复杂应力环境煤柱坝体损伤破坏规律研究

煤矿地下水库是实现水资源保护与利用的有效技术途径,其中煤柱坝体稳定性对保障地下水库系统安全具有重要影响。针对地下水库煤柱坝体处于动静载叠加的复杂应力环境,结合补连塔煤矿地下水库工程背景,采用FLAC3D程序构建复杂应力场下煤柱坝体动态损伤数值计算模型,研究多工作面开采侧向支承压力分布及动载荷作用下煤柱坝体动力响应规律,并采用声波探测巷道围岩松动圈范围。研究结果表明:受邻近工作面采动影响,煤柱处于较高的侧向支承压力影响区,塑性区发育范围较大;受矿震等动载荷影响,煤柱围岩塑性区发育面积及发育深度显著增加,竖向应力极值点向纵深方向发展;巷道围岩松动圈发育深度煤柱侧大于工作面侧,在重复采动残余支承压力和动载叠加作用下煤柱损伤破坏程度更严重。研究结果为地下水库建设与长期安全运行提供了科学依据。     

煤矿地下水库平板型人工坝体抗震性能分析

煤矿地下水库有效地解决了西部矿区矿井水保护与利用问题,地下水库安全稳定是其执行“导储用”核心技术的关键,而人工坝体是连接水库坝体的纽带。为此,针对煤矿地下水库人工坝体安全稳定问题,选取典型的平板型人工坝体为研究对象,基于大柳塔2^-2煤层煤矿地下水库基本情况,利用相似模拟实验、数值分析等研究方法,分析了不同地震(1～15 m/s²)作用下煤矿地下水库平板型人工坝体稳定性特征。相似模拟结果表明：煤矿地下水库平板型人工坝体可以抵抗10烈度以上(12 m/s²)地震作用,在由小到大地震循环加载作用下产生的最大位移为0.19 mm;人工坝体产生应力集中的位置主要在坝体底部,应力变化规律为底部>腹部>顶部,同一地震波作用下坝体反面应力峰值约大于正面10%,整个震动过程中人工坝体未出现裂隙发育情况,说明人工坝体始终保持弹性工作状态;顶部压力逐渐增加和循环地震作用过程中,人工坝体内应力急剧增加,坝体水平方向位移与非加压阶段相当,未表现出明显增加现象,但煤柱坝体在此过程中逐渐产生裂隙,最终裂隙贯通造成煤柱坝体垮落破坏。基于力学...     

灵新煤矿地下水库煤柱坝体合理尺寸研究

近年来,煤矿地下水库技术已成为西部地区保护和利用矿区水资源的重要手段,地下水库矿井水已成为西部地表生态灌溉的重要水源之一。以西部矿区灵新煤矿近距离倾斜煤层群采掘地质条件为工程背景,针对该矿首座煤矿地下水库建设过程中遇到的煤柱坝体留设问题,采用数值模拟的方法,分析了六采区工作面开采和水库储水压力两大因素对煤矿地下水库煤柱坝体的影响。研究表明:相关工作面回采后,会在煤柱坝体及邻近围岩中产生塑性区,随着煤柱坝体宽度的增加,煤柱坝体及附近围岩中塑性区相互贯通的趋势逐渐减弱。当煤柱坝体宽度增至50 m时,塑性区相互贯通的现象消失;当煤柱坝体宽度增加到60 m时,煤柱坝体及邻近围岩中的塑性区间距(塑性区未贯通区域)扩大至40 m左右。在储水压力作用下,煤柱坝体及邻近围岩中的塑性区裂隙将发生二次扩展,随着水压的增大,裂隙扩展长度逐步增大,在3 MPa水压(储水高度300 m)作用下塑性区裂隙扩展长度达到5 m左右。因此,为防止水力作用下煤矿地下水库透水灾害的发生,认为煤柱坝体合理尺寸应取60 m。     

