煤层围岩破裂过程中的自然电位响应

煤层开采过程中,围岩破裂伴有电子逃逸现象,引起自然电场的变化。通过建立数值模型与设计岩层开采模拟实验,发现岩层裂隙发育部位自然电位降低,且裂隙发育越完全电位越低;岩层压缩区自然电位升高。煤矿开采过程实际监测发现：在煤层顶板“三带”中,垮落带自然电位低,且变化比较稳定;断裂带自然电位表现较为不稳定,变化频繁;弯曲下沉带表现为高电位,且极为稳定,变化较小。     

采动围岩边界时变过程特征分析

煤矿采动围岩的破坏、断裂和垮落是具有代表性的时变边界过程．本文针对俄霍布拉克煤矿实际情况,介绍了RFPA软件模拟采动围岩破坏、断裂和垮落过程的思路．分析了煤矿采动围岩时变边界问题的基本特征,对时变边界系统的力学行为进行了数学描述,研究表明：1）采动围岩的边界变化不单是开挖造成的,岩层的弯曲、断裂和垮落是造成边界时变的主要原因;2）巷道的掘进和煤层的开采打破了围岩原有的平衡状态,引起自由边界的局部破坏,并使靠近自由边界的裂纹急剧扩展,造成围岩承载力连续下降．承载能力的连续下降反过来造成自由边界的不断变化;3）采动围岩边界的不光滑性、内部的原生缺陷和因采动引起的断裂面分布的复杂性,数值方法是研究采动围岩破坏、断裂和垮落过程的首选方法;4）RFPA软件虽然不是基于时变边界动力学的概念开发的,但是可以定性地反映围岩由于破坏、垮落形成的时变边界以及边界变化对后继位移、应力场的影响．     

采动影响下巷道围岩变形特征及支护技术研究

为解决采动影响下的巷道围岩应力集中、变形大等支护难题,以华润煤业205运输顺槽为例,采用FLAC3D数值模拟软件,分别对工作面顺槽受采动影响前和受采动影响时围岩屈服破坏情况、垂直应力分布、垂直和水平位移特征进行分析,得出205运输顺槽受采动影响时的最优支护方式和参数,并且成功用于工程实践.     

采动下断层岩体响应演化及顶板安全控制研究

为解决大庄煤矿3802综采工作面过大落差断层围岩控制难题,采用理论分析、数值模拟的方法,研究了采动下断层岩体活化响应力学机制,分析不同推进距离下断层两盘岩体的应力及变形演化规律。结果表明：断层结构与煤层开采之间相互作用是断层活化的力学关键,动静载荷在断层积聚形成了断层解锁活化的能量条件。顶板悬顶越长,两盘受力由受压转为受拉,断层岩体裂缝发育贯通并沿断层面张开。提出直接通过时上下盘围岩分区域控制原则和调整回采参数、加强支护和破碎区注浆为主的控制技术,工作面安全通过了断层区,取得了显著经济效益。     

采动渗流场分析方法

煤炭高强度开采中含水层保护是绿色安全开采的难点,采动局域渗流响应规律则是含水层保护方法与技术的认知基础。研究采用多场源耦合分析思路和有限的矿区水文观测数据,通过剖析开采行为与渗流场响应耦合关系,构建采动局域地下水系统和分析采动渗流场时-空演化规律及采动-渗流耦合累积效应,结合典型案例分析,形成适于矿区地下水保护的采动渗流场分析方法。结果表明：(1)分析提出基于“开采激励-覆岩应变-渗流场响应”耦合和开采动能量与渗流场势能量传递关系的采-渗耦合机制,构建了描述采动局域渗流场状态的采动渗流系统(MSS)和采动渗流场的导通区、扰动区和辐射区划分架构;(2)构建集导通区“柱状渗流模型”和扰动-辐射区“井-渗”态模型为一体的采动渗流场分析简化模型,提出采-渗耦合系数、采动渗流量、视导水系数、源-位距等采动渗流场描述参数,含水层损伤、安全开采风险等含水层保护分析参数;(3)揭示采-渗耦合系数是影响局域采动渗流响应特征的关键因子,发现硬岩类较软岩类覆岩耦合强度和影响范围大,低导水性较高导水性含水层的采动渗流场响应区域窄、频度高和累积影响距离近,采动渗流量和介质导水性等响应显现周期性、振幅波动性和涌流...     

