水-力耦合下隔水关键层渗透性演化特征

隔水关键层对水体及含水层下煤层安全开采影响重大。为了研究隔水关键层渗透性演化规律及采动隔水关键层的隔水性能,以新安煤矿15130工作面水库下采煤为工程背景,开展隔水关键层水-力耦合渗流试验和采动隔水关键层隔水性能数值模拟试验。结果表明：承载压缩下隔水关键层渗透系数-应变曲线可分为4个阶段,且与应力-应变曲线的4个阶段对应,分别为渗透系数骤减阶段、渗透系数缓慢递减阶段、渗透系数缓慢回升阶段、渗透系数骤增阶段;压密阶段围压的变化更容易引起隔水关键层渗透系数的变化,水压与渗透系数在1～2 MPa范围内不成正相关关系;15130工作面上方隔水关键层在采动影响下发生弯曲变形,但整体上看,隔水关键层依然具有良好的隔水性能。研究结果对水体下采煤具有一定的借鉴意义。     

承载关键层、隔水关键层和渗流关键层关系初探

在分析岩层变形-渗流耦合系统的复杂性特征的基础上,提出应用复杂系统动力学理论解释突水机制的初步设想.研究表明：在承载关键层破断前,承载关键层同时也是隔水关键层,但一般不是渗流关键层;在承载关键层破断后,承载关键层不再具有隔水作用,隔水作用最强的某一软弱岩层成为隔水关键层和渗流关键层;当渗流参量满足一定的条件,渗流发生Lyapunov意义下的失稳,引发突水;岩层变形-渗流耦合动力学系统是具有非连续性、非均匀性、非线性、控制参量时变和边界时变等特征的复杂系统.只有将承载关键层理论、隔水关键层理论和渗流关键层理论相互融合,并且将复杂系统动力学的思想和方法引入突水防治理论研究,才能从本质上描述突水的过程.     

基于绿色部分充填采煤的保水开采技术研究

针对神东矿区保水开采技术难题,在系统分析了现解决保水问题的基础上,通过理论分析、现场调研及数值模拟等方法,提出了以绿色部分充填开采解决保水开采研究思路及方法并进行了研究。对部分充填保水开采机理、技术特征、充填工艺进行了分析,推导计算出部分充填法开采满足隔水关键层不发生破断的关系,并根据隔水关键层理论及有效面积理论推导出采、留宽。数值模拟表明,部分充填参数的选择对导水裂隙带的高度有重要影响。     

浅埋煤层隔水关键层失稳光纤传感检测试验研究

隔水关键层破断失稳是矿井水害及开采引起的生态脆弱区水资源破坏的根本原因,准确有效地对隔水关键层稳定性进行科学监测,是实现保水开采及岩层控制的重要基础。隔水层稳定性尚无有效直接监测手段,常采用钻孔探测、理论分析及数值模拟等计算导水裂隙带高度间接评判隔水层导通性。随着光纤传感技术的发展,将光纤布拉格光栅(FBG)、分布式光纤(BOTDA)等技术用于采动覆岩隔水关键层稳定性监测,为光纤传感技术在相似模型试验中的推广提供依据。研究表明:浅埋煤层当基岩厚度仅为60～67 m时,开采厚度为2 m的煤层时导水裂隙带将直接发育至地表,势必造成基岩含水层水体破坏,结构关键层裂隙被其上软弱岩层充填弥合具有一定隔水性,两侧断裂线及其附近发育的纵向裂隙成为主要渗流通道;分布式光纤检测应变因岩层断裂位臵应力集中而呈现"双峰"特征,峰值位臵与断裂线基本对应,可通过传感光纤预测采动覆岩破断线位臵分布;给出基于光纤传感检测的隔水关键层破断极限应变阈值为2 000με;光纤光栅可对特定位臵岩体变形进行精准监测,检测隔水关键层破断失稳位臵与实际观测及分布式光纤检测结果基本一致。     

水体下采煤隔水关键层的判别与应用

地层的岩性和结构特征是水体下安全开采的重要因素,由岩层控制方面的“关键层”理论引出“隔水关键层”概念。通过分析隔水关键层的作用机理,从结构稳定性和渗流稳定性两方面来分析判断覆岩中是否存在隔水关键层,进而判断开采过程是否存在突水危险。     

煤层底板渗流关键层存在性及其作用初探

建立了一种面向RFPA的煤层底板渗流模型,计算了采场推进150m时底板的位移和渗透特性及突水因数.对渗流关键层的存在性及其作用进行了初步探讨,提出了渗流关键层的判定条件.通过算例,讨论了承载关键层、隔水关键层和渗流关键层之间的关系.研究表明,如果某一岩层的渗透率远远小于其他岩层,则该岩层对底板渗流的稳定性起决定性作用,为渗流关键层;在算例中.当采场推进150m时,渗流关键层存在,并且与隔水关键层为同一岩层;渗流关键层对突水因数有较大的影响.     

