固液耦合模式下采动诱发断层活化及突水的试验研究

以五沟煤矿F16断层地质条件为背景,采用相似材料模拟试验,在固液两相相似的基础上研究临近断层时采动对煤层顶、底板以及工作面前方煤柱的塑性破坏规律以及断层的活化突水规律,研究结果表明:由于断层带具有"屏障"作用,在煤柱的顶板和底板形成更高的集中应力;底板岩层渗透率较大的岩层,底板突水的危险性更大;在相同的煤柱宽度时,含水层水压越大,突水危险性更大。     

固液耦合模式下采动诱发断层活化及突水的试验研究

以五沟煤矿F16断层地质条件为背景,采用相似材料模拟试验,在固液两相相似的基础上研究临近断层时采动对煤层顶、底板以及工作面前方煤柱的塑性破坏规律以及断层的活化突水规律,研究结果表明:由于断层带具有"屏障"作用,在煤柱的顶板和底板形成更高的集中应力;底板岩层渗透率较大的岩层,底板突水的危险性更大;在相同的煤柱宽度时,含水层水压越大,突水危险性更大。     

承压水上含断层煤层开采底板突水规律研究北大核心

在深部煤层开采的过程中,承压水水压以及复杂的构造环境是威胁矿井安全生产的重要因素。为研究承压水上受断层影响下底板的突水规律,基于基本力学原理,建立了承压水上受煤层采动影响的围岩受力力学模型,求解断层突水的临界水压力值;同时,基于控制变量法和流-固耦合理论,运用FLAC3D数值模拟软件,从应力场、位移场、渗流场以及破坏区共同耦合作用的角度出发,分析在断层形态以及承压水压力不同的条件下煤层底板突水规律。结果表明:当工作面回采至断层区域附近时,断层倾角对围岩所受垂直应力的影响较大,倾角由30°变换至60°时,所受垂直应力的平均变化率约为-29%;断层宽度主要影响靠近工作面底部断层处的破坏程度,断层宽度越宽,破坏程度越小;含水层水压对断层中所受的孔隙水压力起主导作用;断层的倾角越大、宽度越小,含水层中承压水水压越高,底板发生突水的危险性越强。     

破碎岩体应力-渗流耦合模型及数值模拟研究

为了解决地下矿山岩体防渗及顶底板突水问题,设计破碎岩体应力-渗流耦合试验,分析岩体破坏特征及渗透率变化特征,并揭示应力-渗流耦合试验中岩体的致灾演变规律;结合D-P准则演化推导岩体应力-渗流耦合力学模型,从力学角度解释岩体破坏过程;推导应力-渗流耦合模型在FLAC3D中的有限差分程序,实现耦合模型的二次开发应用.研究表明:岩体的渗透率变化规律可划分为4个阶段(孔隙压密阶段、弹性变形阶段、塑性强化变形阶段及破坏后阶段),其中在塑性强化阶段渗透率产生明显提升并持续增长;增大孔隙水压,岩体泊松比上升,弹性模量下降,破坏角减小,岩体弱化效果明显,破坏形式由主剪切破坏逐渐向次生裂隙的张拉剪切破坏过渡;增大孔隙水压,模型参数F0和m分别以指数形式减小和增大,岩体峰值强度降低,高压水的存在使得岩体劣化程度增加,增大了裂隙发育程度,从而导致突水致灾危险性增加.     

断层影响下底板应力分布和破坏分析

采用FLAC5.02D数值模拟软件模拟了煤层开采过程中断层对底板应力峰值与塑性区变化的影响。对不同断层倾角,断层刚度和底板水压下底板应力峰值和塑性区变化进行了分析,同时根据现场实测,对有无断层条件下破坏深度进行对比。断层倾角越小,底板应力峰值越高,底板破坏区范围越大;断层倾角越大,底板破坏区范围越小,最终发展为“X”型。断层刚度的增加,没有对底板塑性区产生明显的影响,只是从断层带一侧改善了底板突水通道。随着底板水压的增大,塑性区范围没有明显变化,底板应力峰值的波动程度也不大。无断层存在,底板破坏深度为0~17 m;断层带的存在使底板破坏深度增大了135%。     

