含断层煤层底板突水通道形成过程的仿真分析

基于对断层形态、产状要素、力学性质复杂性及断层诱发突水机制的认识,针对承压水上采煤的含断层岩体水力学模型,通过有限元数值仿真再现了含断层煤层开采底板采动裂隙形成、断层活化到突水通道形成的全过程.通过对损伤演化、应力场和渗流场的解读,揭示开采扰动及水压驱动下完整底板由隔水岩层到突水通道的演化机制.数值分析结果显示:断层本身的物理力学性质及断层的产状要素,包括断距和倾角等,对煤层底板的相对安全性都具有重要的影响.最后结合现场地质、水文地质调查及数值仿真结果对一工程实例进行突水机制分析,为承压水上采煤底板突水的机制分析及防治提供一些新的认识.     

基于应力–渗流–损伤耦合效应的断层活化突水机制研究

 基于大量煤矿断层突水案例的系统调查分析和归类统计,研究充填型断层滞后突水的灾变演化机制,分析采动条件下断层形态产状、充填性、导水性的变化及其对断层活化突水通道形成过程的影响。以承压水下开采的充填断层为例,分析充填介质距含水层远近的弹性区和应变软化区的力学特性和渗流特征,将水致弱函数引入充填介质的剪应力和变形的本构关系中,建立断层充填结构滑移突水的燕尾突变模型,由系统势能函数的分叉集导出突水灾变演化路径的主控因素;对于承压水上开采的充填型断层,分析充填介质失效过程的渗流损伤特征。考虑充填介质的压剪和拉剪双重破坏准则,引入适合描述充填介质损伤前后阶段的应力–渗流–损伤耦合方程,采用有限元数值仿真真实再现采动应力扰动和高压承压水双重作用下底板采动裂隙演化、断层介质活化直至突水通道形成的灾变演化过程。通过对不同断距和倾角的断层突水过程的仿真分析,揭示突水通道形成过程中岩体应力场、渗流场以及损伤场的耦合效应,实现对不同突水通道形成轨迹的路径记录和准确定位,归纳出断层活化突水的4种典型破裂通道类型。研究结论对我国煤矿突水机制与灾害防治的认识具有一定的指导和借鉴意义。     

高承压水上采煤底板突水通道形成的监测与数值模拟

 底板采动破坏及导水通道的形成是底板突水发生的必要条件,也是进行矿井突水的监测预报基础。以新义矿为例,采用现场监测及数值模拟等手段,研究高承压水上采煤底板采动破坏及突水通道的形成及演化过程,分析该过程中的底板电阻率、应力及孔隙水压力的变化规律。结果表明：高承压水上采煤底板受工作面超前支撑压力破坏严重,11011工作面底板破坏深度达到25 m,大于一般经验计算值;建立的基于流–固耦合底板采动破坏数值模拟模型更能准确、客观地反映底板破坏的影响因素,模拟的最大破坏深度为23.75 m,与现场监测结果接近;采动过程中的底板电阻率、应力以及孔隙水压力变化较好地反映底板破坏及突水通道形成、演化以及充水的整个过程,可作为矿井突水临突监测预报的重要信息源。     

矿井底板突水的水力劈裂研究

矿井承压水上采煤底板突水问题是一个困难的问题。困难之处就在于影响因素太多，而且由于矿井条件的不同，难以找到统一的处理模式。从水力劈裂的机理入手，通过分析工作面推进过程中采场及采空区底板力学条件变化导致的渗透性改变，来推断底板突水的危险程度。在分析过程中，引入了损伤的概念。损伤被用来描述采场底板的破坏程度(结构演变情况)，底板岩体的破坏直接导致底板渗透性的改变；渗透性的改变为承压水提供了通路，增加了底板突水的可能性。针对正交各向异性岩体建立了渗透系数与损伤变量的函数关系，以此描述底板破坏对渗透性的影响。针对具体的算例，得到了矿井底板突水的危险位置。     

深部开采底板裂隙扩展演化规律试验研究

 为进一步研究深部底板岩体的破裂失稳机制,基于自主研制的高水压底板突水相似模拟试验系统,建立深部承压水上含小断层底板采动裂隙演化及导水通道形成的模型,通过在底板不同深度布设应力传感器和位移监测点,研究底板和断层附近岩体随工作面开采的应力及位移变化规律,反演得到底板及断层采动裂隙的发育及扩展演化规律,为深部开采工作面突水机制的研究提供了一种新的思路。结果表明：工作面开采过程中,底板岩体的受力变化规律主要有2种：(1) 开切眼左侧煤柱底板岩体的应力增量出现先增大后减小的变化趋势;(2) 采场底板岩体的应力增量出现先增大后减小至零再反向增大的变化趋势。深部底板岩体的采动裂隙主要在开切眼、采空区中部和回采工作面3个部位产生,裂隙类型以竖向张裂隙、剪切裂隙和层向裂隙为主,且在主要裂隙附近衍生出一些细微的小裂隙。距煤层较近的断层上、下盘岩体受到的应力差较大,断层上盘在强剪应力差的作用下形成了一条与断层走向平行的剪切裂隙,加快了断裂面破碎岩体的相对滑动程度,促进了断层的活化。     