浅埋厚煤层开采覆岩采动裂缝时空演化规律

为了分析浅埋厚煤层采场覆岩失稳运动对采动裂缝形成的影响以及覆岩采动裂缝的动态发展变化特征,基于串草圪旦煤矿浅埋厚煤层开采为背景,采用相似模拟、理论分析、数值计算相结合,研究了浅埋厚煤层开采覆岩采动裂缝形成机理及其时空演化规律。结果表明:浅埋厚煤层采场覆岩移动变形随承载关键层的失稳运动呈现动态性变化特征,承载关键层的失稳运动导致覆岩产生直通地表的采动裂缝,裂缝的尺度特征亦随承载关键层的失稳运动发生动态性变化;覆岩采动裂缝具有明显的纵向和横向分区特征,纵向分区以承载关键层为界分为两个区域,横向分区将采空区覆岩分为裂缝产生区、裂缝贯通发展区以及裂缝闭合区;6104工作面采空区内裂缝贯通发展区在滞后工作面0～100 m范围内,当在采空区下开采时裂缝贯通发展区减小为0～80 m范围内,该区域内裂缝随滞后工作面距离的增大而趋于闭合。     

采空区裂隙岩体渗流特征及渗透性试验研究北大核心

为了探索采空区裂隙岩体内地下水的渗流特征,确定裂隙岩体的渗透系数值,为定量研究含水层受开采影响评价提供参考;采用相似材料模型试验与渗流试验方法,基于采空区的裂隙发育情况与分布特征,对裂隙岩体的渗流特征以及不同裂隙率采动岩体的渗透性能进行了研究。结果表明:采空区裂隙岩体内的地下水流呈非线性渗流特征,水流特征与渗透性能明显受岩体裂隙率影响;裂隙岩体的水平渗透系数与垂向渗透系数均与裂隙率呈正相关关系,渗透性能随裂隙率的增大分为缓增区与激增区2段;采空区裂隙岩体的垂向渗透系数介于0.067~0.649 cm/s之间,水平渗透系数介于0.744~6.847 cm/s之间,较煤层开采前扩大了2~4个数量级。     

相邻采空区关键层失稳诱发矿震机理研究

基于岩层控制的关键层理论,对工作面开采过程中相邻采空区震动机理进行了研究,将相邻采空区震动机理归结为3种基本形式：① 低位亚关键层回转滑移失稳;② 高位亚关键层剪切滑移失稳;③ 主关键层极限破断失稳。利用现场矿井微震监测系统,分析了不同机理震动规律,结果表明,相邻采空区岩层失稳滞后于本工作面岩层运动,震动频次上低位亚关键层最高,高位亚关键层次之,主关键层极限破断失稳震动最少,震动能量上则相反;本工作面破坏烈度则是高位亚关键层剪切滑移失稳最强,低位亚关键层失稳震动次之,而主关键层最小。最后,根据震动诱发动力冲击的能量机理,提出了相邻采空区震动灾害的治理措施,并在现场实施应用。     

薄基岩厚松散层下充填保水开采安全性分析

为研究薄基岩厚松散层下充填开采安全性,选择五沟煤矿CT101充填工作面为研究对象,通过理论分析、数值模拟和钻孔探测,对CT101充填工作面隔水关键层稳定性进行了分析,揭示薄基岩厚松散层下充填开采覆岩裂隙高度(深度)及其变化规律,并对开采安全性进了分析。结果表明:采高3.5 m,矸石充填率为85%时,关键层未破断,隔水关键层保持完整;下行裂隙多分布在工作面两端,且具有弥合性,随工作面推进周期性增大、减小,实测下行裂隙深5.5 m,上行裂隙高6.41~11.85 m,剩余隔水层组厚度为17.38~23.97 m,工作面可实现安全回采,为类似采矿地质条件下开采安全性分析提供了借鉴。     