煤矿地下水库煤柱坝体宽度设计

地下水库储水技术已成为西部矿区实现煤炭高效开采与水资源保护并重的重要途径之一,而煤柱坝体的稳定性是地下水库设计中极其重要的部分,对地下水库稳定性起决定性作用。煤柱坝体既要保证煤炭安全开采,也要保障地下水库安全运行。地下水库煤柱坝体的稳定不仅与埋深、采动应力、地质构造等工程地质条件有关,也与水作用下的弱化作用密切相关。为研究煤矿地下水库煤柱坝体在水作用下强度弱化规律,选取西部矿区麻地梁矿5煤为研究对象,开展煤样无损浸水试验和不同含水率及反复浸水条件下单轴压缩试验。研究得到:不同含水率的煤样在0～20 h内,含水率快速增长; 20 h之后,含水率增长变缓,在20～70 h,含水率慢速增长;在70～140 h,煤样含水率增长接近稳定;煤样含水率随着浸水时间的增加而增加,但增幅逐渐减少,最终趋于稳定;随着含水率(浸水次数)的增多,煤样单轴抗压强度逐渐降低,峰值应变逐渐增大,弹性模量逐渐降低。相较于干燥煤样,初次饱水煤样、浸水3次煤样单轴抗压强度分别降低了27.1%,50.0%,弹性模量分别降低34.6%,58.5%。结合实验室试验结果,运用弹塑性力学理论探讨了煤柱坝体在不同含水率下破坏区、塑性区宽度,开展了考虑覆岩压力、水压力以及水的弱化作用下煤柱坝体宽度设计研究,并结合麻地梁矿的工程地质条件,对其地下水库坝体的宽度进行了设计。同时,进一步分析了煤柱坝体宽度的影响因素,得到含水率、埋深、煤层采厚均对煤柱坝体宽度有很大影响。     

煤矿地下水库人工坝体嵌入煤柱/体的构筑参数优化研究

为了得到煤矿地下水库人工坝体嵌入煤柱/体的掏槽构筑作业的合理参数,利用FLAC^3D数值模拟软件,以神东浅埋大采高典型开采条件为背景,通过设置不同掏槽深度和掏槽位置,对拟构筑人工坝体的巷道两帮煤体受掏槽作业及后续采空区地下水库储水外推力影响下的塑性区发育及煤体位移等开展了研究。结果表明,巷道帮部掏槽深度越大,越有利于减少采空区地下水库储水的渗漏通道,但会在煤体内部原始弹性区新增发育一定范围塑性区;而掏槽位置越靠近外侧巷道口,掏槽处直至巷道口范围的煤体越易在储水外推力作用下发生整体剪切滑移,造成溃坝危险。据此基于不同掏槽参数对帮部煤体稳定性的影响规律,确定了神东矿区典型开采条件下的合理掏槽参数。     

缓倾斜煤层地下水库煤柱坝体宽度计算及影响因素分析

为分析缓倾斜煤层条件下煤矿地下水库煤柱坝体的影响因素,建立煤矿地下水库煤柱坝体力学模型,划分地下水库煤柱坝体在复杂应力环境下的强度分区,构建煤体的理想弹塑性应变软化模型,区分煤体的破坏过程阶段,推导煤柱坝体合理宽度的理论计算公式,并以灵新煤矿一采区煤矿地下水库煤柱坝体合理尺寸问题为例,分析不同因素对煤柱坝体理论宽度的影响规律。结果表明：与煤矿地下水库运行期间的储水因素(储水时间、储水高度及水源情况)相比,煤矿地下水库所处煤层的地质条件(厚度及埋深)对煤柱坝体合理宽度的影响要更大。     