固液耦合模式下含断层缺陷煤层回采诱发底板损伤及断层活化突水机制研究

针对具体地质条件,以现场试验数据为基础,采用相似材料试验及数值模拟相结合的分析方法,对含断层缺陷煤层回采过程中底板损伤破坏及断层活化规律进行研究,研究得出:采用内径不同的水管能够很好地反映底板岩层渗透性的空间差异性,通过采用调节注水管水柱高度的方式可以控制水压以满足设计要求;煤层埋深、承压水水压及断层落差越大越易突水,断层防水煤柱宽度越大越不易突水;通过试验及模拟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、断层活化到突水通道形成的全过程,揭示了含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断层缺陷煤层回采时防水煤柱的留设具有重要的参考价值。     

深部开采动力扰动下底板应力演化及裂隙扩展机制

深部开采地应力增高及动力灾害增多驱动岩体裂隙扩展导致底板突水事故频发,使得研究动力扰动下裂隙扩展机制具有指导意义。根据弹性理论推导分析了顶板动力扰动对底板应力的影响,模拟计算了动力扰动下底板应力及位移演化规律,基于卸荷岩体理论分阶段研究了动力扰动下端部效应区及卸荷作用下突水通道发育区的裂隙扩展机制,结合岩体渗流特征分析了高承压水压力下裂隙的渗透作用,并进行了工程验证。结果表明:随动力扰动强度增加,端部效应区应力非线性增长;动力扰动强度越大,卸荷起点越高,越易满足裂隙扩展的临界应力;动力扰动强度决定了底板裂隙的扩展及渗透作用机制,当突水通道发育区渗透率突变增加的岩层深度大于隔水层厚度时将诱发底板突水。     

采场底板破坏特征及稳定性理论分析与试验研究

为了研究承压水体上煤层开采后底板岩体的破断特征和突水危险性,基于弹性力学理论,分别构建周期来压时采场底板力学计算模型和隔水关键层稳定性分析模型,理论计算采后底板纵向破坏形态和横向突水危险区域;采用有限差分流–固耦合模拟方法验证承压水上开采底板损伤范围及渗流趋势;开展底板突水相似模拟试验揭示底板岩体破裂和渗流变化特征。研究表明:(1)理论计算采后底板沿着工作面走向和倾向分别呈"勺形"和"倒马鞍形"破坏形态,在采空区与煤体交界附近底板的破坏深度最大,与模拟得到的底板破坏范围大致相当。(2)底板隔水层的理论突水部位分别位于靠近工作面煤壁侧的区域A、煤壁后方采空区50m处的区域(B)及采空区倾向两边界区域(C),(D),但在靠近煤壁侧的区域(A)的中心位置的突水风险最高,这与试验观察到的"孔隙水主要经工作面煤壁斜下方底板渗透入采空区底部裂隙岩体"及模拟的"承压水沿采空区边界两侧的底板岩体涌入"等现象均较为吻合。(3)试验观察到在工作面和开切眼附近的浅部底板中剪切、竖向裂隙较发育,而采空区下方岩体出现层向裂隙,且最大损伤深度为12.8 m,略小于理论计算和数值模拟结果 13和15.875 m。研究结果揭示了采场底板易发突水部位及突水风险,可为矿井底板突水治理提供一定的理论依据和参考价值。     

承压水上开采煤层底板隔水层裂隙演化 规律的试验研究

 奥陶系岩溶水是我国华北矿区煤矿安全生产的一大隐患,而带压开采是开采受底板突水威胁的煤层的有效方法之一。为深入分析承压水上煤层底板突水的危险性,自主设计煤层底板承压水水压加载系统,实现采用压力水袋对底板隔水层的承压水作用的物理模拟;分析底板隔水岩层的变形及破坏特征,得到底板隔水层的裂隙产生、发育直至导水通道形成规律。研究结果可为揭示承压水底板突水的力学机制提供参考。     

深部岩体断层滞后突水多场信息监测预警研究

断层滞后突水由于其特有的隐蔽性及滞后性特征,突水灾害防治难度较大。针对王楼煤矿断层滞后突水防治工程,开展深部岩体多场信息监测预警研究。深入分析地下水来源及导水通道,在此基础上划分采动过程中断层滞后突水不同阶段,结合隔水关键层理论及物探结果,确定监测预警时间域与空间域,划分温度场、渗压场监测阈值,建立监测预警判识准则;串联传感器组合成监测单元,采用返浆工艺对钻孔分段封堵,实现传感器精确高效安装,通过煤矿安全光纤监测系统实现井上在线监测预警。监测预警结果表明,断层隔水煤柱有效控制断层内裂隙扩展,减弱了断层破碎带导水特性,依据深部岩体监测预警判识准则,工作面开采过程中预警等级为I级,可实现安全开采。研究成果对类似工程具有一定的借鉴意义。     

