基于应力-渗流-损伤耦合作用的煤矿突水模拟

突水是影响煤矿安全生产的重大灾害问题之一。本文以山西阳泉煤矿顶板突水为例,考虑突水破坏过程中岩体损伤的判别依据,及其对煤岩体力学性质的影响,建立应力-渗流-损伤耦合模型,阐述了煤岩体破坏的损伤演化过程与渗流突水机理。结果表明,顶板岩体损伤区域贯通、两侧裂隙网络交汇是造成阳泉煤矿顶板突水的根本原因。在此过程中,煤岩体中的裂隙延展、渗流状态与应力演化之间的相互作用,导致岩体损伤破裂形成贯通性的导水通道,诱发突水灾害。研究结果为矿山隔水煤柱的留设提供了依据,也为煤矿顶板突水问题提供了研究思路。     

岩体突水通道形成过程中应力-渗流-损伤多场耦合机制

突水通道形成的渐进性破坏过程是煤矿突(透)水机理研究的关键问题,采动扰动和地下水双重作用下岩体的持续渗流-损伤行为导致破裂通道最终形成.采用可考虑地下水作用下岩体拉剪和压剪双重破坏准则的计算程序,真实再现承压含水层与巷道之间隔水岩体的采动裂隙萌生、扩展、贯通直至破裂通道形成的灾变演化过程,通过对岩体应力场、渗流场和损伤场的耦合演化过程进行分析,实现了对突水通道形成轨迹的准确定位,揭示了突水通道形成过程中岩体应力-渗流-损伤的耦合机制.数值实验结果表明:采动影响下持续的应力-渗流-损伤耦合作用诱发岩体强度降低导致突水通道最终形成,隔水岩体历经了群裂纹萌生、扩展和贯通的渐变过程;通道贯通前,岩体破裂损伤能量激增,通道部位岩体剪应力急剧下降,渗透系数和流量则急剧上升,各物理场均孕育了不同程度的突水前兆信息.     

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。     

富水覆岩采动裂隙扩展及潜水渗流过程模拟研究

采用固—液耦合相似模拟实验的方法,研究煤层开采中因顶板垮落、放顶垮落造成的顶板突水通道的变化规律。结合工程实践,系统分析了工作面富水覆岩因采动岩体裂隙动态发展的普遍规律、分布特征及含水层潜水的渗流过程;对煤岩体的变形和裂隙渗流机理进行了初步的探讨,可为煤矿顶板突水防治提供理论依据。     

岩体破坏突水失稳的水压致裂机理及工程应用分析

首先从渗流-损伤耦合角度深入研究水压致裂破坏机理,探讨水压致裂过程的渗流-损伤耦合效应,提出了研究水压致裂的难点是破坏模式及失稳压力的确定.针对矿山采动岩体破坏突水问题,系统解释了渗透系数、有效应力系数在突水机理研究中的工程意义.其次,通过对煤层开采过程中底板突水实例模拟,分析了渗流-损伤耦合作用,从稳态和瞬态两个方面探讨了不同有效应力系数条件下煤矿底板突水过程的渗流-损伤耦合效应.研究结果表明:岩层破坏突水不仅和岩层的应力状态和力学强度密切相关,而且还受控于岩层的渗流力学指标;煤层底板有效应力系数越大,突水失稳临界水压越小;渗透系数越大,突水失稳临界水压越小,这对深刻理解岩体破坏突水的渗流力学本质和突水系数的内涵,具有重要的理论和实用价值.     

破碎岩体应力-渗流耦合模型及数值模拟研究

为了解决地下矿山岩体防渗及顶底板突水问题,设计破碎岩体应力-渗流耦合试验,分析岩体破坏特征及渗透率变化特征,并揭示应力-渗流耦合试验中岩体的致灾演变规律;结合D-P准则演化推导岩体应力-渗流耦合力学模型,从力学角度解释岩体破坏过程;推导应力-渗流耦合模型在FLAC3D中的有限差分程序,实现耦合模型的二次开发应用.研究表明:岩体的渗透率变化规律可划分为4个阶段(孔隙压密阶段、弹性变形阶段、塑性强化变形阶段及破坏后阶段),其中在塑性强化阶段渗透率产生明显提升并持续增长;增大孔隙水压,岩体泊松比上升,弹性模量下降,破坏角减小,岩体弱化效果明显,破坏形式由主剪切破坏逐渐向次生裂隙的张拉剪切破坏过渡;增大孔隙水压,模型参数F0和m分别以指数形式减小和增大,岩体峰值强度降低,高压水的存在使得岩体劣化程度增加,增大了裂隙发育程度,从而导致突水致灾危险性增加.     

