深部煤层顶板砂岩的人工制岩模拟研究

为了研究人工砂岩与深部煤层顶板砂岩的力学性质及微细观结构的异同,对不同材料配比的人工砂岩与平煤十二矿深部顶板砂岩进行声波波速测量、单轴压缩、覆压渗透、CT扫描、高压压汞等试验,得到其力学与孔隙结构性质。试验结果表明:人工砂岩弹性模量与石英砂占比及粒径大小正相关,人工砂岩的骨料及孔隙结构分布均匀,孔隙度和渗透率均与所含黏土质量分数负相关;顶板砂岩的弹性模量介于大粒与粗粒人工砂岩之间,岩体密度分布离散性较明显,渗透率及孔隙半径分布比人工砂岩小1~2个数量级;人工砂岩能够在力学性质上较好地模拟深部顶板砂岩,而在孔隙结构上与深部顶板砂岩具有较大差异。     

循环荷载下深部煤层工作面顶板砂岩的渗透率演化规律

随着技术的进步以及浅部矿产资源的枯竭,深部矿产资源开发与利用将成为常态。深部岩石的物理力学性质复杂,往往处于循环加卸载的应力条件。深部地下水的压力较大,是深部煤矿的重大安全隐患之一。顶板砂岩是工程最为常见的岩石种类之一,研究其力学性质及渗透规律对深部空间开发利用及矿产资源开采等都具有重要意义。以埋深约1 050 m的平煤12矿顶板砂岩为研究对象,采用循环加卸载声发射渗透实验对其渗透率演化规律进行研究。从应力-应变及损伤特征、耗散能密度占比、累计声发射事件数的增长速度、不同围压条件下的破裂面特征4个方面进行分析,总结了循环荷载下深部工作面顶板砂岩不同应力阶段的渗透率演化特征。实验结果表明:循环应力对深部顶板砂岩的作用可以分为压密作用与压裂作用2种机制,应力水平较低时主要起压密作用,应力水平增大到屈服强度的60%以上时则表现为压裂作用。岩样的渗透率在应力的压密作用下降低,在应力的压裂作用下升高。逐级增大的循环应力作用下,岩样的损伤以及耗散能密度占比均表现为先因压密作用减小,再由压裂作用而增大的演化规律,并且两者与渗透率演化呈正相关关系。整个实验过程中围压对岩样起压密作用,且随着围压的增大,渗透率减小的程度更大。顶板砂岩的破坏形式对破坏时的渗透率具有显著影响。岩样的破裂面角度随着围压增大而减小,岩样破坏时产生的贯通裂隙有轴向与横向2种形式,产生轴向贯通裂隙时的渗透率远大于岩样的初始渗透率,而产生横向贯通裂隙时的渗透率变化较小。综合5个岩样的渗透率演化情况,得到岩石渗透率在逐级增大的循环荷载下具有4个明显的阶段特征。渗透率在较低应力的循环中因压密作用减小;随着循环应力的增大,在压裂及损伤作用下增大;在应力达到岩样抗压强度发生破坏时因破裂面的产生骤增;破坏后因大幅下降的应力的压密作用再次降低。     

煤层顶板砂岩裂隙水涌水量预测方法研究

华北石炭-二叠系煤田顶板石炭-二叠系砂岩含水层通常以静储量为主,是众多华北矿井的直接充水含水层。多年来,勘查和生产单位一直在探索实用、可靠的顶板涌水量预测方法。以沁水煤田南部某新建矿井为例,探讨了华北石炭-二叠系煤层顶板砂岩裂隙水涌水量预测方法。应用承压-无压稳定流大井法计算的工作面正常涌水量为23.9 m3/h,用富水系数法计算的涌水量为28.2 m3/h,利用定降深非稳定流大井法计算的工作面最大涌水量为85.76 m3/h。研究表明:稳定流大井法适于勘查阶段或资料较小时的涌水量估算,预测精度较低;富水系数法更适于含水层以静储量直接充水的工作面或矿井,预测结果更可靠;非稳定流大井法适于预测顶板涌水过程和最大涌水量。     

