采动影响下陷落柱渗流特征分析

为了研究工作面靠近过程中,陷落柱内应力的变化规律及其影响下陷落柱的渗流特征,基于FLAC3D流固耦合模型,建立了2种数值分析模型,对比分析了工作面附近应力变化对陷落柱的应力场以及渗流场的影响,结果显示:陷落柱先后处于工作面超前支撑压力和卸荷区范围内,导致其应力先增大后减小,从而引起渗流场的变化;承压水在陷落柱内逐渐消耗,水头处压力为0;陷落柱贯穿煤层较隐伏于底板下,工作面距含水层更近,柱体受采动影响大,水头发育较高,实际工程中应加强这种情况下的监测和防范。     

煤层底板陷落柱活化突水过程的数值模拟

为了研究煤层底板陷落柱活化破坏特征及诱发的突水机理,采用RFPA2D模拟了全充水强导水型和边缘充水导水型陷落柱的活化突水过程.数值模拟再现了流固耦合作用下全充水导水型陷落柱克服剥离面上的黏结力、柱边滑动面上的抗滑阻力,最终发生发生活化崩塌的过程以及边缘充水导水型陷落柱从边缘裂隙的扩张、贯通到宏观导水通道形成的全过程.分析结果表明,突水通道形成受陷落柱本身的物理力学性质以及开采应力扰动等因素的共同控制,陷落柱构造的存在影响了原岩应力应变的均匀分布,在开采扰动时,这种影响表现的更为突出,在应变不协调部位容易产生剪切变形与损伤,加之高压渗透水流的楔劈作用,致使陷落柱逐步活化而引发突水.     

采动过程中底板隐伏陷落柱突水数值模拟

为弄清采动在工作面底板岩溶陷落柱围岩破坏及突水中所起到的作用,以葛亭煤矿底板隐伏岩溶陷落柱为研究对象,采用FLAC3D数值模拟软件对采动过程中的垂直方向应力场、塑性破坏区和垂直方向位移变化进行分析研究,分析了不同推进距离下隐伏底板岩溶陷落柱的突水过程。研究结果表明,随着推进距离的不断增加,岩溶陷落柱的塑性破坏范围不断增加,底板垂直方向的位移不断增大,当煤层底板的塑性破坏区和岩溶陷落柱的塑性破坏区发生连接时,容易发生底板岩溶陷落柱突水事故。     

采动影响下隐伏陷落柱突水数值模拟

以塑性区范围、裂隙内的液体压力和渗流速度为评判依据,分析隐伏型陷落柱受开采扰动的突水危险性。根据流固耦合理论,采用FLAC3D软件实现隐伏型陷落柱突水进行数值模拟,分析了开采扰动下不同隐伏深度的突水过程。研究表明,在开采扰动下陷落柱会从底部开始产生剪切破坏并剪切破坏面向上扩展,当陷落柱周围的破坏区域与工作面周围破坏区域贯通就会发生突水;陷落柱隐伏深度越小,开采扰动对的陷落柱内渗流场的影响越大;当陷落柱隐伏深度低于30 m时,存在突水的危险性。     

陷落柱影响采场围岩破坏和底板突水的数值模拟分析

为探讨陷落柱在围岩破坏及突水中所起的作用,采用FLAC^3D模拟分析了陷落柱影响下采煤工作面推进的全过程．采动影响下采场围岩的应力应变数值模拟充分说明,陷落柱的存在使底板的应力应变分布极不均匀,应力集中系数增大,陷落柱附近位移明显,远离陷落柱其影响逐渐减小,但对底板岩层破坏范围及破坏形式影响较小;陷落柱顶面上方岩层的应变较大,与周围不协调,容易产生局部剪切变形．陷落柱边壁、工作面底板压缩区与膨胀区的分界线重合在一条线上时,是剪切破坏的最佳状态,最容易发生底鼓突水．陷落柱影响下的底板破坏深度为15—18m．     

工作面底板隐伏陷落柱突水模拟分析

针对某煤矿工作面中存在的底板隐伏断层,在开采过程中可能发生突水事故这一情况,采用瞬变电磁法探测底板富水性并结合相关地质资料,应用FLAC3D数值模拟软件模拟工作面推进过程中的围岩应力场、围岩位移场、渗流场、塑性破坏区的变化。最后根据模拟结果提出相关防治方法。     