采动煤岩体瓦斯渗流-应力-损伤耦合模型

基于摩尔-库伦屈服准则构建了煤岩体弹塑性损伤本构模型,以损伤变量为过渡变量构建了采动条件下煤岩体渗透率-损伤演化方程,运用采动岩体力学、渗流力学、损伤力学等理论建立了采动煤岩体瓦斯渗流-应力-损伤耦合模型,采用FLAC3D软件设计出采动煤岩体瓦斯渗流-应力-损伤耦合计算程序,将所建立的采动煤岩体瓦斯渗流-应力-损伤耦合模型对顾桥煤矿远距离保护层开采下的瓦斯渗流规律进行了数值模拟研究。结果表明,受采动影响被保护层透气性系数为原始透气性系数的1 760倍,瓦斯压力由原来的2.8 MPa降低到0.6 MPa,消除了被保护层的煤与瓦斯突出危险性。     

矿井岩溶突水灾变机理

结合湖南娄底市七一煤矿石坝井岩溶突水、突泥实例,运用损伤力学及岩体流体力学理论,研究矿井岩溶突水的渗流-损伤-断裂耦合成灾机理,通过FISH研制矿井岩溶突水的渗流-损伤-断裂耦合分析程序（扩展FLAC3D模型）,对七一煤矿岩溶突水成灾过程进行耦合分析,探讨巷道掘进过程中围岩渗流场和岩柱的劈裂损伤演化规律。耦合研究认为：七一煤矿石坝井岩溶突水事故是裂隙渗透压与围岩次生应力场共同作用下茅口灰岩岩柱损伤演化;在高渗透体积力与围岩次生应力的耦合作用下,处于全损伤状态的岩柱水力劈裂导致矿井岩溶突水成灾;耦合分析发现矿井岩溶突水具有渗透系数突变、渗透体积力突变及位移突变等特性。探讨了防范矿井充填型溶洞突水高风险的应对措施及合理的岩溶突水临界岩柱。     

应力-渗流耦合下煤层开采底板突水特征

为进一步分析煤层开采底板承压水突出机理,通过采集煤层开采过程中的前兆信息,基于固体力学基本方程及达西定律,建立了含裂隙岩体的应力-渗流耦合数学模型。结合某煤矿监测信息,分析总结了底板岩体材质、力学信息等,为突水提供前兆信息,此外,利用RFPA-Flow软件模拟了在不同水头压力和围岩压力作用下原生裂隙扩展、贯通的动态过程,为有效防治矿井底板突水,确保矿井安全生产提供参考。     

顶板型老空突水模式及导水通道演化机理研究

煤矿顶板型老空水害具有很强的冲击力和破坏力，研究老空区水体下覆岩突水通道的演化规律对老空水害防治具有重要意义。以山西某矿8446工作面老空突水事故为例，采用相似模拟与数值模拟方法，探究煤层顶板覆岩结构破坏与水力学之间的耦合规律，揭示了突水通道形态演化机理。研究结果表明：顶板老空突水过程经历了初始渗流阶段、裂隙渗流阶段、管道流突水阶段；初始渗流较应力峰值显现时滞后约3 m，水流沿采动裂隙向下运移平均渗流速度为4.056 m/d，滞后性和渗流速度可作为突水事故关键预警信息；通过流固耦合数值模型的模拟，突水通道位于矩形梯台压实区的四周，与现场实际突水位置基本一致。     

