古交矿区中奥陶统断层突水机理研究

采用MTS电液伺服岩石力学实验系统,利用特制的渗流实验装置,对断裂构造岩的样品,模拟不同应力场条件,测试样品的渗流速度,计算样品的渗透系数,得到不同矿山压力下,断层带的导水能力大小.在古交矿区的地层岩石组合条件下,断层带处在中奥陶统顶板附近的破碎岩石,其导水性较差,断层导通中奥陶统地下水可能性较小.     

古交矿区断层带的导水性模拟实验预测

基于伺服渗流实验,通过室内模拟矿山压力和地下水压力,分析了断层破碎带物质的导水特征与矿山压力和地下水压力及其本身物质组成之间的关系。结合古交矿区的实际资料,对切割中奥陶统灰岩含水层—下组煤层段的断层带进行了导水性评价。结果表明:矿山压力是影响断层带物质渗透性的重要因素,矿山压力越大,渗透系数越小;在相同矿山压力条件下,地下水压力与渗透系数呈非线性、反比例关系。认为古交矿区切割奥灰含水层的断层带渗透性较差,断层导通奥灰含水层的可能性较小。实验成果可用于预测评价断层带的导水性,为进一步研究断层突水机理提供一种思路。     

煤矿井下断层渗流特性与注浆防渗效果分析

针对宝黎断层丰水季节导致周源山煤矿北大巷涌水量变大的问题,利用RFPA-Flow数值模拟软件分析得出断层的渗流量与水压呈正比例关系,沿着水流方向,水压和渗流量都逐渐减小;随着至断层距离的增加,水压和渗流量逐渐减小;注浆后,断层处水的主要渗流通道被封堵,水只能从断层周围的岩体裂隙向断层渗流,渗流量大幅降低。注浆前后实测的周源山煤矿北大巷涌水情况与数值模拟结果一致。现场采用双液高压帷幕注浆技术处理后的断层破碎带透水率达到了岩石地基工程防渗标准。     

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。     

饱和破碎砂岩承压变形及渗流特性试验研究

本文采用破碎岩石变形-渗流试验系统,对级配破碎砂岩在不同加载类型、不同加载方式作用下的压缩变形及渗流特性进行了研究。研究发现:随着轴向荷载等级的增加,碎石轴向位移逐渐增大,残余碎胀系数与空隙率逐渐减小,且加载阶段较恒载阶段变化明显;相同轴向荷载条件作用下,饱和碎石比干燥碎石更易产生变形且加载终点位移累积变形量更大。轴向荷载作用下,碎石被挤压密实,空隙率降低、渗透系数减小,碎石骨架结构破坏明显,而水压作用下碎石骨架结构较为完整。轴压加载与轴压循环加卸载作用下碎石渗透系数与轴压均呈负指数函数关系,渗透系数随轴压的增大而逐渐减小。轴压循环加卸载过程中,加载阶段,渗透系数随轴压增加而降低,卸载阶段,渗透系数随轴压降低而增加,渗透系数差值与损失量主要发生在加卸载作用初期,且两者均随轴压加卸载次数的增加逐渐减小。     

葛亭煤矿断层活化导水数值模拟研究

针对不导水断层在采动条件下发生活化导水的现象,根据裂隙介质水动力学和弹性力学理论进行分析,当断层原始导升带附近水压大于裂隙法向应力时,原本闭合的裂隙张开,或者被充填物充填的裂隙张开度变大,从而使充填物被水冲走,断层导水性增强,直至突水。应用离散元软件UDEC建立了3种断层活化模型,结合现场注水试验和工作面实际开采情况进行研究,结果表明:断层原始导升带附近水压大于裂隙(主要指与围岩最小主应力方向垂直的裂隙)法向应力是断层活化导水的必要非充分条件。     

锚喷与挂网锚喷混合支护技术的应用

１概述滕州市曹庄煤矿现主采３下煤层。运输大巷和准备巷道多数布置在３下煤层底板岩石中，煤层和顶板砂岩均含水，底板岩性为泥岩和砂泥岩互层，地质条件属中等复杂，在巷道工程的开拓准备过程中，巷道顶部往往沿裂隙或断层破碎带渗透于施工巷道。巷道形状采用半圆拱型，...     

断层突水温度-非线性渗流-应力耦合模型研究

为了研究深部矿井高地应力、高承压水压及高地温条件下断层突水过程中的底板承压水运移规律和地温变化规律,运用COMSOL建立温度场(T)-非线性渗流场(H)-应力场(M)耦合模型,其中非线性渗流方程耦合Darcy定律, Brinkman方程和Navier-Stokes方程。结果表明:模型能够很好地描述温度场、渗流场和采动应力场之间的相互作用关系以及底板承压水从含水层经过断层破碎带到达巷道的非线性运移过程;采动应力场和渗流速度对断层带温度场的影响很大,通过监测断层带的温度变化,可以预测断层带渗流场的变化,从而预测断层突水。     