底板隐伏陷落柱突水主控因素数值模拟

为了弄清采动过程在底板陷落柱围岩破坏及突水中所起到的作用,采用理论分析、数值模拟、物理探测的方法从发育特征等方面分析归纳出葛亭煤矿底板隐伏岩溶陷落柱的基本特征。以葛亭煤矿2160工作面发现的SX1陷落柱为研究对象,通过FLAC3D模拟陷落柱在采动过程中煤层顶底板和陷落柱围岩应力场、渗流场、位移场和塑性破坏区的变化情况。结果表明:随着工作面采高和含水层水压的增加,陷落柱周围围岩应力场、塑性破坏区、位移场和渗流场随着采高和含水层水压的增加呈现增大的趋势;陷落柱属于天然的低应力集中区,随着推进距离的增加,原有的应力场重新分布,陷落柱顶部围岩的位移不断增加。     

陷落柱突水流固耦合渗流模拟因素分析

建立陷落柱流固耦合模型和对应的数值模拟计算模型及陷落柱充填物孔隙率的随机分布,通过有限元多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics对力学模型进行模拟计算,然后分析不同时间点上的陷落柱压力分布云图和不同时刻的剪切力的分布云图及其对应曲线,分析发生突水事故的各种因素,对矿井预防突水事故发生有一定的作用。     

渗流作用下陷落柱温度场分布特征数值模拟

为了揭示渗流作用下煤矿陷落柱内部温度场的分布特征,基于多孔介质岩体渗流与传热学等理论,建立了陷落柱渗流-温度场耦合数学模型。以某煤矿II51陷落柱作为数值模拟原型,深部奥灰水为高温热源,得到了不同渗透率条件下,渗流速度与温度场在陷落柱内部空间分布特征。结果表明:随着渗透率增加,陷落柱内部渗流速度变大,使得高温异常区扩散范围也随之变大;渗流作用对陷落柱垂向上的温度场影响要强于水平方向上,同时陷落柱内部温度梯度值低于正常围岩区地温梯度值;在水平方向上距离陷落柱边界越近,温度递增现象越明显。在距陷落柱50 m范围内,温度差值可达2~8℃,由此认为通过温度来进行陷落柱的预测预报具有可行性。     

煤层底板隐伏小断层突水数值模拟

针对煤层底板隐伏小断层突水过程,应用RFPA-FLOW2D软件进行模拟计算分析。结果表明:在矿压和水压共同作用下,煤层底板破坏过程经历了小断层活化、小断层活化区扩展和裂隙贯通3个阶段;底板渗流场和裂隙场同步演化,突水位置可准确标定。多条小断层突水过程模拟结果表明,隐伏小断层越发育,底板破坏区贯通强度越大,煤层底板发生突水的可能性也越大。     

陷落柱周边采场应力分布特征数值模拟

华北煤田广泛发育有岩溶陷落柱,对煤矿安全生产有较大影响。该文论述了陷落柱的特征及其顶底部剪切破坏突水模式及判据。应用岩石破裂过程渗流应力耦合分析系统,对陷落柱及其周边应力分布进行了数值模拟研究,得出了陷落柱及其周边剪切破坏明显增加的结论。     

采场底板陷落柱渗流突水数值模拟研究

针对东滩煤矿陷落柱柱体剖面揭示的形态学特征,为研究采动压力和渗透水压对陷落柱渗流突水的作用,建立了采场底板陷落柱突水的物理模型,并利用FLAC3D软件模拟分析了采场推进过程中应力场和渗流场的变化特征;通过模拟分析再现了陷落柱周边岩体破坏、损伤、渗流、突水通道形成的全过程,揭示了采场底板陷落柱渗流突水机理。     

含隐伏断层煤矿底板采动突水规律数值模拟

针对含隐伏断层煤矿底板采动突水过程中,采空区底板突水破坏区域存在空间分布的特征。在考虑采动岩体流固耦合作用的基础上,结合某矿工作面具体工程地质条件,应用RFPA2D-flow程序模拟了含隐伏小断层底板的采动突水过程,对底板破坏区域的空间分布情况进行了划分和分析。研究结果表明:含隐伏小断层条件下,断层采动活化,使底板更易沟通含水层,与完整底板相比,只有在工作面推进到第1条小断层时表现出类似的突水分阶段特征,之后则根据隐伏断层分布特征,表现出类似循环特征的突水增速区与流量平稳区之间的交替变化。     

渗流作用下陷落柱温度场分布特征数值模拟北大核心

为了揭示渗流作用下煤矿陷落柱内部温度场的分布特征,基于多孔介质岩体渗流与传热学等理论,建立了陷落柱渗流-温度场耦合数学模型。以某煤矿II51陷落柱作为数值模拟原型,深部奥灰水为高温热源,得到了不同渗透率条件下,渗流速度与温度场在陷落柱内部空间分布特征。结果表明:随着渗透率增加,陷落柱内部渗流速度变大,使得高温异常区扩散范围也随之变大;渗流作用对陷落柱垂向上的温度场影响要强于水平方向上,同时陷落柱内部温度梯度值低于正常围岩区地温梯度值;在水平方向上距离陷落柱边界越近,温度递增现象越明显。在距陷落柱50 m范围内,温度差值可达2~8℃,由此认为通过温度来进行陷落柱的预测预报具有可行性。     