煤矿地下水库技术原创试验平台体系研制及应用

煤炭是我国主体能源,西部是我国煤炭主产区,矿井水保护利用是煤炭开发面临的重大技术难题。国家能源集团煤炭绿色开采技术研发团队经过20多年持续技术攻关,首创了煤矿地下水库技术,在西部神东矿区推广应用,为矿区开发提供了95%以上用水,确保了矿区可持续开发。为进一步丰富完善煤矿地下水库理论和技术体系,在西部煤炭主产区不同地质和工况条件下推广应用该技术,保障国家能源安全和水资源安全,研发团队构建了煤矿地下水库原创技术试验平台体系,包括煤炭开采地下水运移与保护综合智能试验平台、多煤层开采煤矿地下水库模拟试验平台、煤矿地下水库坝体结构试验平台、西部深部井工矿井筒施工模拟试验台、地下水库水岩耦合机理试验、水处理工艺集成试验平台、煤矿地下水库冲击试验平台等,能够开展西部矿区不同煤层赋存条件下地下水运移规律、坝体结构参数优化、水库安全稳定性、水岩耦合作用机理、矿井水处理工艺参数优化、垮落岩体垮落冲击对坝体影响等研究,为煤矿地下水库建设、运行和安全提供理论支撑和技术验证。利用上述试验平台,开展了多煤层开采煤矿地下水库稳定性及渗流规律模拟、煤矿地下水库坝体结构安全、煤矿地下水库水岩耦合机理等多项试验研究,相关...     

煤矿地下水库人工坝体安全多层次模糊综合评价研究

基于煤矿地下水库人工坝体安全评价包含多种因素、准则和层次复杂的情况,为了准确评价坝体安全稳定性,提出了人工坝体安全多层次模糊综合评价模型。在该模型中,通过文献研究、访谈专家的方式分析了影响煤矿地下水库人工坝体安全的关键因素,建立坝体安全综合评价指标体系,采用层次分析法计算各层级因素的权重,建立比较判断矩阵并满足一致性检验|根据坝体安全评语集,以模糊理论为基础结合专家调查表,确定评价因素隶属度、评价矩阵并综合评价。应用该模型对神东矿区大柳塔矿地下水库人工坝体安全现状进行评价,结果表明坝体处于安全状态。     

地下水库人工坝体强度损伤演化特征试验研究

在我国西部生态脆弱矿区,地下水库储水技术已成为煤水资源共采技术的重要组成部分,其中人工坝体的稳定性是评价地下水库能否构建并长期安全使用的关键因素之一。为研究地下水库人工坝体在吸水-失水、采动及矿震等循环作用下强度变化规律,以大柳塔矿地下水库人工坝体所使用的C30混凝土试样为例,开展了超声-回弹综合测强、循环加载和单轴压缩声发射试验研究。研究结果表明:超声-回弹综合测强公式可以对水作用下混凝土试样强度进行预测;循环加载影响下试样强度最大下降比例约17%,而水作用下的循环加载试样强度最小下降比例达26%;并结合声发射振铃计数研究了混凝土试样受载下的损伤演化特征。由此可知,循环加载(采动及矿震)和水(吸水-失水)共同作用下,对地下水库人工坝体稳定性影响较大。     

煤矿地下水库煤柱坝体极限水头值研究

安全煤柱坝体所能承载的极限水头值大小对煤矿地下水库系统安全运行有很大影响。以李家壕煤矿为例,综合运用数值模拟,理论分析研究了水库稳定性与煤柱坝体所能承载的临界水压的关系。二者对于煤柱稳定性的影响相反,最后利用煤柱所能承载的极限水头值与塑性区宽度之间的函数关系对安全煤柱的极限水头值进行了预测。     

煤矿地下水库研究进展与展望

针对西部生态脆弱区煤层埋藏浅、煤层保水开采地质条件较差特点,突破以往以堵截地下水渗漏为主要技术手段的被动保水开采理念,提出了以“导储用”为核心的煤矿地下水库地下水保护理念,通过近年来的研究,煤矿地下水库在基础理论和工程实践等领域取得了大量成果。系统地总结了煤矿地下水库六大关键技术(水源预测、库容设计、水库选址、坝体结构、安全运行和水质保障)的研究进展,前3项技术是煤矿地下水库建设的前提,其研究主要涉及煤矿工程地质与水文地质条件、煤炭开采地下水运移规律、采空区垮落岩体空隙与碎胀性等;坝体结构研究主要涉及各种复杂力作用下煤柱坝体、人工坝体的稳定性及二者的连接问题;安全保障和水质保障主要研究分别为煤矿地下水库安全监控系统建立和采空区垮落岩体对矿井水的净化机理。阐述了煤矿地下水库水资源井下和地面的利用情况,实现了矿区由耗水大户向供水水源地转变。在总结相关研究成果的基础上,以煤-水-生态相协调为宗旨,展望了煤矿地下水库研究的方向。     

