基于LBM-DEM耦合方法的突水溃砂运移规律研究

我国西部矿区因其特殊的地质赋存条件及高强度开采方式易诱发突水溃砂灾害,迫切需要对灾害机理进行研究。为了解突水溃砂下水砂运移规律及致灾的关键原因,借助LBM-DEM耦合模拟方法对单裂隙开口通道模型中水砂两相运移问题进行了初步探究,通过对比截面流量及溃砂速率变化情况,分析了其受不同边界压力、裂隙开口宽度及砂层厚度的影响,基于Bulsara式拟合了不同边界压力时最大单位质量流量数值计算结果。研究结果表明:随边界压力增加,截面流量及最大溃砂速率单调增加,高压力下砂粒更容易在裂隙开口处堆积形成临时性密实结构阻碍水砂运移,截面流量及最大溃砂速率增幅逐渐降低,在Bulsara式基础上给出的修正式能较好的拟合最大单位质量流量曲线;随开口宽度增加,截面流量、最大溃砂速率和砂粒在开口处形成的密实结构体积均单调增加,但增幅逐渐降低,发现灾害的关键影响因素之一为砂粒密实结构体积;随砂层厚度增加,砂粒密实结构持续时间增长造成阻碍效果逐渐增加,截面流量及最大溃砂速率逐渐减小且降幅逐渐降低,灾害发生点由初始水驱动砂快速流出裂隙孔口阶段转变为砂粒密实结构失稳造成砂粒倾泻阶段。     

基于流固耦合理论的砂土渗透破坏模拟研究

当采动断裂带发育至松散含水层时,会引起水砂混合物的流入,可能会导致突水溃砂灾害。在考虑水压和流体拖曳力的基础上,建立采动裂隙上覆松散砂层的细观力学模型,通过平均Navier-Stokes方程来计算流体相的动力特性,借助PFC颗粒流软件进行模拟,并将其用于砂土渗透破坏的研究。结果表明,水压力和裂隙宽度对砂土的渗透破坏影响很大。     

厚覆基岩下煤层开采突水溃砂机理研究

为了揭示较厚上覆基岩煤层开采顶板突水溃砂灾害的形成机理,以照金煤矿突水溃砂事故为例,结合最新补勘地质资料,从导水通道、充水水源、物源、储水空间、动力源和地质构造等多方面对该类型灾害机制进行综合分析。研究结果表明:在采动条件影响下,富水性弱～中等的洛河组含水层也可能发生破坏极大的水害事故;较厚上覆基岩煤层开采顶板突水溃砂的发生并非单一因素造成,而是由多个因素相互作用最终造成水砂混合流运移和突溃的现象;照金矿202工作面综放开采产生的导水裂隙带导通洛河组含水层,水进入宜君组与直罗组之间的离层空腔,随着积水量增加,渗入煤系含水层和古河床相松散体中形成似泥石流体,并会沿工作面切落形成的集中通道瞬间溃入工作面,导致煤层顶板上覆较厚基岩发生突水溃砂。     

松散砂层下煤层开采顶板溃砂的水动力条件分析

基于潜水完整井非稳定流理论及砂土体渗透运移临界水力梯度作用机理,分析了松散含水砂层下浅埋煤层开采过程中顶板涌水水流动力场特征,并按砂体运移溃入工作面的启动、发展及终止三步探讨潜水水动力条件的作用机理。提出了浅埋煤层开采过程中上覆松散潜水含水砂层涌水溃砂形成的临界水头及其计算公式。并以神府矿区柠条塔煤矿S1103潜埋工作面为例,计算得出该工作面上覆松散潜水含水砂层形成溃砂的临界水头高度为1.92 m,为该工作面顶板溃砂防治提供理论依据。     

野川煤业薄基岩区顶板突水溃砂防治研究

山西煤销集团野川煤业有限公司即将进行3#煤层的回采,通过高密度电法探测、理论分析及数值模拟等方法研究表明,3101工作面的开采受到突水溃砂的严重威胁,为保证3101工作面的安全回采,设计采用探放孔对顶板高压水进行超前疏放,在基岩厚度小于75m的区域采用限高开采技术(采高2.4m),现场应用效果表明,该方法成功的防止了工作面顶板突水溃砂事故的发生,实现了工作面的安全高效回采。     

深井厚煤层开采水害危险分析

巨野煤田某矿4301工作面埋深大于800 m,煤层厚度大,为了研究回采过程中水害影响,首先分析工作面顶板沉积组合结构,采用可控源音频大地电磁法勘探顶板含水层,然后用UDEC软件进行覆岩变形破坏数值模拟分析。得出工作面导水裂隙带最大发育高度约100 m,裂采比11.12,导水裂隙不会波及基岩顶部砂含5,经疏放水后可进行安全回采。     