采动影响下巷道围岩变化特征研究

应用FALC~(3D)数值模拟软件,对凤凰山矿15号煤层区段平巷道围岩变形特征进行了模拟研究,分析了区段平巷在掘进、上区段及下区段工作面回采过程中,上下区段平巷围岩变形特征,对于合理布置15号煤层区段巷道和选择有关参数具有指导意义。     

极近距离煤层群重复采动围岩力学特征研究与应用

采用相似材料模拟、数值模拟和现场应用的综合方法对极近距离煤层群重复采动极易引发动力灾害问题进行了研究。结果表明：煤层群重复采动过程中下伏工作面推进至85m时顶板与上伏工作面采空区出现贯通,导致下工作面周期来压呈不规律现象|下伏工作面前垮落角随着工作面的推进整体呈下降的趋势,后垮落角呈上升的趋势,且都在工作面推进至85m左右时角度发生明显变化|与初次采动相比,重复采动过程中应力集中程度相对缓和,卸压区域影响范围较大,当工作面推进至初次采动工作面煤柱影响区附近时,容易引发应力急剧增长及强动压现象。提出了“时间-空间-强度”相统一的极近距离煤层群重复采动条件下工作面强动压现象防范措施,保障了工作面的安全生产。     

采动底板裂隙渗流演化规律数值分析

 基于桃园煤矿10煤层的赋存和水文地质条件,采用离散元数值计算,分析了采场底板应力分布、变形和塑性特征,研究了采场底板渗流压力场、流量场分布特征。结果表明：采动影响深度为45m,塑性区深度在工作面底板以下17m,当工作面接近底板奥灰岩含水层,岩体结构较容易破坏失稳,形成渗流通道。现场依据数值计算结果,设计了疏水降压和注浆加固底板控制技术,确保了赋水条件下煤层的安全回采。     

东荣二矿采动回采巷道围岩控制技术

以东荣二矿为工程背景,采用理论分析、实验室试验、现场工业试验相结合的方法,通过对采动回采巷道围岩控制技术的研究分析,归纳提出了适应于东荣矿区煤层地质及生产技术条件的采动回采巷道围岩控制技术,解决了东荣二矿在生产接续形势紧张的情况下,出现的采动回采巷道围岩控制技术难题,保证了东荣二矿的正常生产。     

采动条件下煤体渗流特性试验及应用

为准确判断高瓦斯低透气性煤层瓦斯采动卸压抽采的有效区域,进一步提高瓦斯抽采效果,采用渗流试验和理论分析的方法,研究了煤层采动过程中煤体渗透率随应力的变化规律。结果表明:在受采动影响不同阶段,含瓦斯煤体渗透率随应力变化呈现明显的阶段差异性。在煤体弹性变形阶段,煤体渗透率随应力的增加逐步降低;在煤体达到屈服点至煤体破坏阶段,随着应力的升高,煤体发生塑性变形,煤体内产生采动裂隙,渗透率开始缓慢提升;在煤体破坏后,煤体处于卸压状态,煤体渗透率随着应力的降低大幅提升。最后,通过现场本煤层瓦斯抽采效果分析验证了采动煤体渗流特性试验结果的正确性。     

水沙混合物裂隙渗流特性分析

水沙在裂隙或破碎岩石中的渗透特性具有复杂性,研究水沙裂隙渗流特性对于揭示突水溃沙机理具有重要意义。利用自制的水沙裂隙渗流试验仪器,通过改变沙粒径、浓度等因素进行水沙渗透试验,获得水沙在裂隙中流动的滞后性特征。通过水沙裂隙渗流试验,得到了岩石裂隙中水沙渗流速度-压力梯度滞环曲线,分析了滞环曲线的特征,简单解释了滞后现象的原因。得到其渗透压力梯度与渗流速度在一个循环周期内形成了一条封闭滞后曲线,根据曲线的是否有交叉和往返曲线的距离分为4种变化类型;随沙粒径和沙浓度增大,曲线由Ⅰ型向Ⅳ型转化。滞后性指标用最大滞后量G_p和滞环面积S描述,随沙粒径和浓度增大,这两者均呈增大趋势,但增幅并不同步。进一步,利用ANSYS Fluent软件进行水沙裂隙渗流场的数值模拟,获得了在不同因素影响下渗流场的变化规律。数值模拟结果表明,粗糙裂隙流场物理量随时间波动;粗糙裂隙中水沙流动受壁面约束作用,表现出流场物理量空间分布的随机性。模拟结果显示裂隙中水沙渗流场不稳定,渗流场的压力损失与沙粒径呈反向变化。裂隙横截面上水沙流体时均速度和湍动能分布受沙粒径和沙体积浓度影响很大,表现为极值点的位置偏移。此研究可以为进一步研究浅埋煤层突水提供参考。     