固液耦合模式下采动诱发断层界面应力变化规律的模拟研究

本文运用数值模拟方法,通过改变断层倾角的大小、断层破碎带厚度以及含水层水压对固液耦合模式下采动诱发断层界面应力变化规律进行了模拟研究,揭示了不同工况条件下断层活化突水的影响规律。模拟结果表明:在相同工况条件下,断层的上盘断层界面所受的正应力及剪应力皆大于下盘断层界面所受的相应应力;在工作面推进相同步距时,断层界面所承受的正应力随断层倾角增大而减小,剪应力在倾角为一定范围内随增大而增加,但倾角超过一定角度后其又随之增加而减小;随断层破碎带宽度增加,断层盘界面所受的正应力越大,而剪应力越小;断层界面所承受的正应力及剪应力皆随含水层水压的增加而增加,且水压越大,断层突水危险性就越大。     

断层水害防治技术应用研究

位于承压含水层上巷道掘进过导水断层时,在承压含水层水压和围岩应力变化的因素下,会导致承压含水层裂隙发育,断层破碎带形成导水通道,承压含水层与断层破碎带发生水力联系形成突水通道,对巷道安全掘进带来威胁,极易发生突水事故。针对上述问题,通过分析井田水文地质条件、超前探查掌握断层及其防范承压含水层的水文资料,综合分析断层的导水性及承压含水层的区域富水性,按照公式进行突水危险性水害预测理论计算。根据综合分析和理论计算结果,采取对断层破碎带预注浆加固、断层两盘含水层治理改造、承压含水层疏水降压和加强巷道支护的综合防治措施,消除了承压水害和断层水害,保障了巷道安全过断层。     

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。     

砂岩蠕变过程中的渗流特性试验研究

岩体是由岩块,结构面和结构面内充填物构成的结构体,在岩体结构的控制下,岩体的变形破坏是复杂的。通过采用RLW-2000型微机控制煤岩三轴流变试验机对水压-应力耦合作用下的脆性砂岩试件蠕变特性研究,认为在实际渗流岩体中,岩体渗透系数与岩体周围应力状态关系密切相关,渗透系数伴随围压增加呈现减小趋势,孔隙水压的上升,在一定范围内使得渗透系数发生变化。且最终孔隙水存在的力学以及侵蚀作用,在试件蠕变变形的过程中加快了试件的破坏速度。     

小纪汗井田地层介质渗透特性及煤层为主含水层成因机制

以陕北榆横矿区特殊地质背景为基础,通过瞬态渗透试验研究小纪汗煤矿煤系地层的渗透力学特性,基于采集的岩样两端孔隙压差时间序列,通过差分得到渗流速度及其变化率的时间序列,基于最小二乘法计算得到了各层岩样在不同围压下全应力应变过程中的渗透率、非达西流因子及加速度系数,比较了不同岩层的最大渗透率及最小渗透率。研究表明：① 随着压缩应变的增加,煤样应力峰值滞后于渗透率峰值;② 应力峰后阶段,煤样非达西流因子及加速度系数先急剧增加后显著下降,两者峰值滞后于应力峰值;③ 洛河组中粒长石砂岩与2号煤层岩样峰后的最高渗透率显著高于其他岩层;④ 煤样的渗透率峰后约为1×10-15 m2量级,普遍高于一般煤矿煤层的渗透率;⑤ 所有岩层中,富县组砂质泥岩的渗透率最低,可视为隔水层。     

侏罗系弱胶结砂岩孔隙介质特征及其保水采煤意义

我国新疆哈密矿区降雨量少、蒸发强烈,属于严重干旱地区,研究区高强度的煤炭资源开采对主要储水含水层的保护极为重要。由于特殊的成岩环境及地下水赋存运移条件,侏罗系弱胶结砂岩为复杂的非常规含水岩系,给研究区煤矿防治水带来了诸多水文地质问题。本文以新疆哈密矿区侏罗系弱胶结砂岩为研究对象,通过渗流实验、实验室测试、理论分析研究弱胶结砂岩微观孔隙结构演变规律。研究表明,弱胶结砂岩属高孔隙度岩石,具有大孔孔喉及中孔孔喉分布频率高的结构特征和强富水性,渗流实验过程中有大量乳白色悬浮物渗出。水相渗流作用下的弱胶结砂岩样出现渗透性突变增大的现象,其孔隙度有明显增大的趋势。通过水质分析及岩矿鉴定分析手段得出可溶盐溶出对渗流实验前后的孔隙度增加贡献率为45.80%～82.28%,悬浮物渗出量计算对孔隙度增大贡献率为14.78%～54.20%,可溶盐及高岭石的溶(渗)出是砂岩渗透性增强的主要因素。鉴于此,提出了有关孔隙结构储水空间变异性以及渗透突变性的保水采煤理念,弱胶结砂岩含水层水体下保水采煤应当遵循"保护性开采、避免大规模扰动"的思路。研究成果对西部地区弱胶结砂岩含水层的开发利用与保护有重要意义,同时可为西部地区受侏罗系弱胶结砂岩水害影响的矿井保水采煤技术的研究提供借鉴。     