采场底板倾斜隔水关键层的失稳力学判据

针对承压水上倾斜煤层底板岩层所受载荷的非对称特征,在考虑沿煤层倾斜方向存在一定水压梯度的情况下,依据隔水关键层理论,建立了线性增加水压力作用下的底板倾斜隔水关键层模型。采用弹性薄板理论,分析了倾斜隔水关键层的力学特性,揭示了底板倾斜隔水关键层在其长边中点偏下的位置最容易出现拉伸屈服破坏。最后,采用Griffith和Mohr-Coulomb两种屈服准则,在判断出底板倾斜隔水关键层上最可能发生屈服破坏位置的基础上,推导了基于拉伸和剪切破坏机理的采场底板倾斜隔水关键层的失稳力学判据,并应用于现场倾斜煤层底板隔水关键层的稳定性分析。     

大倾角煤层顶板垮落充填量化特征及覆岩分区破断分析

为探究大倾角煤层开采直接顶垮落在采空区下部量化充填特征、覆岩破断特征和工作面长度的影响规律,分析了直接顶破碎岩块在采空区倾斜方向的滑移规律,并推导出采空区下部区域充填接顶长度L的计算公式;基于此,分析了基本顶破断失稳量化特征,推导出基本顶沿走向和倾向上的破断失稳公式,并结合工程实例运用UDEC数值模拟验证了理论推导的合理性。结果表明:大倾角煤层开采在直接顶垮落自行充填的作用下,基本顶沿倾斜方向分为稳定区、易失稳区和悬顶区,并且各区段长度与工作面长度呈正相关;基本顶发生破断的位置处于破碎岩块充填体的上方,并且会在充填体的作用下沿倾斜方向上保持一定长度(L-x_1)的稳定结构。该研究可以为大倾角工作面合理长度的布置提供借鉴。     

倾斜厚煤层综放工作面煤柱-关键层结构失稳型矿震机理

采空区遗留煤柱支撑顶板导致厚硬关键层悬顶面积大幅增大,形成的“煤柱-关键层”结构失稳是诱发矿震和冲击地压灾害的主要原因。以新疆硫磺沟煤矿(4-5)06矿震频发工作面为工程背景,采用理论分析、数值模拟、微震监测和现场调研等方法,研究了“采空区遗留煤柱-关键层”组成的覆岩空间结构特征,分析了采空区遗留煤柱应力演化规律和关键层力学结构特性,建立了非对称覆岩空间结构下采空区遗留煤柱应力分布估算模型和倾斜关键层极限跨度计算力学模型,揭示了倾斜厚煤层综放工作面“煤柱-关键层”结构失稳型矿震发生机理：采空区遗留煤柱支撑顶板形成“煤柱-关键层”结构,随着工作面开采范围增大,煤柱应力集中程度不断增加,当煤柱集中应力超过其极限承载能力发生失稳时,悬露关键层长度超过其极限跨度,发生破断失稳并诱发矿震和冲击地压灾害。据此建立了包含遗留煤柱整体失稳冲击倾向性指数和关键层极限跨距的“煤柱-关键层”结构失稳型矿震发生判别准则,并采用数值模拟和微震监测进行了验证。按照“有震无灾”的防治原则,提出了“煤柱-关键层”结构下工作面“减震-防冲”的技术措施,分析了工作面推采速度与大能量微震事件的关系,确立了降低工作面矿震能量...     

隔水关键层水文地质概念模型的建立与分析

水资源保护性煤炭开采是煤矿绿色开采的重要内容之一,也是目前我国煤炭开采迫切需要解决的重大课题。在分析结构关键层内涵的基础上,提出了广义隔水关键层和保水开采的基本概念;依据地层的含、隔水结构,得出隔水层的2种最基本模式。基于水文地质学和地层结构理论,提出了5种隔水关键层水文地质概念模型;得出了影响煤层顶、底板隔水关键层破坏的主要因素。表明在生态环境脆弱的西部矿区以及我国东部的大水矿区,充分利用隔水关键层的良好的隔水作用,能够实现保水开采。     

固体废弃物胶结充填开采上覆岩层移动影响分析

通过建立计算机数值模型模拟固体废弃物胶结充填开采上覆岩层移动规律,观测不同工作面推进距离上覆岩层移动特征,对比长壁开采与充填开采关键层移动,分析充填开采关键层运动与上覆岩层移动特征。由于采空区被矸石和粉煤灰等材料所充填,充填工作面矿压显现和上覆岩层移动规律与一般垮落法管理顶板明显不同。研究表明：胶结充填开采工作面周期来压步距大,来压强度不明显;关键岩层弯曲下沉,不会出现岩层破断现象。上覆岩层移动范围明显减小,对地表变形能有效控制。     

某金属矿山充填法开采下覆岩塌陷失稳机理研究

矿山充填法开采过程中,采空区充填体与围岩、地表之间存在复杂的力学关系,在某些条件下,充填体无法承载上覆岩体,仍存在塌陷失稳的可能.以某金属矿山充填法开采下的覆岩塌陷失稳事故为研究背景,首先利用地表GPS岩移监测数据定量分析了事故发生前后的地表变形情况,总结充填体上覆岩体塌陷失稳特征及成因.然后引用断层活化及悬臂梁理论,分析充填法开采下的覆岩塌陷失稳机理.最后,利用数值模拟软件构建模型模拟分析,得到充填采矿法下覆岩位移场及应力场变化规律,验证了该金属矿山充填法开采覆岩塌陷失稳机理的合理性.     