采动条件下一次场电位对地下水渗流响应的定量研究

针对矿井突水灾害预警需求,开展了稳态电场中一次场电位U对地下水渗流动态响应特征的研究工作,包括3种室内物理模拟实验和1项矿井现场试验,其中现场包括突水过程中的一次场电位U的测试和突水水量Qo的测试。均匀介质稳态渗流模拟实验和非均匀介质稳态渗流模拟实验都表明：固水二相介质饱水前,一次场电位U的变化包含2个阶段,在前一阶段,U与Qi具有二次相关关系,在后一阶段,U趋于稳定,不再随Qi的增加而变化。采动条件下的渗流模拟实验表明,采动条件下的渗流场演变可看成多段稳态渗流过程的接续,而每个独立的稳态渗流阶段内,U与Qi之间的关系都符合稳态渗流规律。现场试验表明在顶板突水过程中,探测区域出水量Qo与一次场电位U呈负的相关关系。     

Study on water loss of the surface stream affected by iongwali mining

In order to study the effect of Iongwall mining on surface stream water, monitoring stations of water flow rate was established. A lot of water flowing data were collected before, during and after Iongwall mining. Based on monitoring data, the effects of Iongwall mining on surface stream water were analyzed. The results demonstrate that Iongwall mining has effects on the surface stream water; and the stream water would be lost and decrease due to Iongwall mining but never go into underground through fractured zone. Also, the mechanism of water loss due to Iongwall mining was presented. The stream water can go into the surface cracks in the intersection of stream and surface cracks, longwall mining subsidence can change the surface stream slope and the downstream water flowing status. The results also show the effects of Iongwall mining on stream water are temporary and about one or two years later, surface stream water can be recovered.     

渗水厚砾石层斜井围岩破坏机理模型试验

以新疆伊犁一矿为工程背景,设计了物理模型试验,建立了渗水条件下厚砾石层斜井围岩破坏机理模型试验方法.实现了渐进加载作用下渗流状态时井筒围岩塌方破坏过程的试验模拟,并结合模型试验结果对渗流状态下井筒围岩破坏过程及破坏过程中围岩应力和围岩位移变化规律进行了分析.研究结果表明,渗流条件下,非耦合支护厚砾石层巷道顶板离层现象明显,围岩顶板下沉量大于两帮围岩位移量,支架上承受的荷载明显增加;同时由于围岩的自承力明显减少,强度明显较低,支架受力就会变得很大,支架容易失稳;不同级渗流条件下,渐进加载时顶板土压力变化最为明显也最大,两帮的土压力次之.     

采动影响下工作面深孔注水非线性渗流规律

针对采煤工作面深孔注水渗流理论方面仍存在不足,在分析了工作面应力分布状态及其对煤层注水特性影响的基础上,基于渗流力学理论对煤层注水非线性渗流方程进行简化与求解,通过分析其解的特性研究了注水压头、渗流速度、注水流量等的时空演化规律,并通过工作面注水实例对本文所得理论进行了验证。研究结果表明：深孔注水区域内的煤体处于卸载破坏区,该区域内的注水过程属于渗流层流,沿钻孔径向方向上的水力压头具有余误差函数特性,其渗流边界的扩展速度及钻孔注水流量均随时间逐渐减小;而沿钻孔深度方向上,随着煤体的渗透率的逐渐降低,钻孔周边的渗流速度逐渐减小,煤体的润湿程度也逐渐降低。     