渗流作用下深埋岩石巷道不同强度准则对比分析

强度准则的选取是否得当,会直接影响到巷道围岩的稳定性评价与控制。为了研究强度准则效应对渗流环境下深埋圆形巷道围岩稳定性的影响规律,首先对Mohr-Coulomb(MC)准则、Drucker-Prager(DP)准则、统一强度理论(UST)和Mogi-Coulomb(MO)准则等4种岩石材料常用的强度准则进行了归纳总结,得到了平面应变条件下统一形式的屈服方程;然后针对受孔隙水压力作用的深埋圆形巷道建立理想弹塑性模型,综合考虑渗流体积力、中间主应力效应、围岩的剪胀特性以及不同的塑性区弹性应变处理方式,基于弹塑性理论推导了渗流作用下的围岩应力场、位移场和塑性区半径的统一解析解,并通过具体算例对新解的多方面影响因素进行了对比分析。研究结果表明:本文所提出的新解不仅形式简洁,而且可以灵活匹配多种常用的岩石强度准则;不考虑中间主应力效应的MC准则和DP系列准则的计算结果相对保守;考虑中间主应力效应时,可优先选用外接圆DP准则和权系数为0.5的统一强度理论,谨慎选用权系数为1的统一强度理论;中间主应力对围岩强度具有区间效应,不考虑中间主应力效应的强度准则普遍偏于保守;岩土材料的剪胀特性不仅与围岩剪胀角有关,而且还与建立的塑性势函数有关;剪胀不会改变围岩的塑性区半径,但会影响塑性区的位移分布,若不考虑剪胀将会低估围岩的实际变形;不建议将塑性区的弹性应变视为常数,应当考虑塑性区应力重分布的影响,采用广义胡克定律进行分析。     

纳岭沟铀矿床洞穴增渗数值模拟研究

天然铀是保障我国核电发展和国防安全的重要战略资源,为满足国内日益紧迫的铀资源需求,解决制约低渗透砂岩型铀矿床原地浸出的技术瓶颈,本文提出了洞穴增渗技术方法,并研究了其在低渗透砂岩铀矿中的适用性。依托纳岭沟砂岩铀矿床,基于渗流、岩石力学理论构建了洞穴增渗作业数学模型,采用COMSOL软件对不同作业方式、作业次数下洞穴增渗形成的洞穴形态大小和渗透性改善情况进行了数值模拟研究。结果表明：连续作业方式效果优于恒定压力场作业方式,渗透性改善带主要发生在高压分布带控制范围内,10次洞穴增渗作业后渗透性改善带半径达20 m左右,钻孔附近渗透性改善倍数可达10~20倍。研究成果说明洞穴增渗技术在低渗透砂岩铀矿层中具有较好的效果,适用于提高我国低渗透砂岩铀矿床渗透性。     

砂岩全应力-应变过程气体渗透特性实验

以CO₂气体为介质,运用自制含气岩石力学试验系统对平顶山煤业集团一矿砂岩全应力-应变过程中的气体渗透特性、围压对砂岩渗透特性的影响进行了实验研究.试验结果表明：全应力-应变过程中砂岩渗透率变化具有明显的阶段性,且应变滞后性明显;峰后砂岩渗透率明显大于其起始渗透率;随着围压的增加,相同应变下砂岩试件的渗透率呈减小趋势,砂岩渗透率的变化率也趋于减小.     

基于压水试验的底板泥岩阻水能力研究

现场原位压水试验是揭示岩层阻水能力的可靠方法。为探究下组煤底板泥岩阻水能力,采用现场压水试验的手段对兖州矿区破碎程度不同的两段泥岩进行测试。采用渗透系数和平均阻水强度作为评价指标,对岩体的阻水能力进行对比分析。研究结果表明：破碎泥岩的渗透性远高于厚层状完整泥岩的渗透性,阻水能力有限;岩体的渗透性在水压达临界值后发生突变,水压对岩体渗透性的改变,在破碎泥岩中表现出持续性,而在厚层状完整泥岩中表现出瞬时性;厚层状完整泥岩的平均阻水强度明显超过破碎泥岩的平均阻水强度,能够阻抗更高的水压。本研究成果对兖州矿区下组煤底板泥岩阻水能力的认识,有一定的指导作用,同时也为下组煤的安全开采提供了重要参考依据。     

低围压沉积岩渗透特性试验研究

 为了研究分析岩性、围压两因素对于沉积岩渗透率的影响,对葛厅煤矿11601工作面底板典型的砂岩和泥岩两种沉积岩进行较低围压的全应力应变渗透特性试验。研究证明：砂岩完全破坏后渗透率始终保持在较高水平,泥岩破坏后由于岩性的影响渗透率存在一定程度降低;围压主要是通过影响沉积岩试件裂隙的变化,进而影响试件渗透率的变化。本文研究了沉积岩较低围压下的渗透规律,这对于赋存较浅矿井底板突水防治具有一定的指导意义。