基于应力-渗流-损伤耦合作用下煤矿突水模拟

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,诱发突水灾害的产生。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。     

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。     

煤层开采底板突水通道形成的断裂力学机制探讨

针对华北型煤田采动变形破坏底板突水通道的形成机制问题,划分了4种底板隔水层岩体结构类型;分析了采动效应特征,研究了压剪破坏和拉张破坏两种岩体结构破坏形式;探讨了底板突水通道形成的断裂力学机制。结果表明:对于裂隙型底板岩体结构而言,底板突水说明隔水层中潜在突水通道转化为突水通道,即裂隙已经扩展贯通到采空区临空面;岩体结构变化是引起渗透率变化的根本原因,也是岩体丧失隔水性能的根本原因;应力集中区裂纹扩展属于压剪状态下的I型裂纹扩展,而卸荷区裂纹扩展属于拉剪状态下I-II型复合裂纹扩展。     

深部开采底板突水灾变模式及试验应用

深部采场高地应力、高岩溶水压和强开采扰动条件使得底板突水相比浅部采场形成特定构造、水-岩-应力及采掘工程相互作用影响下的复杂岩体水力学问题。基于不同地质构造受采动影响特征及其诱发煤层底板突水机理,将深部开采底板突水灾变模式划分为完整底板裂隙扩展型、原生通道导通型和隐伏构造滑剪型3种类型,并分析了对应的突水判据。研究认为完整底板裂隙扩展型归结于承压水影响下裂隙扩张造成彼此贯通引发承压水导升高度大于有效隔水层厚度,原生通道导通型归结于构造活化引发局部位移扩展与保护煤柱底板压缩区连通裂隙发生沟通,隐伏构造滑剪型归结于构造上方断面岩层失稳发生剪切破坏造成承压水以最短距离涌入采空区。利用深部采动高水压底板突水相似模拟试验系统探寻了3种突水灾变模式下突水通道的时空演变过程,验证了突水判据的准确性。     

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.     

采场底板陷落柱渗流突水数值模拟研究

针对东滩煤矿陷落柱柱体剖面揭示的形态学特征,为研究采动压力和渗透水压对陷落柱渗流突水的作用,建立了采场底板陷落柱突水的物理模型,并利用FLAC3D软件模拟分析了采场推进过程中应力场和渗流场的变化特征;通过模拟分析再现了陷落柱周边岩体破坏、损伤、渗流、突水通道形成的全过程,揭示了采场底板陷落柱渗流突水机理。     

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.     

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。     

采场底板高承压水突水“三场”演化研究

采场底板承压水严重威胁着工作面的安全生产。通过理论分析建立了裂缝尖端力学模型,推导了裂缝力学平衡方程,分析了高承压水上工作面回采引发底板突水的裂缝扩展条件;利用RFPA软件模拟分析了承压水上工作面回采期间围岩应力场、损伤场与渗流场的演化过程,揭示了煤层底板承压水突水机制。研究结果表明:导水裂缝的扩展条件是孔隙水压力与地应力的合力大于煤岩体内部黏聚力;采矿活动改变了围岩应力场分布,造成局部应力集中,并引发煤岩体内部损伤破坏,大规模突水后主应力比裂纹开始扩展时显著增大;内部损伤增强了煤岩体的渗透性,增大了渗流场影响区域。     

基于微震监测的董家河煤矿底板突水通道孕育机制

针对董家河煤矿工作面断层突水问题,通过构建工作面微震监测系统,对断层区域底板岩体微破裂信息进行分析,再现了过断层前后底板岩体微破裂萌生演化过程。同时将微破裂信息和岩石破裂过程分析系统RFPA2D结合,研究底板断层围岩导水裂隙带发育过程中应力场的变化规律。结果表明:①根据微震事件分布结果分析,工作面位于断层前方85 m时,底板断层开始发生微破裂。过断层前断层附近底板微破坏深度达到25 m,底板具有分段局部破坏特征;过断层后,最大微破坏深度为35 m,微破裂逐渐贯通。②基于微震能量密度分布结果分析,过断层前高能量密度集中区走向长度约15 m,位于煤层下方5～25 m,而紧邻煤层的5 m范围内的断层仍处于稳定状态。过断层后高能量密度区向上盘采空区及深部扩展,沿工作面走向扩展至上盘采空区约80 m范围内,深度方向扩展至煤层下方约35 m。③基于微震监测和数值模拟结果分析底板岩体破坏过程,将底板突水通道扩展过程分为过断层前和过断层后两个阶段,过断层前煤层下方25 m附近断层围岩首先发生微破裂,并沿断层向上扩展,煤层下方5～25 m发生局部微破裂但并未形成贯通;过断层后微破裂自上而下扩展并逐渐贯通,形成突水通道。④基于数值模拟断层应力演化规律分析,过断层前,断层剪应力为负值且逐渐减小,断层上盘有向下滑移趋势,深度越大剪应力越快达到最大,围岩自下而上发生压剪破坏。工作面位于断层附近时,剪应力方向迅速反转并达到最大,断层上盘在承压水作用下有上升趋势,围岩自上而下发生拉破坏且逐渐贯通形成导水通道。     

煤层底板下隐伏陷落柱的滞后突水机理

应用有限元数值计算方法,模拟研究了含隐伏陷落柱煤层底板在采动应力扰动和高承压水共同作用下陷落柱活化、裂隙萌生、裂隙扩张、突水通道贯通形成的全过程,通过对损伤场、变形场、应力场和渗流场的解读,对突水通道进行时空基准标定,并就陷落柱发育高度、承压水水压力大小对突水滞后时间的影响进行了分析探讨,从岩体在长期的环境影响、载荷作用下损伤演化、物理力学性能退化的角度,揭示了煤层底板下隐伏陷落柱的滞后突水机理.     