煤层顶板砂岩含水层水-岩作用研究

为揭示水文地球化学演化和分区进行水源判别,基于水化学类型的分析、地下水主要离子和TDS的关系以及离子之间的关系,通过图示法揭示砂岩含水层中主要水-岩作用。     

宁东侏罗系煤层顶板粗粒含水砂岩特性研究

相似模拟实验研究一直是保水开采的主要实验手段之一,其中相似材料与岩石之间力学参数的相似度尤为关键。宁东煤田属于我国典型的生态脆弱矿区,该区域主采煤层为侏罗系煤层,其顶底板广泛分布着成岩程度低且富含黏土矿物的一类特殊砂岩,该层砂岩在采动、吸水-失水动态循环作用下呈现软岩力学特征。选取其中的一类含水砂岩为研究对象,通过分析该含水砂岩岩石成分和结构特征确定其为粗粒泥质长石砂岩,并分析认为其形成于快速堆积的沉积环境;利用X衍射仪定量分析其矿物组分,发现该含水砂岩主要由黏土矿物、石英和长石组成,其中黏土矿物富含蒙脱石、伊蒙混层及绿泥石等吸水易膨胀组分;利用MTS伺服控制试验机研究了该类砂岩三轴抗压强度及渗透特性,发现其具有明显的塑性破坏特征;且饱水含水砂岩渗透率有突变点存在,突变点后渗透率大致恒定直至试件破坏时渗透率增至最大值;进一步研究了含水率对该含水砂岩单轴压缩变形特征的影响规律,发现含水砂岩单轴抗压强度、弹性模量与含水率负线性相关。     

深部煤层及顶板岩层冲击倾向性试验研究

煤、岩层的冲击倾向性是评价冲击危险性的主要特征参数。对赵楼井田3煤的冲击倾向性直接根据其KE,WET和Dt的测试结果进行判别;顶板的冲击倾向性则主要根据顶板分层的UWQ及复合顶板的UWQ进行判定。试验结果表明:井田3煤具有强冲击倾向性,顶板岩层具有弱冲击倾向性。     

深部复合顶板煤层巷道围岩稳定性与支护技术研究

以镇城底矿28108工作面复合顶板的巷道支护为工程背景,通过对复合顶板的力学特性理论进行分析,采用FLAC~(3D)数值模拟软件对无支护状态下,巷道的水平和垂直位移以及锚杆锚索支护状态下,巷道的水平位移和垂直位移进行了数值模拟。实践结果表明,加强支护状态下巷道围岩变形得到有效控制,保证了矿井的安全生产。     

煤层顶板砂岩水矿井瞬变电磁探测效果研究

煤层顶板砂岩水对煤矿安全生产造成很大威胁,而且影响掘进和采煤的工程进度,正确辨别砂岩水非常有必要。井下瞬变电磁探测方向灵活,砂岩水电阻率比较低,瞬变电磁在探测砂岩水方面有理论的优势。该文通过某矿应用实例,说明矿井瞬变电磁在探测煤层顶板砂岩水方面的效果。     

深部煤层底板砂岩水岩作用的微观差异性研究

为了探讨深部煤层底板砂岩与不同水样相互作用规律,以永煤城郊煤矿二水平底板深部太原组砂岩为研究对象,分别在蒸馏水、自来水和矿井水浸泡条件下进行了为期70 d的矿化度(TDS)连续测试的室内试验。研究结果为深部煤层底板砂岩岩层水岩作用和矿井防治水等问题提供了部分基础性参考依据。     

深部煤层含水率物理模拟与数值模型研究

针对深部煤层含水性相关研究不足的现状,选择北皂矿的褐煤、蔡园矿的气煤、西曲矿的焦煤和古汉山矿的无烟煤作为研究煤样,模拟深部煤层的温度条件,开展了不同温度下煤的平衡水分实验,对实验数据进行了假设检验和参数估计,分析了平衡水分含量与煤级和温度之间的关系,建立了平衡水分含量与煤级和温度的数值模型。研究结果显示：相同温度条件下,平衡水含量随煤级先降低,后升高;同煤级条件下,埋藏深度增加,煤层温度升高,煤层含水率减小,因此,深部煤层中含水率要低于浅部煤层;但到达一定埋藏深度后,煤层含水率减小的趋势不明显。平衡水分含量与煤级和温度分别满足一元二次方程和指数负增长的数学统计关系,平衡水分含量与温度和煤级的数值模型的绝对误差为0.03%～0.70%,平均为0.24%;相对误差为1%～18%,平均为6.5%;表明平衡水分含量与温度和煤级的数值模型的精度较高。     

精确疏放唐家会矿煤层顶板砂岩水技术

顶板砂岩水是唐家会煤矿6号煤层开采过程中的主要灾害之一。利用长距离水平定向钻技术代替常规钻进技术精确有效地疏放62103工作面6号煤层顶板砂岩水,共施工3个定向长钻孔,总进尺2535 m,单孔最大深度966 m,单孔最大涌水量130 m³/h,累计疏放水量13万m³,高效地消除了煤层顶板水害隐患,缩短了开采准备时间,为巷道掘进与工作面回采提供了安全保障。     

大南湖矿区煤层顶板砂岩水疏放效果研究及应用

新疆哈密大南湖矿区侏罗系煤层顶板砂岩含水层的孔隙、裂隙发育,孔隙度高,但全部疏干难度大。通过有限钻孔疏放,非均质含水层内存在水力梯度,且水力梯度越小流量越小、残余水头越难完全疏干。这种现象在现场实践过程中也得到有效验证。确定合理含水层安全水头值尤为重要。根据安全水头值对疏放水钻孔涌水量、孔口压力值进行分析论证,最终确定疏放水效果是否达到安全回采标准。     