煤层顶板突水过程模拟分析

为预防煤层开采面临的顶板突水灾害,提高煤层顶板离层水害防治效果。以范各庄煤矿9号煤层突水实例,利用RFPA^2D数值模拟软件,模拟了煤层顶板受采动和围岩应力影响后突水的全过程,分析了范各庄煤矿回采9号煤层时的顶板突水原因。结果表明,范各庄煤矿9号煤层突水是矿山围岩应力、采动影响和含水层水力梯度共同作用的结果,煤层顶板受应力场和渗流场的影响,隔水层中的裂纹逐渐产生、扩展、贯通,直到顶板失稳,并形成导水通道,导致突水灾害发生。     

范各庄矿5煤顶板破坏及突水模拟研究

根据范各庄5煤顶板的水文地质条件,应用岩石破裂过程渗流-应力耦合分析系统(RFPA2D-Flow)模拟采动条件下顶板损伤、破断的演化形成全过程.通过对损伤区和应力场分布及顶板水流量变化曲线进行分析,揭示了开采扰动及水压驱动下完整泥岩顶板由隔水岩层到突水通道的演化机理.同时,讨论了隔水泥岩层厚度与顶板突水的关系.结果表明:顶板存在大范围的拉应力区域,含水砂岩和顶板泥岩交界应力集中是造成顶板突水的关键;顶板隔水泥岩层的强度不足以起到关键层的保护作用,对采场保护不够,应对顶板泥岩层进行加固或留设防水煤柱.     

基于RFPA数值模拟的底板突水危险性评价

为解决杨村煤矿十采区下组煤开采受底板突水威胁问题,运用RFPA数值模拟软件对杨村煤矿十采区16上煤层开挖过程中的底板破坏规律进行了研究。通过建立符合实际条件的数值模型,计算出了煤层在分步开挖过程中底板受矿井压力作用影响下的破坏深度和发展规律。在此研究基础之上,利用考虑煤层底板破坏深度的突水系数法对研究区煤层开采过程中的底板突水危险性做出了合理评价,并将研究区划分为较危险区和危险区2个等级。该研究成果为杨村煤矿十采区16上煤层的安全开采提供了可靠依据,可以有效地指导采区开采过程中的底板水防治工作。     

煤矿突水行为研究系列试验装置研发及应用

随着煤矿开采深度和强度的不断提高,矿井面临底板突水、顶板突水和构造突水等多方面的挑战,针对不同类型突水机理及灾变模式利用现场监测等手段难以进行研究,因此采用实验室物理模拟试验手段成为解决研究此类复杂问题的关键。针对该问题,山东科技大学自主研发了采动煤层底板突水相似模拟试验系统、采动顶板涌水溃砂模拟试验系统、岩石应力渗流耦合真三轴试验系统等一系列试验设备,建立了突水行为研究实验室,利用物理试验实现了对矿井突水问题的探讨。系统实现了模拟高水压和高应力作用下的底板岩体破裂演化过程,获得了底板突水致灾演化规律和内在机制;实现了对水岩耦合作用下采动顶板突水溃砂灾变特征分析,透过试验机清晰地展现了煤层开挖后上覆岩层空间形成的结构形态和水砂突涌通道的分布形态;为模拟提供了深部高应力、高水压的加载环境以及独立伺服控制的三维应力,实现了全数字化的数据采集过程,获得了岩体裂隙扩展演化规律和破裂过程的声发射行为。     

特厚煤层开采顶板突水危险性预测及防治措施

在分析朱仙庄矿水文地质条件的基础上,采用经验公式、数值分析、相似模拟等方法,分析了8105特厚煤层工作面覆岩顶板的裂隙发育过程,考虑采动应力与渗流的耦合作用,研究了随工作面的推进上部含水层的渗流演变规律,进而对顶板突水危险性预测。结果表明:随工作面不断推进,8105回采工作面采空区裂隙发育高度为72m,与经验公式法的计算结果基本一致;通过数值模拟分析得到含水层受采动影响发生渗流现象,孔隙水未进入到回采工作面采空区;对相似模拟、数值模拟所得结果进行综合分析,裂隙最大发育高度与岩层孔隙水之间的距离为15m。为保证8105工作面的正常回采,本文提出了"预先打孔监测钻孔涌水量""留设合理防水煤柱""不良钻孔及时封堵"等防治措施,研究结果对类似工程条件下的煤层开采具有一定的借鉴意义。     