“能源金三角”地区煤炭开采水资源保护与利用工程技术

针对制约我国煤炭开发战略西移面临的水资源短缺问题,避免矿井水外排地表蒸发损失和造成土壤盐碱化,开辟节省土地资源和节约建设运行费用的矿井水储用的新途径,保护和利用西部矿区宝贵的矿井水资源,提出了矿井水井下储存利用的新理念,即利用煤炭开采形成的采空区作为储水空间,用人工坝体将不连续的煤柱坝体连接构成复合坝体,建设煤矿地下水库。开发了水库水量预测、水库选址、库容计算、坝体建设、安全运行和水质保障等关键技术,建立了煤矿地下水库技术体系,在神东矿区建设了示范工程。目前已建成32座煤矿地下水库,储水量达3100万m3,供应了矿区用水量的95%以上,为矿区发展提供水资源保障,为我国煤炭开采水资源保护利用提供了新的技术途径。     

煤矿地下水库建设适应性条件及其设计体系

为了使煤炭开采中水资源得到保护与利用,神东矿区历经20年的技术探索和工程实践,顾大钊院士提出了以"导储用"为核心的煤矿地下水库理论框架和技术体系;基于此论述了建设煤矿地下水库的适应性条件,构建了以水库选址、库容设计、子水库时序、煤柱坝体设计、人工坝体及连接处设计、管网及巷道布置、调水系统、安全监控系统为核心的设计体系。     

鹤岗矿区矿震发生类型、原因及诱冲机制

矿震主要发生在井下,具有突发性、连锁反应的特点,给井下安全生产带来很大危害,也对地面设施构成破坏和威胁。冲击地压是矿震的一种形式,每一次冲击地压的发生都与岩体震动有关。矿震诱发的冲击地压灾害是鹤岗矿区主要灾害之一,统计分析鹤岗矿区权属矿井发生的数十起冲击地压及伴随的矿震,可分为煤体应力型矿震、煤柱失稳型矿震、构造诱发型矿震和厚硬顶板断裂型矿震,不同类型矿震产生的原因及其诱发冲击地压机制各不相同。矿震形成的动载是冲击地压发生的重要力源,动载扰动对煤岩体的致裂、闭锁作用以及与煤岩体自身的静载共同作用诱发煤岩系统发生冲击破坏。     

水浸煤体周期应力承载特征研究

针对地下水库煤柱坝体长期在水浸-周期应力作用下渐进损伤问题，以陕西某矿地下水库工程为背景，通过现场调研、理论分析、实验室实验等方法分析了工作面末采阶段煤柱坝体所受应力环境，探究了周期应力以及水浸对煤体的破坏规律。结果表明：煤柱坝体形成前受采动影响存在诸多次生裂隙，形成以后受水浸以及相邻工作面的采动影响，应力呈多次循环加、卸载特征；煤体单轴压缩时抗压强度为18.40 MPa，破断载荷为36.11 kN，循环加卸载1、2、3次的破坏载荷分别为35.27、29.15、27.45 k N，表明周期应力有加剧煤体损伤的作用；随着水浸时间及加卸载循环次数的增加，煤体强度逐渐降低，无水浸加卸载1次条件下煤块强度为17.97 MPa，水浸21 d加卸载3次时强度为10.78 MPa。     

上覆遗留煤柱作用下冲击矿压预测预警案例研究

以三河尖煤矿92201工作面运输巷在上覆7煤上山保护煤柱下掘进诱发的冲击矿压为例,采用震动波CT技术对待掘区域应力场进行反演,预测冲击危险区域,并在掘进过程中实时监测分析矿震动载特征,对冲击危险进行预警。研究表明:震动波CT技术可有效反应煤岩体内未知因素对应力分布的影响,实现大范围应力探测,较常规解析和数值等分析方法更为有效,利用该技术可提前和分时段预测冲击危险区域分布;结合掘进过程中的矿震时空演化规律分析,可对冲击危险区域进行有效确认和实时预警,实现了动载与静载结合对冲击危险进行提前预测与实时监测预警。利用该套技术方法分析表明,上覆遗留煤柱长时间受矿压作用,其集中应力分布明显向煤柱煤壁深处转移,导致区域应力分布异常,冲击矿压防治难度加大。92201巷道冲击矿压显现证实了以上结论和该套技术方法的有效性。     