采动影响下底板隐伏陷落柱突水灾变数值分析

为研究采动影响下底板隐伏陷落柱的渗流演化规律及突水灾变特征,以1个隐伏陷落柱工程为背景,考虑流固耦合作用以及围岩渗透系数的动态变化特征,模拟再现隐伏陷落柱随工作面开挖前进的突水灾变过程;在此基础上,研究隐伏陷落柱发育高度以及水压对煤层底板突水的影响。结果表明:当工作面开挖通过陷落柱时,陷落柱与煤层间的导水裂隙通道起始于陷落柱顶部最前方而终于煤层底板距陷落柱中心约20 m的位置;随着工作面的向前推进,煤层底板的涌水量大体呈"S"型曲线分布,其在工作面靠近并通过陷落柱时增大速率最快,而在工作面远离陷落柱中心35 m后逐渐保持稳定;陷落柱距煤底越近,煤层底板涌水量发生快速增长的时间点就越靠前且其增长区间范围也越大,同时煤层底板的涌水量与其距陷落柱的距离呈指数衰减式关系;当工作面推进距离相同时,煤层底板的涌水量与陷落柱水压呈指数递增关系。     

椭圆形陷落柱厚壁筒突水模式力学判据及数值模拟

有效地预测、预防岩溶陷落柱突水,运用复变函数、弹塑性力学,推导了椭圆形截面陷落柱“厚壁筒”力学模型突水模式的临界判据方程,并通过有限元软件验证了陷落柱受到均布力作用时,应力分布的解析解。研究表明：椭圆形截面陷落柱在受到以陷落柱柱体为导水通道的均布力作用下,厚壁椭圆筒的应力从椭圆筒的内壁到外壁逐渐变化,在椭圆筒内壁的长半轴的两个端点处应力取得最大值,在椭圆筒的短半轴处的应力取得最小值。     

采动应力场与瓦斯渗流场耦合理论研究现状及趋势

随着高强度开采方法的广泛应用,采动应力场与渗流场耦合理论的研究成为国内外研究的热点,通过对国内外相关文献的整理与分析,从采动围岩应力场、裂隙场演化规律、瓦斯渗流理论等方面进行了论述,展望了高强度开采应力场与瓦斯渗流场耦合理论的研究方向和有关发展趋势。高强度开采条件下将应力场与瓦斯渗流场耦合研究是高强度开采条件下保证煤矿安全开采的客观要求,也是解决实际工程中瓦斯安全问题重要的理论基础,对工程实践具有指导意义。     

采动影响对陷落柱活化导水机理数值模拟研究

为研究采矿对陷落柱活化作用,利用数值计算软件FLAC3D对强充水陷落柱、不充水陷落柱和煤层底板中赋存陷落柱的破坏过程进行模拟,分析陷落柱及其周边围岩的应力、应变和塑性区的变化.研究表明,陷落柱在采动应力场和渗流场的相互作用下,渗流压力引起陷落柱围岩产生应变,同时采掘工作形成的应变也同样会引起渗流系数的变化.随着承压水压力的增大,陷落柱泥化带、裂隙带和破碎带的宽度都相应增大.对底板中陷落柱突水进行模拟,采动影响先产生在底板进而影响陷落柱.减小回采空间可以减小顶底板以及围岩的变形、破断和移动,保证底板隔水岩层的隔水能力.     

煤矿陷落柱突水的变形-渗流-冲蚀耦合模型及应用

为揭示煤矿陷落柱突水机理并为其突水防治提供理论依据,基于双重孔隙介质渗流理论,将陷落柱视为由岩块骨架、流体、裂隙充填物3种介质构成,分别推导了其运动控制方程,给出了裂隙演化控制方程,建立了多场耦合的陷落柱突水变形-渗流-冲蚀力学模型。结合研究矿区地质条件,运用多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics将力学模型数值化,模拟研究了陷落柱内裂隙开度、颗粒体积浓度、涌水量等随时间的变化规律,数值再现了煤矿底板承压陷落柱突水发展的全过程。研究结果表明:(1)数值模拟得到的陷落柱涌水量曲线与实测数据吻合较好,验证了本文建立的陷落柱突水变形-渗流-冲蚀耦合模型的正确性。(2)在骨架变形-水渗流-充填物颗粒冲蚀迁移耦合作用下,陷落柱内充填物颗粒液化并迁移流失,部分裂隙不断扩展并贯通发展成为优势导水通道,导致陷落柱涌水量急剧增大并引发了突水事故。