厚硬火成岩下突出煤层动力灾害致因研究

针对海孜煤矿主采煤层顶板上部厚层坚硬火成岩造成的突水、瓦斯突出、冲击地压和地表沉陷等煤岩动力灾害,采用煤样SEM（扫描电镜）分析、组分和反射率测定等方法,研究了厚硬火成岩下突出煤层物性参数特征,采用板应力拱平衡理论研究了采动离层裂隙发育规律,采用梁结构破断弹性理论研究了厚硬火成岩对冲击地压和突水的影响,以揭示厚硬火成岩下突出煤层动力灾害的致因。研究结果表明,巨厚火成岩的热演化和圈闭作用,导致下伏各煤层孔隙发育,吸附瓦斯能力增强,各煤层突出危险性增加;厚硬火成岩为矿井主关键层,受采动影响能长期保持不断裂,其下伏煤岩层的裂隙与离层能长期不闭合,能为卸压瓦斯抽采创造条件;但随着煤层的持续和大面积开采,厚硬火成岩突然破断滑落,破断过程中释放出大量能量并向周围传播,容易引起冲击地压、矿井水灾、瓦斯突出及地表沉陷等复合型动力灾害。     

富水覆岩长壁综放开采矿压显现规律研究

为了进一步研究富水覆岩长壁综放工作面推进过程中的矿压显现机理,以大佛寺煤矿40301工作面为工程背景,采用相似模拟的方法,研究工作面推进过程中的矿压显现规律,并掌握上覆岩层在工作面推进过程中变形破断和裂隙发展规律。研究表明,综放工作面上覆岩层矿压显现明显,基本顶初次来压和周期来压步距分别为63~72 m和27~33 m,在工作面的推进过程中,上覆岩层的裂隙发展会波及洛河组砂岩,可能会对采空区和工作面产生一定程度的危害。研究结果可为大佛寺煤矿综放开采提供理论依据,对同类地质条件下的综放开采有一定的借鉴意义。     

采动煤层顶板碎屑岩类含水层富水性评价方法及应用

砂(砾)岩等碎屑岩类含水层广泛发育于含煤地层中,矿井建设及煤炭资源开采过程中引发的突水事故严重威胁了煤矿安全生产,碎屑岩类含水层富水性评价成为矿井水害防治工作的重要工作。本文选取岩层结构与地质构造2个指标作为碎屑岩类含水层富水性的控制因素,提出岩性结构系数量化含煤地层岩性及其组合关系,引入分形理论定量评价地质构造复杂程度,基于此构建含水层富水性评价模型,依据矿井已有工作面突水资料,确定含水层富水性分区阈值及其等级划分标准,形成了碎屑岩类含水层富水性预测方法。研究成果成功应用于高庄煤矿湖下3上1煤层顶板砂岩含水层富水性评价工作中,取得良好效果。     

Experimental Simulation of Fault Water Inrush Channel Evolution in a Coal Mine Floor

Mine water inrush is very common in China and can cause hysteresis and severe damage. The entire process of crack formation, concealed fault propagation, and evolution of a water inrush channel with high pressure water directly beneath the mine floor was physically simulated based on fluid–solid coupling mechanics and solid materials research. Activated materials were used to simulate fault damaged rock, including soybeans, sand, Vaseline, and calcium carbonate. The results indicate that water channels are mainly caused by the connection between tectonic rock zones and coal floor cracks, which are the direct cause for water inrush. Furthermore, the lagging water inrush mechanism from the coal floor in a confined water body under both a stress field and a seepage field were revealed. The formation of the water inrush path with temporal and spatial variations was analyzed by interpreting the monitoring data and phenomena. The data showed that the floor stress in front of the working face increased and was affected by the abutment pressure, and that floor stress under the mined-out area began to decrease simultaneously. The stress of the upper wall showed a drastic drop while the stress of the footwall continued to decline and then stabilized after the water inrush. This work provides new approaches and knowledge for research on deep mining water inrush structures.