渗水巷道掘进工作面冒顶机理及控制技术

为解决渗水巷道掘进工作面易发生冒顶事故的问题,基于化乐煤矿3号轨道石门发生渗水并且掘进后发生大面积冒顶的现象,采用岩石体力学试验、X射线检测和理论分析的方法研究此类巷道的冒顶机理。结果表明:围岩中含有易崩解膨胀的物质,巷道渗水出现岩石泥化的现象,导致围岩力学性能显著降低,不能有效支承顶板,针对该问题提出注浆控制技术、强力锚网索支护技术、喷浆技术,并采用浅孔注浆和深孔注浆工艺,使巷道顶底板和两帮移近量分别控制在122、106 mm以下,围岩稳定后锚索、锚杆锚固工作阻力分别达224、83~90 k N,有效控制巷道变形,保证围岩的稳定性。     

采高对工作面及围岩应力壳的力学特征影响

以谢桥矿1151(3)综放工作面工程地质和开采技术条件为背景，应用实验室相似材料模拟和计算机数值模拟（FLAC3D），对不同煤层厚度采场围岩应力分布规律进行系统的分析和研究，获得了采场围岩宏观应力壳力学特点和变化规律，即随开采煤厚的增大，应力壳的几何高度增加，壳基应力降低，分布范围增大且离工作面煤壁越远；揭示了煤层厚度对该力学特征的影响和综放与综采工作面及围岩宏观应力壳力学特征的差异，也正是综放工作面矿压显现不同于综采工作面的根本所在. 表明合理调整开采厚度和采场结构可改善采场围岩宏观应力壳的动态平衡，对保护工作面、减小矿山压力影响和显现有积极作用.     

烧变岩富水特征与采动水量损失预计

烧变岩含水层是榆神府矿区重要的生态水源。为研究采煤引起的烧变岩水量损失和烧变岩水保护问题,分析了烧变岩的分类、分布特征、水力联系和富水特征,运用数值模拟方法预计了采动引起的烧变岩水量损失,提出了烧变岩水"异地储存"的三种途径。研究表明:烧变岩可分为三大类五小类,烧结岩、类熔岩是主要储水载体;烧变岩分布受地形控制,规模受煤厚、出露高度和自燃条件影响,富水性受补给条件、排泄条件和储水条件决定;烧变岩含水层接受上覆含水层的补给,以泉和矿井疏放水的形式进行排泄;模拟得到需要疏放的烧变岩含水层水量和钻孔布设方案。在总结以往保水采煤经验基础上,提出采用水库储水、采空区储水和地表灌溉三种"异地储存"途径来保护利用烧变岩水资源。     

浅孔留矿法开采倾斜薄矿脉时围岩稳固性研究

浅孔留矿法适用于围岩中等稳固倾斜薄矿脉的开采。云南某金矿矿体赋存条件适合采用浅孔留矿法,但该矿回采指标极不理想。生产实践表明,采场围岩不稳固是造成回采指标不够理想的主要原因之一。为了研究围岩稳固性对回采指标的影响程度,必须研究岩体力学参数取值。运用Flac3D建立多种采场结构参数模型,加载后进行应力应变数据分析,模拟结果显示,在保持原有结构参数不变的条件下,将采场长度由32m增加到40m、顶柱高度由3m增加到5m,采场上下盘围岩在回采和放矿过程中能保持相对稳固。为了进一步证明模拟计算结论的可靠性,该矿就新方案进行了工业试验,结果显示,试验采场回收率达到70.31%,贫化率达到9.80%,与原有方案相比,回采指标有明显改善。可见,采用数值分析法来研究浅孔留矿法围岩稳固性,可以有效提高回采指标。     

双承压水间采煤顶底板破断及渗流规律

以山西某煤矿双承压水间下组煤开采为背景,针对煤岩应力-渗流耦合机理,采用相似材料模拟和离散元数值模拟,揭示双承压水间下组煤不同开采尺度下岩体断裂模式和渗流规律,提出顶板导水裂隙带发展模式,并建立底板“四带”形成与工作面开采过程的对应关系。研究发现：初采期间底板仅发育矿压破坏带,达到充分采动后,新增损伤带及采动导高带开始出现,新增损伤带主要集中于工作面下方。采动岩体应力-渗流耦合效应归结为：煤层开采导致顶板破裂和应力的降低,顶板岩体渗透性能增大,太灰水透过顶板裂隙渗入采空区和工作面;底板隔水层在奥灰高承压水的楔劈作用下发育导高裂隙并导升。当残余水头压力无法继续劈裂隔水层岩体抗拉强度,底板岩层重新恢复到应力-渗流稳定状态。