岩体破坏突水失稳的水压致裂机理及工程应用分析

首先从渗流-损伤耦合角度深入研究水压致裂破坏机理,探讨水压致裂过程的渗流-损伤耦合效应,提出了研究水压致裂的难点是破坏模式及失稳压力的确定.针对矿山采动岩体破坏突水问题,系统解释了渗透系数、有效应力系数在突水机理研究中的工程意义.其次,通过对煤层开采过程中底板突水实例模拟,分析了渗流-损伤耦合作用,从稳态和瞬态两个方面探讨了不同有效应力系数条件下煤矿底板突水过程的渗流-损伤耦合效应.研究结果表明:岩层破坏突水不仅和岩层的应力状态和力学强度密切相关,而且还受控于岩层的渗流力学指标;煤层底板有效应力系数越大,突水失稳临界水压越小;渗透系数越大,突水失稳临界水压越小,这对深刻理解岩体破坏突水的渗流力学本质和突水系数的内涵,具有重要的理论和实用价值.     

含隐伏断层的煤层底板破坏深度的数值模拟

针对含隐伏断层煤层底板采动破坏过程及导水通道的形成过程,根据岩-水关系法理论并利用COMSOL Multiphysics软件进行数值模拟,分析了不同水压力下底板破坏深度,研究了在高承压水影响下,随着工作面的推进,底板破坏区域沟通断层导致突水的过程,研究得出随着含水层水压的逐渐增大,底板下方岩层裂隙中水压也呈现逐渐增加的趋势,而岩层中水压的增大会导致工作面与采空区涌水量增加以及底板破坏深度的增加,同时会影响到突水原因的变化,使得突水更具有隐蔽性,更不容易被探测和规避。     

含水层上工作面回采诱发顶底板破坏及应力演化规律试验研究

以五沟煤矿F4、F5断层地质条件为背景,采用相似模拟试验方法,对含水层上正断层上盘工作面回采过程中煤层顶底板岩层破坏及应力变化规律进行研究。结果表明,随着工作面推进,煤层底板的应力峰值随着断层距离的减小而增大;采动影响及含水层水压作用导致煤层底板岩层产生裂隙,衍生出突水通道,突水危险性增加;对F4断层进行注浆加固,阻隔对盘含水层,相对增加工作面与含水层的距离;试验结果表明,下盘含水层对上盘工作面回采的影响减小,可以有效缩小防水煤柱宽度。     

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。     

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。     

上河煤矿突水灾害分析及治理方案

针对上河煤矿发生的突水事件,对突水机理及影响突水的相关地质因素、地质构造、水文地质、充水水源和导水通道进行了综合分析,指出突水原因是地质条件与工程因素共同作用的结果。介绍了上河煤矿治理突水的方法,为矿井治理方案的制定及下一步水害防治措施的选择提供了科学依据。     

构造破碎带滞后突水渗流转换理论与试验研究

为了揭示煤矿构造破碎带易发生滞后大型突水内在机理,寻求其治理理论和试验依据,在收集我国煤矿典型断层和陷落柱滞后型突水实例并分析其特征的基础上,设计进行了高水压下构造破碎带突水模拟试验,得到了不同充填物类型构造破碎带,在1～5 MPa的水压下,充填物冲出量、突水量随时间的变化曲线;发现水压小时构造破碎带突水量随时间变化不大、高水压下由小到大变化过程特征。据此进行理论分析认为,高水压条件下构造破碎带突水是一伴随内部组成结构变化的＂孔隙流—裂隙流—管道流＂渗流类型转换过程,渗流转换是构造破碎带滞后型突水的内在机理;治理构造破碎带大型突水就是改造其管道、裂隙状结构成孔隙介质直至不透水带的过程。     

韩家湾煤矿浅埋煤层富水区下溃砂突水性预测

针对韩家湾煤矿三盘区富水性中等有突水危险的问题,为了安全有效地开采2-2煤层,以地下水动力学为基本原理,建立了以渗透破坏的临界水力坡度为条件的预防突水溃砂发生的临界条件和预计公式,计算得出了该矿预防突水溃砂发生的临界水压的高度,为韩家湾煤矿制定矿井防治水工程方案提供理论依据.     