煤矿地下水库人工坝体稳定性分析

为了研究煤矿地下水库人工坝体稳定性，对人工坝体修建位置应力环境进行分析，认为煤矿地下水库蓄水后在坝体周围会形成围压环境。利用FLAC3D数值模拟软件建立人工坝体模型，对模型正面施加梯度水压模拟水库水压环境，模拟结果表明：对坝体施加不同围压条件后，人工坝体稳定性与无围压条件下差距明显，施加较低强度的均匀围压和非均匀围压均会提高人工坝体的稳定性，当施加较高水平均匀围压或明显的不均匀围压时会促进人工坝体的破坏。利用理论公式及数值模拟对人工坝体外表面最大位移进行分析，研究发现坝体外表面最大位移与水库储水高度表现出良好的线性关系，当围压水平较低时，坝体外表面变化趋势相差很小，但坝体稳定性差距较大。     

近距离煤层采场过上覆T形煤柱矿压显现规律

为对大柳塔煤矿21306工作面过上覆T形交叉煤柱矿压显现规律进行分析,运用理论分析和FLAC3D数值模拟,从煤柱内应力分布角度对T形煤柱的作用机理进行了分析。结果表明,上覆走向煤柱区下的工作面来压呈现对称性分布,且支架载荷普遍大于采空区下对应支架;上覆倾向煤柱区下的工作面推进过程中,分别在进入倾向煤柱、煤柱正下方以及出倾向煤柱呈现出3阶段不同的来压特征。上覆倾向煤柱对采场矿压影响明显大于走向煤柱,因走向煤柱与倾向煤柱的影响作用叠加,T形煤柱交叉区对工作面来压的影响程度则介于两者之间。煤柱上的集中应力分布是造成走向煤柱区以及进入倾向煤柱阶段采场矿压显现规律不同于其他区域的原因,而对于出倾向煤柱阶段工作面的动载矿压则是由于煤柱上方不稳定的关键块体结构的相对旋转运动造成的。     

神东矿区李家壕地下水库人工坝体稳定性研究

为了确定煤矿地下水库人工坝体易破坏位置及极限水头值,对人工坝体建立薄板力学模型,基于弹性力学薄板理论推导得出坝体应力分布函数,以李家壕地下水库为参考,利用FLAC3D数值模拟软件对理论公式进行验证和比较,并分别采用摩尔库伦模型和D P模型对比坝体塑性区分布情况。结果表明：坝体最先破坏位置为正面两侧中心,其次分别为正面底部中心、正面顶部中心、背面中心区域;FLAC3D中使用摩尔库伦模型与理论分析所得坝体破坏情况相符,更准确地反映了坝体破坏特点。对于坝体失稳破坏判断,摩尔库伦模型安全系数高于D P模型,以使用摩尔库伦模型的破坏情况为参考,确定李家壕人工坝体极限水头值为24 m。     

煤层采掘活动引起断层活化的力学机制 及其诱冲机理

通过调研总结煤层采掘活动与断层赋存状态之间的概念模型,提出了采动应力主导和矿震动载主导两种断层活化类型的力学机制及其动静载叠加诱冲机理,并结合数值模拟、相似材料模型实验以及微震监测给予了验证,同时针对性探讨了断层冲击矿压的监测与防治方法及策略。结果表明,断层冲击矿压的发生机理是由断层与顶板结构双重作用形成的断层煤柱高静载与采动应力主导型或矿震动载主导型断层活化动载叠加诱发;其中,断层活化主要与断层面黏结力、断层摩擦角、断层倾角、最小主应力、孔隙压力有关,且开采扰动引起的水平采空侧卸载和竖直方向加载,即侧压系数降低,是采动应力主导型断层活化的力学本质;动载扰动作用产生的断层超低摩擦效应是矿震动载主导型断层活化的力学本质。研究结果对断层冲击矿压的监测与防治具有重要指导意义。