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.     

深部承压水上含隐伏构造煤层底板渗流路径扩展规律

针对邯邢矿区矿井开采深度逐渐加深与采动影响下隐伏构造活化而导致底板奥灰层突水威胁日益加重的问题,研究大采深、高水压条件下含不同隐伏构造类型底板高承压水的始渗条件和渗流路径扩展规律,以确定矿井底板突水条件及重点治理区域。从开采扰动、隐伏构造、承压水共同作用角度分析,根据典型突水矿井地质条件及突水原因分析,建立了含隐伏导含水构造的概化力学模型,通过断裂力学理论得出了含水裂隙的起裂条件、抗渗透强度及由主应力表达的裂隙扩展判据,应用弹性力学边界荷载在半无限板内传播的经典求解方法推导得出了采动应力与承压水压力耦合作用下含隐伏构造煤层底板的垂直应力、水平应力和剪切应力表达式,在所得应力分量基础上通过应力张量的不变量求解应力状态方程得到含水裂隙扩展判据中的主应力表达式,以邯邢矿区典型突水矿区地质与开采参数为例进行算例分析,通过编制Matlab计算程序计算得出底板裂隙的扩展路径。进而采用可模拟岩石破裂声发射且裂隙扩展可视化效果较好的RFPA数值软件进行验证分析,再现了底板渗流路径演化过程。理论计算与数值分析结果表明:隐伏构造的局部应力扰动作用影响了渗流路径的扩展方向,使3种类型底板分别呈现出不同的渗流路径,对于完整型底板,渗流裂隙由奥灰承压水层顶界面至采空区两侧边界呈"正八字"形向采空区扩展;对于隐伏陷落柱型底板,渗流裂隙沿陷落柱顶界面呈"倒八字"形向上发散式扩,至底板28 m深度时与采动裂隙贯通而停止扩展,其延线分别指向采空区两侧边界展;而对于隐伏断层型底板,渗流裂隙则沿断层延线的反向扩展,至底板30 m深度时与采动裂隙贯通而停止扩展,其延线指向工作面后方,在底板含水裂隙自下而上与底板采动裂隙自上而下联合扩展作用下最终贯通形成底板奥灰水至采煤工作面的渗流通道。基于理论计算和数值模拟得出的底板承压水渗流路径扩展规律,在实际工程中可结合微震监测技术来实时动态捕捉煤层底板隐伏导含水构造活化的前兆信息,进而实现底板突水路径的预测预报和快速重点区域治理。     

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。     

采动过程中底板岩层变形破坏与损伤机理分析

底板岩层在采动过程中的变形破坏取决于底板的应力场和原生缺陷分布。为了研究底板岩层破坏的细观机理,描述底板岩层的裂隙演化,在分析煤层底板应力环境的基础上,基于岩石工程破坏准则,采用连续介质损伤力学和几何损伤理论的研究方法将损伤、渗流及孔隙率演化等相互耦合的有效应力概念引入莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)破坏准则,建立了煤层底板脆性裂隙岩体介质在孔隙水压力作用下受采动影响的脆性动力损伤发展和孔隙率演变模型。并应用该模型对谢桥矿8#煤层开采过程中的底板变形破坏特征和裂隙水的迁移活动规律进行了脆性动力损伤分析。该损伤力学模型可用于煤层底板稳定性分析。     

破碎岩体非线性渗流突水机理研究现状及发展趋势

在收集整理国内外相关资料的基础上,从非线性渗流理论方程、非Darcy渗流试验和非线性渗流数值模型方法等方面总结目前破碎岩体非线性渗流突水研究现状,认为破碎岩体渗流具有突水通道的非Darcy渗流特性、3种流场(Darcy层流、非Darcy高速流及Navier-Stokes紊流)动力学系统的统一性和突水3要素(含水层水源的Darcy流、突水通道的非Darcy流和开采扰动作用)中的应力扰动特性。据此,提出了破碎岩体非线性渗流突水机理研究的发展趋势:从矿山采动岩体渗流突水3要素这一渗流特征出发,通过试验和现场测试研究不同围压、水力梯度和流速条件下破碎岩石渗流规律,建立考虑应力作用的耦合Darcy,Forchheimer和Navier-Stokes方程混合流场的模型,提出有限单元弱形式和有限体积法耦合积分解算混合流场方法,把采动应力作用下含水层、冒落岩体破碎带和巷道整个突水水流路径连接在一起,Forchheimer流域的边界流量压力是动态变化的,可以有效解决破碎岩体非线性渗流模型存在的问题,能比较合理模拟采动应力作用下矿山突水瞬态流动全过程。     

底板渗流应力耦合破坏与递进导升协同突水演变规律研究

为深入研究底板渗流应力耦合破坏与递进导升协同突水演变规律,应用FLAC3D固液耦合模式模拟隐伏断层底板岩体的应力分布、变形破坏特征、递进导升渗流规律及裂隙扩展突水机制.数值模拟表明:在矿山压力和承压水压力影响下,随着工作面开挖,打破原来开挖面周围荷载平衡,底板岩层节理裂隙经历张开、闭合、扩展反复循环过程,当矿压破坏带和...     

渗流有限元法模拟松散含水层对工作面充水影响

将水利工程中的渗流有限元法应用于模拟研究松散含水层对工作面的充水影响,既考虑了松散含水层的富水性、水头,又考虑了采动影响对覆岩的破坏,继而引起的渗流通道的变化。研究了第四系底部黏土层在水体下采煤中的作用,认识到当底黏厚度大于3m时,上部含水层对工作面充水量很小。为今后评价黏土层在水体下采煤中的阻隔水作用提供理论参考。