浅埋薄基岩含水层下煤层开采突水溃砂相似模拟实验研究

综合考虑含水层赋存、开采地质力学条件及煤岩体结构特征,自主研发了突水溃砂气液联动相似模拟实验装置,该设备包括含水层煤系地层模拟装置、气液联动调控装置和水压水量监测装置,设计最大注水压力80 k Pa,监测水压力精度1.0 k Pa,水位精度1.0 mm。通过神东矿区浅埋薄基岩含水层下煤层开采突水溃砂相似模拟实验,研究了采动煤岩体裂隙发育及突水溃砂导水通道分布特征,结果表明:沿工作面推进方向,突水溃砂通道发育过程划分为裂隙渐次发育阶段、裂隙贯通阶段和突水溃砂通道形成3个阶段;覆岩破断及突水溃砂区域划分为覆岩裂隙渐次发育区、水砂侵入区和水砂侵入阻断区3个区域。     

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。     

薄基岩区顶板高水压工作面安全开采技术应用研究

霍州煤电集团店坪煤矿5#煤层工作面的开采受到突水溃砂的严重威胁,为保证即将进入采掘阶段的5-211工作面的安全回采,通过理论分析、计算及数值模拟等方法,得知影响防砂安全煤(岩)柱稳定性的因素主要有采煤工作面上覆岩层破坏情况及顶板高压水的影响,设计采用探放孔对顶板高压水进行超前疏放,在基岩变薄区域采用限高开采技术(采高2.2m)进行开采,现场应用效果表明,该方法成功的防止了工作面顶板突水溃砂事故的发生,实现了工作面的安全高效回采。     

煤矿顶板突水事故数值模拟分析

应用东北大学岩石破裂与失稳研究中心(CRISR)自主开发的F-RFPA^20渗流与应力耦合分析系统，对煤层顶板随着开采的逐步进行，采动裂隙逐渐向上发展并最终与含水层连通，进而导致煤层顶板突水的全过程进行了数值模拟，直观地显示了煤层顶板的变形、破坏过程以及突水前后渗流场的变化情况，阐明了煤矿顶板突水事故通常由采动裂隙引起的突水机理．当垮落带与裂隙高度没有达到含水层高度时发生顶板突水的可能性较小，反之亦然．因此准确确定煤层顶板垮落带和断裂带高度，对于进一步确定煤层开采深度上限，合理留设防水煤柱具有重要的意义．     

基于格子Boltzmann理论的弱胶结裂隙岩体水沙两相流特性

通过格子Boltzmann方法对裂隙岩体水沙两相流动规律进行理论分析,建立裂隙岩体水沙两相流动的格子Boltzmann模型,推导了水沙两相的基本守恒方程并建立了水沙两相流动系统的控制方程,基于浸入边界法,利用欧拉点和拉格朗日点处理水沙两相界面。通过数值模拟裂隙溃沙情况,分析了沙粒进入裂隙前后的流动形态,研究了颗粒粒径和裂隙宽度对溃沙速度的影响。借助单裂隙下的研究结果,建立上覆厚松散沙层矿井开采模型,分析裂隙发育下突水溃沙情况,发现在初始阶段,沙粒的溃入会堵塞裂隙,抑制裂隙的发育;随着水压的持续施加,大量水沙混合物开始涌入裂隙,岩体孔隙压力增大,导致裂隙迅速发育扩展,甚至会造成顶板垮落,加剧突水溃沙灾害。     

冻结井壁解冻过程中突水溃砂机理及防治技术

为了解决富水砂层冻结井壁解冻过程中突水溃砂灾害问题,通过理论分析、室内试验和现场测试,研究富水砂层冻结壁解冻过程中突水溃砂形成机理,低温环境下浆液的凝结特性和强度变化特征,注浆驱水、固砂技术和方法。研究结果表明:解冻过程中渗水通道为施工冷缝和混凝土收缩裂缝,涌水量随着解冻范围的扩大而增大,缝隙亦随之扩大,最终导致突水溃砂灾害;袖阀管注浆可有效充填井筒周围裂缝、驱水、固砂,添加水泥质量5%的工业盐可显著缩短水泥浆凝结时间,并且抗压、抗折强度增长明显。注浆后,井筒涌水量由400 m~3/h下降到70 m~3/h,达到封堵通道、减少物源、降低水头的目的。     

漳村煤矿1312工作面顶板突水原因分析

漳村煤矿1312工作面在回采过程中发生间断性涌水,但依据经验公式计算顶板断裂带高度并未发育到含水层。通过分析顶板水文地质条件,运用RFPA数值模拟与现场实际探测研究顶板导水裂隙带发育规律。结果表明： ①经验公式计算得到的顶板导水断裂带最大高度为45～58 m,与RFPA数值模拟得到的95 m相差较大,顶板亚关键层薄以及距3煤顶板距离小于58 m是使得裂隙带发育偏高的主要原因;②现场探测测得顶板裂隙带发育高度约为96 m,与RFPA模拟相符合;③关键层与含水层空间位置及岩层分布规律决定了工作面回采顶板会发生间断性涌水以及滞后涌水。     