承压水上含隐伏断层突水动态监测物理模拟研究

为深入研究底板裂隙扩展与隐伏断层递进导升突水动态规律,研制了一种煤层底板破坏与递进导升协同突水定点动态监测系统,该系统由恒压加压装置、递进导升定点定量观测装置、导升水量定量采集装置、应力检测系统组成,直观实现底板不同位置处煤层底板破坏与承压水递进导升的情况,揭示了采场底板破坏与递进导升协同突水机理及两者之间时空演化规律。试验结果表明：随着工作面推进,隐伏断层递进导升过程经历了自然导升段、递进导升段、强化导升段以及贯通阶段4个阶段,与煤层底板岩体裂隙发育的速度和规模有着重要关系,当采动应力卸荷出现峰值时,递进导升程度加强且水量增加,底板岩体卸荷程度与递进导升强度和动态监测管出水量同步达到峰值。     

煤层底板陷落柱突水模拟及机理分析

岩溶陷落柱是中国北方型石炭二迭系煤田的一种特殊塌陷，广泛分布于20个煤田45个煤矿区，其导致的突水具有隐蔽性、突发性且与岩溶水有天然联系等特点，对煤矿安全生产危害极大。为研究煤层底板陷落柱破坏特征及突水机理，采用FLAC^3D模拟分析了陷落柱影响下采面推进过程的不同阶段。数值模拟及实验显示，由于陷落柱的面积有限，矿压和水压力联合作用下使其发生弯曲并形成拉张破坏的可能性较小，一般产生剪切破坏，虽然升、降错动产生的剪应力、上凸弯曲产生的拉应力和压应力的三重作用导致煤层底板岩层失稳破坏，但以剪应力作用为主：同时，陷落柱的存在改变了煤层底板的地质环境和岩体结构，底板有效隔水层厚度减小，岩体强度降低，应力．应变分布不均，局部应力集中系数增大，使关键层的最小主应力进一步降低，一旦承压水压力大于关键层的最小主应力，承压水的渗水软化和压裂扩容即起作用，使底板岩层破坏裂隙沿最薄弱方向进一步扩展，导致裂隙贯通，最终形成管涌，发生突水。特别是，陷落柱的边壁、工作面底板压缩区与膨胀区的分界线重合在一条线上时，是底板岩层发生剪切破坏的最佳状态，最容易发生底臌突水。     

Porosity zoning characteristics of fault floor under fluid-solid coupling

During exploitation approaching to faults structure, due to the influence of mining stress, the rock mass inside the fault zone and between the fault and the coal pillar is prone to damage and activate, so it is the key research and protection position. The dynamic response of faults is closely related to the failure process of rocks, and the influence of the change in mining-induced stress will also result in the differential distribution of the mechanical properties of floor, and ultimately affects the failure of floor and the outburst process of the confined water. In order to quantitatively analyze the influence of mining pressure on the porosity change of floor and water pressure distribution in coal seam mining process, the change characteristics of rock material mechanics parameters such as Young’s modulus, porosity, and permeability under the action of mining disturbance and confined water pressure were studied. A similar material simulation study on the water pressure and stress distribution of floor at different depths under different mining distance conditions was carried out. According to the results, the energy dissipation of coal floor rock mass is closely related to the change of porosity. Meanwhile, the changes in the porosity of rock mass under the action of uneven water pressure and the partition and distribution model of pore water pressure of the floor were established. When mining is carried out near the faults, the spatiotemporal position when and where the upper and lower boundaries of the fault zone in the lower water-resisting layer release energy at the same time is critical to the occurrence of water inrush.

     

断层倾角对断层活化及底板突水的影响研究

 针对含断层缺陷底板的受力特征,建立相应的简化力学模型,分析得到断层面上的剪切应力和法向应力表达式,并研究断层倾角对断层面上剪切应力、法向应力及断层活化的影响规律。同时运用RFPA2D-Flow软件,模拟不同倾角的正断层在采动影响下底板的裂隙分布、渗流分布及采空区底板涌水量变化特征。模拟结果在一定程度上揭示含断层构造底板突水通道的形成机制及断层倾角对底板突水的影响规律。研究表明,断层倾角越大,断层越容易活化与突水。研究结果对采场底板含断层缺陷时防水煤柱的留设具有重要的参考价值。     

