于大埋深高承压岩溶水上巷道开拓近断层破碎带,底板岩层变形破坏加剧,导致有效隔水层厚度锐减,从而发生突水事故的规律特征。通过分析某煤矿下组煤首采区暗斜井开拓范围内岩体结构、力学性质等地质及水文地质条件,采用力学计算、数值模拟方法,对暗斜井开拓井巷底板岩层导水破坏深度及奥灰含水层导升带高度,进行了理论计算和数值模拟分析。结果表明,随着开挖深度的增加,底板破坏深度增加幅度不同,越接近断层底板岩层导水破坏深度越大。预测行人暗斜井施工至400 m时,存在底板突水隐患。根据井巷底板岩层破坏规律及水害预测结果提出了相应的水害防治措施,保证了暗斜井开拓工程的顺利施工。     

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。     

完整底板突水机理研究

为研究完整型底板突水机理,文章理论分析了突水事故发生的三大要素,即水源、水压、突水通道,分析了采动突水通道形成的发展规律及突水灾害实现的条件。对演马庄矿12121采煤工作面突水事故时空特点进行了分析,分析认为:12121采煤工作面突水事故在时间上,恰逢直接顶初次来压(工作面推进31 m)前夕;空间上,突水点位于煤壁附近,靠近回风巷位置。其原因是,直接顶来压前夕,支承压力峰值较大,对底板岩体的破坏作用较大,而靠近回风巷位置为应力叠加区域,支承压力峰值最高。在强大的矿山压力和水压作用下,底板破坏带和承压水导升带沟通,高水压通过底板裂隙涌入工作面,产生突水。     

煤层底板突水影响因素及危险性评价

根据阳坡泉煤矿地质和水文地质资料,运用经验公式计算、理论计算、数值模拟等方法,研究了试验工作面煤层开采底板扰动带的深度,通过力学理论分析了煤层底板承压水的导升条件,计算了承压水的导升高度,运用突水系数法和脆弱性指数法评价了突水危险性,并提出了防治煤层底板承压水突水的措施。     

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。     

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...     

地质构造与煤层底板突水

煤层底板突水是一种复杂的地质及采动影响现象，是煤层下伏承压水冲破底板隔水层的阻隔，以突发、缓发或滞发的形式进入工作面，造成矿井涌水量增加或淹井的自然灾害。多年实践证明，影响煤层底板突水的主要因素为地质构造、矿山压力、水压力、底板隔水层的特征、承压水的富水性及开采空间等。论文主要对地质构造中的断层与底板突水进行论述，在分析其突水原因及导水性后，提出在工作面布置时应注意的问题。