顶板砂岩水下煤层开采覆岩导水裂隙带发育高度研究

导水裂隙带发育高度是顶板砂岩水下实施安全采煤的重要技术参数之一。以新集矿区某综采工作面为工程背景,针对工作面回采后采动裂隙导通上覆砂岩含水层易发生突水事故的问题,在分析覆岩岩性特征的基础上,采用经验公式估算、基于关键层位置覆岩导水裂隙带高度预测方法、数值模拟及井下仰孔分段注水法对覆岩导水裂隙带发育高度进行研究。结果表明,基于关键层理论导水裂隙带高度预测方法、FLAC3D数值模拟与井下仰孔分段注水试验结果基本一致,而经验公式预测导水裂隙带发育高度数值较小,存在一定的局限性。工作面回采后,导水裂隙带发育高度最大为57.6 m,裂采比为15.2,且发育形态呈“马鞍型”。 研究结果可为工作面顶板水害治理提供地质依据。     

回采面导水裂隙带发育高度与富水性探测分析

为保障3203工作面在回采过程中不出现突水现象,根据工作面地质条件,采用理论分析与数值模拟相结合的方式,进行工作面区域导水裂隙带高度的分析,另外采用瞬变电磁的探测方法进行顶板导水裂隙富水性的探测分析作业。结果表明:3203工作面在正常区域回采时,导水裂隙带的发育高度约在52.6～60 m的范围内,在通过F_1断层区域时,导水裂隙带的最大发育高度为95 m;工作面顶板0～30 m范围,富水性较弱,顶板40～70 m的范围内,裂隙较为发育,该区域富水性较强。     

任楼煤矿提高回采上限首采面突水溃砂原因分析

针对任楼煤矿首个提高回采上限工作面回采过程中发生的突水、溃砂事故,从覆岩结构、矿压显现、支架阻力等角度,对突水溃砂的原因进行了分析。结果表明,风巷顶板破坏并沿巷帮发生失稳导致顶板侧向支承结构消失,周期来压期间覆岩整体破断时支架阻力不足、支护不及时而导致覆岩砌体梁结构失稳、端面漏冒加剧,进而造成严重突水溃砂。在后期的复采过程中,提高支架阻力、修复变形严重的风巷、改变巷道支护形式、完善排水系统以及加强工作面支护管理是防范突水溃砂的主要手段。     

钻孔导致突水溃沙事故机理及防治对策研究

以隆德煤矿为例,基于颗粒流和液体流2种流体力学理论,提出了预测突水溃沙流量的溃沙漏斗和突水口2种模型,探讨了地质钻孔导致隆德煤矿突水溃沙事故的形成机理和防治对策。主要研究结果包括:1)相比于溃沙漏斗模型,突水口模型预测的突水溃沙流量与现场推测数据更为接近,可以较好地揭示隆德煤矿地质钻孔导致的突水溃沙现象;其中,决定突水溃沙事故流量大小的2个关键因素为含水沙层的厚度和钻孔直径;2)建立了地表动态沉陷模型,地表溃沙漏斗中心点沉降值及影响半径均随时间的增长而增加,但加速度逐渐减小;3)提出了"采掘工程设计前,排查钻孔并封堵"的预防对策,以及"管道流变裂隙流,裂隙流变空隙流,最后注浆封堵"的治理对策。     

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。     

溃水溃砂发生机理及控制方法研究

以神东矿区昌汉沟矿201浅埋深薄基岩工作面为研究背景,针对溃水溃砂发生机理及控制方法,采用现场调研、工程地质分析、数值模拟、现场试验相结合的方法,对该工作面溃水溃砂发生机理及控制方法进行了研究。从防止覆岩纵向贯通裂隙致灾、富水区域采前放水等方面,提出了多种针对性防治方法和综合措施,并在现场进行了应用。     

照金煤矿泥砂溃涌灾害形成及防治

针对煤层顶板溃水溃砂灾害,其形成条件多为浅埋薄基岩煤层赋存,当冒落带波及到基岩上覆含水的第四系松散砂层含水层时,在高水压动力条件下水砂一起溃入井下开采空间。根据照金煤矿“4·25”事故发生条件与对普遍认识的“溃水溃砂”灾害完全不同,该事故发生在煤层深埋条件下,溃入井下的物质以泥岩类为主,总体涌水量有限。根据区域及矿井水文地质条件分析,煤层直接顶地层富水性极弱,天然状态下不存在发生该类型灾害性事故的水动力条件。综合现有研究成果,尚未有专门针对深埋煤层综放开采顶板泥砂溃涌灾害形成机理的研究。内蒙古、东北少数矿井曾发生深埋条件下的溃水溃砂事故,但其溃出物质仍以松散流砂为主,是由胶结不良地质体造成,与本次表象和机理均不相同,相应的防治措施则不同。