基于隔水土层失稳模型的顶板突水致灾预测研究

为了分析隔水土层在应力场与渗流场共同作用下的失稳规律,采用有效应力原理及椭圆弧拟合下沉曲线对隔水土层稳定性进行了理论分析,求得判别公式;基于平面固液耦合试验平台,采用高精度水量监测和红外成像监测技术,进行浅埋煤层顶板突水致灾演化试验,对理论判别结果进行验证,同时揭示了开采扰动及渗流作用下隔水土层的两种破坏失稳规律。研究表明:在薄基岩情况下,隔水土层失稳与开采参数存在密切联系,导致顶板突水事故发生在两个开采时期,即工作面开切眼时期和工作面经过数次周期来压时期。前者土采比(Tc)较小,隔水土层发生"铆钉式剪切破坏";后者土采比(Tc)较大,隔水土层发生"椭圆弧拉伸破坏"。两种破坏形式的揭示可为进一步研究浅埋煤层顶板突水预测提供参考。     

基于隔水关键层理论的倾斜煤层底板突水危险区域分析

依据隔水关键层理论,在建立线性增加水压力作用下底板倾斜隔水关键层力学模型的基础上,分析了底板倾斜隔水关键层的挠度特性、应力分布及其破断失稳特征,确定了倾斜采场底板突水危险区域。结果表明:1)倾斜隔水关键层最大挠曲值随其倾角的增大而减小,且变化比较明显;最大挠曲点偏离工作面中部的位置随其倾角的变化并不敏感,但仍随倾角的增大而向下偏离工作面中部;2)倾斜隔水关键层率先在其长边中央偏下的位置出现拉伸破断,下部边界区域要先于上部边界区域出现拉伸破断,内部形成非对称"X"型破断裂缝;3)倾斜采场来压前采空区后方边缘(开切眼)的中下部区域,以及来压时工作面煤壁中下部区域是底板极易突水的危险区域;而采空区上下端头区域始终是底板极易突水的危险区域,且下端头突水可能性大于上端头。     

古交矿区奥陶系顶部隔水关键层厚度研究

 目前,越来越多的华北矿井进入深部开采阶段,太原组下组煤开采受奥陶系岩溶水害威胁越来越严重。利用奥陶系顶部隔水关键层解放底板受奥陶系水压威胁太原组下组煤正在成为华北矿井水害防治的研究热点。古交矿区已经开始下组煤开采,进入奥陶系岩溶水承压区。本文以古交矿区T矿为例,通过补充钻探、抽水试验、井下物探、岩矿测试等手段与方法分析了T矿奥陶系顶部峰峰组和上马家沟组岩溶发育特征,研究了奥陶系顶部隔水关键层厚度。研究表明,古交矿区T矿峰峰组上段上部近30m厚的古风化裂隙充填带和峰峰组下段约70m厚的第一泥灰岩石膏层可分别作为防峰峰组局部中等富水区和上马家沟组中-上部第二、三含水层组突水的隔水关键层。     

不同采空区处理方式上覆岩层活动规律研究

运用弹性薄板理论及能量法原则,建立了全部垮落法和全部充填开采顶板断裂前的位移方程。同时,根据相似原理,分别对上述两种方法处理采空区的工作面上覆岩层移动及破坏规律进行模拟研究。结果表明：充填开采与垮落法开采顶板未断裂之前其位移理论模型与试验结果吻合较好,能反映顶板断裂前的移动规律;垮落法开采地面下沉与关键层移动在下沉量及下沉时间上具有同步性;垮落法导致高层位覆岩产生不均匀的水平位移,易产生挤压或拉裂变形,对覆岩整体结构稳定性影响大;充填开采高层位覆岩未产生不均匀的水平位移,同时,充填开采能使覆岩中较低层位的亚关键层转化成主关键层,减小了覆岩应力重分布的范围,能有效地控制地面下沉。