斜井过向斜构造涌水原因分析及治理

针对山西黑龙矿副斜井在掘进至裂隙发育的向斜轴部时发生涌水,涌水量约120 m3/h,对施工造成严重影响的问题,首先根据水文地质条件及涌水特点,分析判断出涌水水源和涌水通道分别为太原组灰岩水和西沟向斜轴部裂隙发育区;然后针对西沟向斜岩溶裂隙发育,是构造富水带的特点,以＂引水孔排水—注浆堵水—预注浆防水＂为防治水思路,采用注浆封堵掘进工作面出水点和超前探水、预注浆相结合的治理方案;最后采用打检验孔和瞬变电磁超前探测的方法对注浆效果进行检验,斜井掘进后仅局部有淋水现象,涌水量3～4 m^3/h,注浆封堵效果显著。     

煤层底板突水监测预警系统的开发及应用

煤层底板突水问题,因其具有隐蔽性、突发性的特点,防治水工作面临巨大的问题和挑战,突水监测预警技术为煤矿安全生产过程中必要的措施。在研究煤层底板突水可监测性、监测条件及适用范围的基础上,研制开发了一套基于光纤光栅通信和传感技术的新型煤层底板突水监测预警系统。该系统由数据采集系统和数据突水监测数据集成分析系统组成,能够实现监测数据实时采集、曲线实时显示、远程分析、警情发布等功能。通过在东庞矿北井9208工作面自开切眼至距切眼225 m段监测预警试验,初步验证了煤层底板突水监测预警系统的实用性和有效性。     

平顶山十三矿突水特征与原因分析

针对平顶山十三矿发生的2次较大突水事件,对突水机理及影响突水的相关地质因素、地质构造、水文地质、涌水水温和充水水源、导水通道进行了综合分析,指出突水原因是地质条件与工程因素共同作用的结果,为矿井治理方案的制定及深部开采水害防治措施的选择提供了科学依据。     

基于层次分析法的矿井突水风险评价

为了对矿井突水事故风险进行科学合理的评价,对矿井的突水事故风险进行有效的识别,在分析和归纳矿井突水影响因素的基础之上,建立了矿井突水事故风险评价指标体系。运用层次分析法确立各项指标的权重,采用专家打分法对各项指标进行逐一打分,得到各项指标的均值,最后依据评分表计算出评价结果。通过案例进行验证,结果表明,该方法可以提高矿井突水风险评价的准确性和有效性,较为符合客观实际。     

矿井突水仿真构模及系统实现

针对矿井突水仿真问题,分为井巷工程静态模型构建和水体漫延动态仿真2部分进行研究。运用点线化思想规范并构建井巷工程模型,引入当量长度概念统一时间度量参数。结合矿井突水特点,运用增加约束条件的图论及智能搜索算法,研究突水发展过程中水流下向漫延及水位上向升涨2个过程,采用时间步长法构建模拟时钟,预测及再现突水发生前后巷道、水体动态,完成矿井突水的仿真构模算法及系统原型实现。以国内某金属矿山数据为例,检验系统的可行性和有效性,所建模型及系统原型能够为突水预防、救援及研究工作提供技术支撑。     

海下软覆岩煤层顶板离层水发育规律数值模拟研究

运用离散元软件对某矿海下软弱覆岩2煤顶板离层水空间发育规律进行了数值模拟研究,结果证明:顶板软弱覆岩条件下会发生离层现象,在4.36 m采高和开挖步距为10 m情况下,开挖距离为200 m时会发生3次离层现象,且离层发展一直处于"产生—发展—闭合稳定—产生"的循环过程;根据工作面突水特征、突水水源和突水通道等因素分析,并与数值模拟结果进行对比,得出该矿工作面突水并不是导水断裂带直接导通互层含水层所致,而是由于离层突水所致。     

杨柳煤矿主采10煤层充水条件分析及充水水源识别

在研究杨柳煤矿地质条件水文地质特征的基础上,对矿井的充水水源及充水通道进行了分析,并利用地下水化学法做出Piper三线图来识别突水水源。结果表明:杨柳煤矿充水水源主要是二叠系主采煤层间含水层和底板的灰岩裂隙水,为矿井水害防治提供一定的参考依据。