煤层顶板砂岩含水层富水性单因素分析

该文运用岩性结构指数定量描述了煤层顶板的岩性及结构特征。采用单因素分析法,将岩性结构指数标准化,以0.2和0.7作为分区界限对1煤顶板砂岩含水层的富水性进行了分区。     

微波加热对煤层顶板砂岩微结构的影响

为从微观层面研究微波对煤层顶板砂岩的热作用,实验前对砂岩样品进行预处理,利用核磁共振技术(NMR)和扫描电镜(SEM)对微波辐射前后砂岩的微观结构进行了调查。研究结果表明:微波辐射对砂岩孔隙结构的改性作用包括扩大孔隙的分布范围、增加大孔隙的数量以及增强孔隙间的连通性;随着微波在样品中的传播,孔隙的改性行为明显减弱;砂岩中石英、长石颗粒受热膨胀及其附着黏土脱水的耦合作用产生的晶间断裂和晶内断裂是导致较大孔隙(T₂>10 ms)数量增加和孔隙体积增大的主要原因;工程中利用微波加热进行煤层脱气时,首先要对煤层取样分析,根据煤中碳酸盐类、硫化物类矿物和水分的含量来研判微波的脱气效果;此外,为避免微波注热煤层时对顶板岩石的损伤,作业时需根据煤层气的抽采范围选择合适波长的微波输出。     

深部开采煤层顶板聚压规律的离心试验研究

在国内外相关研究的基础上,克服常规相似材料无法真实模拟原岩压力条件和介质力学环境的不足,采用离心模型试验,在以深部开采矿井赵楼煤矿首采区为地质背景所建立的工程地质模型基础上,对开采煤层完整顶板的直接顶与基本顶不同位置和两侧煤柱的矿山压力聚集规律进行了试验研究。试验结果表明：后方煤柱压力变化与直接顶的来压过程基本同步,前方煤柱压力变化程度小于后方煤柱,基本顶在来压时间、聚压强度及受力状态方面与直接顶存在明显的差异。离心模型试验能够通过施加离心荷载来模拟体现采动过程上覆岩层压力的动态变化,由此测试的煤柱受力和顶板岩层内的压力变化也更接近于实际情况。     

煤层顶板采动裂隙与瓦斯分布关系研究

结合14205工作面的实际条件,数值模拟其采动煤层顶板裂隙的形成和分布特征,对上覆岩层内横三区、竖三带的分布做出了定量描述,找出了瓦斯赋存、流动的主要裂隙发育区和"∩"形拱采动裂隙区.通过对瓦斯运移规律和瓦斯浓度分析,确定了此裂隙区域为瓦斯汇集区域.为瓦斯防治工程提供了理论依据.     

考虑弹性模量退化的砂岩非定常蠕变模型

针对传统西原模型不能描述岩石加速蠕变特性的问题,根据辽宁阜新海棠山隧道出现的围岩流变现象,通过现场取样,采用MTS-812.02岩石试验加载系统对砂岩进行不同围压和不同应力水平下的三轴蠕变试验,分析其蠕变特性。在传统西原模型的基础上,考虑了岩石进入加速蠕变阶段的判别条件,串联一个加速蠕变触发的元件,通过损伤定义流变参数的非定常性,建立了一个以屈服强度和长期强度为判别条件新型非定常蠕变模型,并将一维推广至三维;结合砂岩蠕变试验结果,对砂岩流变试验全过程曲线进行模型参数拟合,结果表明：建立的新型砂岩非定常蠕变模型与试验结果具有较高的拟合度,该模型克服了传统西原模型难以描述加速蠕变阶段的缺陷,不仅能够反映出砂岩瞬时应变、稳定蠕变和亚稳定蠕变阶段的流变特性,还能很好地描述了砂岩加速蠕变阶段的流变特性。最后,通过对砂岩流变参数的反演,得到了砂岩的损伤演化方程,结合现场围岩应变监测数据对模型参数进行拟合,很好地反映了流变参数损伤劣化规律。研究成果为研究岩体流变的非线性问题和确保工程安全提供了新思路。     

煤层与顶板冲击倾向性研究

在普通试验机上，采用ＡＢ－０４声发射检测系统测定了南屯煤矿３上煤层的冲击倾向性，研究了煤层与顶板复合试件的冲击倾向指标，证明了顶板对煤层冲击有一定的影响，而且顶板厚度不同，对煤层冲击的影响程度不同。     

煤层与顶板冲击倾向性研究

在普通试验机上 ,采用 AB-0 4声发射检测系统测定了南屯煤矿 3上 煤层的冲击倾向性 ,研究了煤层与顶板复合试件的冲击倾向指标 ,证明顶板对煤层冲击有一定影响 ,而且顶板厚度不同 ,对煤层冲击的影响程度不同。