采动影响下强充水型隐伏岩溶陷落柱 围岩变形与渗流场数值模拟

 通过引入孔隙水作用于围岩的体积力项 ,采用弹塑性本构模型和达西渗流模型,有限元数值模拟和分析存在一穿透煤层的强充水型隐伏岩溶陷落柱时的带压开采过程中,煤层围岩的变形和渗流场随采煤工作面逐步接近陷落柱时的变化规律,探讨孔隙水压力对围岩变形的影响,并分析在存在岩溶陷落柱条件下的合理防水煤柱预留距离。数值模拟结果可为含特殊地质构造煤层的开采设计提供依据,同时为进一步的流固耦合作用和煤层底板突水机制的研究以及防水煤柱的留设提供一定的参考。     

开滦范各庄井田突水特征及煤层底板 突水地质条件分析

 煤层顶底板突水危险性预测与评价是煤矿突水灾害防治的基础和依据,以开滦范各庄井田为依托,从促发与阻抗突水2方面系统分析矿井突水特征和12～14煤层间砂岩裂隙含水层厚度及其特征、突水介质条件(岩性、层间距)和突水构造条件,建立煤层底板突水与地质条件之间的相关关系和模型,并探讨控制机制。研究结果表明,本区发生突水的水源以12～14煤层间砂岩裂隙承压含水层为主,其砂岩裂隙含水层的厚度由井田的浅部向深部增厚;含水层水压随其埋藏深度的增加而增高,呈线性相关关系,且富水性增强。煤层底板隔水性能取决于隔水层厚度及其泥岩百分比含量,底板泥岩极限厚度与水压之间呈正相关关系,随着底板泥岩厚度的增加,泥岩层抵抗水压的能力增强,隔水性能变好,且完整底板泥岩层的抗水能力明显大于含裂隙的底板泥岩层。突水与构造密切相关,突水点最大涌水量与断层密度呈正相关关系。断层突水是由于断层对煤岩层的破坏作用导致在断层附近煤岩层裂隙和孔隙增加,力学强度大幅度降低的结果,且受控于区域构造和现代构造应力环境。这些成果为井田12煤层底板突水危险性评价与预测和井下突水防治提供理论依据。     

范各庄煤矿砂岩岩体结构数字识别及参数表征

 借助先进的3GSM三维岩体不接触测量技术,对范各庄煤矿12煤底板砂岩岩体结构面进行现场测量,获取一系列真实描述岩体宏观结构的数字图像,提取节理几何形态空间分布信息,建立三维岩体结构面空间分布模型。在此基础上,得到砂岩岩体结构面联通网络,基于离散介质渗流方法和现场水文试验数据,建立岩体水力学参数表征方法,得到宏观岩体水力学参数,并分析参数的尺寸效应,实现岩体结构参数(几何形态)数字信息与水力学参数的定量表征有机衔接,为范各庄煤矿12煤底板砂岩岩体结构稳定性分析和突水危险性评价提供更加真实、可靠的数据支持。     

底板突水危险性评价专家系统及应用研究

 矿井底板突水危险性评价涉及到水文地质、工程地质、开采条件及岩石力学等诸多因素,是一个复杂的理论与技术问题,底板突水危险性评价专家系统正是针对这一难点,将底板突水领域专家经验和理论成果等与计算机人工智能技术相结合,采用突水系数法和突水优势面两条推理途径,提出并运用典型突水案例加权类比的推理策略,初步具备了底板灰岩岩溶发育状况与隐伏断裂构造的预测功能。系统建立内容较为丰富的典型突水案例、专家经验、突水研究理论成果和防治水措施等四类知识库,能够对矿井是否会发生底板突水、突水点位置以及突水类型等做出预测与评价,并具有较强的咨询功能。应用该系统进行实际突水案例的模拟分析,评价结果与实际情况吻合较好。底板突水危险性评价专家系统将对矿井底板水害防治具有一定的实用价值。     

煤层底板导水裂隙演化规律的电法探测研究

 通过试验测定不同岩样在充水条件下应力–应变全程电阻率的变化,给出在采动过程中煤层底板岩层产生导水裂隙时的导电性变化规律,并以此为基础建立底板采动导水裂隙带动态演化地电模型。利用三维电法正演软件对此地电模型进行正演数值模拟,得出煤层底板导水裂隙演化过程中的视电阻率响应特征,为矿井电法数据采集系统设计和资料处理解释提供理论依据。依据全空间高精度三维电法测量的思想,提出煤矿底板导水裂隙带动态监测系统的设计原则和技术要求,为现场实际工作条件下煤矿底板破坏裂隙带动态监测系统设计提供依据,并成功用于安徽一矿底板破坏导水裂隙带演化规律的探测。实测结果表明,采用三维电阻率法探测(监测)底板导水裂隙带演化过程效果明显,能显示出底板在回采过程中变化破坏情况,有利于煤矿底板突水预测和突水防治措施的制订。