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。     

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．     

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。     

裂隙岩体应力渗流耦合规律及对底板隔水性能研究

采用MTS815.02型岩石力学伺服试验系统,对桃园煤矿10煤底板的岩样进行全应力-应变渗透试验,得到岩样裂隙在闭合、萌生、扩展过程中的渗透特性。通过对不同非承压状态下裂隙岩石的渗透性能的研究,为采场底板隔水性能的研究提供重要参数。数值研究表明,在工作面的不断推进过程中,底板将处于压缩-膨胀-压缩的状态,而在压缩与膨胀变形过渡区,底板最容易出现剪切破坏,最终形成导水通道。基于上述研究,对桃园煤矿10煤底板隔水性能进行评价,并提出了防治实践。研究结果对于制定裂隙岩体的防治水措施,防止采动过程中突水事故的发生具有一定的指导意义。     

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...     

煤矿底板采动突出水体运移特征的数值分析

针对煤矿底板采动突水过程中采空区底板破坏的不同阶段突水量存在明显差别的特征,根据损伤岩体的流固耦合作用,应用RFPA2D-flow数值模拟软件,结合回坡底煤矿11号煤层开采工作面的具体工程地质条件,对在采动应力和承压水压力联合作用下底板的损伤、破坏直至突水的全过程进行了数值模拟研究。通过对工作面推进过程中底板的破坏过程、应力变化和渗流场的分析,揭示了突出水体的运移规律,将底板突水区域划分为突水减量减速区、突水量陡增区、突水量平稳增加区和突水流量缓降区4个区域,从而确定了应重点防治的突水危险区域。研究结果对工程中的防治水实践具有一定的指导意义。     

急倾斜煤层开采应力及裂隙演化规律研究

在急倾斜煤层的开采过程中,应力集中和裂隙发育威胁着工作面的安全生产。借助FLAC~(3D)三维数值软件对乌东煤矿进行了急倾斜煤层开采数值模拟,对煤岩体及顶板应力及裂隙演化规律进行了研究。结果发现:煤岩体垂直应力会沿着走向呈现明显"横三区"分布,但回采巷道顶、底部垂直应力分布规律恰好相反;顶板的应力集中程度会随距离煤层的垂直距离的增大而逐渐降低;工作面顶板破坏前期以剪切破坏为主,逐渐发展为拉伸破坏,最终导致顶板垮落。上述研究对回采巷道下部的卸压区域的瓦斯抽采工作具有一定的理论指导意义。     

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。     

基于岩石工程系统的煤层底板突水机制

为了系统描述煤层底板突水渗流-应力耦合作用机制,引入相互作用过程矩阵,提出优化的岩石工程系统方法,构建了煤层底板突水网络系统。突水网络主对角元素包括采掘工程、应力场、岩体结构和渗流场;系统分为工程活动、采掘活动扰动效应、渗流应力耦合矩阵和水害综合控制方法等4个功能区。研究表明:采掘活动产生一系列并行和时变的影响,是突水发生的诱因;突水通道的形成和演化是渗流-应力耦合作用过程,不同底板岩体结构具有不同的突水发生机制;底板水害防治要从系统的观点出发综合考虑不同因素的影响,在RES网络中施加合理干扰。研究结果可以为复杂水害问题的分析提供思路和方法。     

三轴应力下胶结破碎煤岩体渗流稳定性

岩块间胶结结构的破坏是陷落柱诱发煤矿突水事故的重要因素之一。为研究胶结破碎煤岩体在三轴承压下的渗流稳定性,分别制作10组含有不同级配结构的煤样,利用自主设计的三轴渗流试验系统对胶结破碎煤岩体的渗透率k、非Darcy流β因子和失稳临界值进行试验测定。结果表明:1)不同Talbot指数n所对应的胶结破碎煤岩体孔隙结构不同,承压变形时其渗透率与有效应力满足函数关系:k=ae~(bσ_c),说明快速压密阶段主要影响的是初始孔隙率,后续结构重调整阶段骨架颗粒发生了剥落、破碎;2)当渗透率k下降到10~(-10)m~2以下、或非Darcy流β增加到10~6 m~(-1)时,都会引起渗流系统失稳,说明两者数量级的改变可诱发β因子突变到负值,其符号的变化可作为煤岩体渗流失稳的临界条件;3)高应力水平状态下,60%的级配结构在渗流过程中均出现失稳阶段,说明渗流参数是否满足βk~23.90×10~(-12)m~3,可作为预测煤矿突水事故的重要依据。     

煤矿回采工作面煤岩稳定性数值模拟研究

对煤矿顶底板煤岩体物理力学性质进行试验,得到煤样和岩样的基本物理力学参数,并利用ANSYS有限元分析软件对巷道回采过程中采场周围煤岩体应力变化及塑性变形进行系统的数值模拟研究,得出回采过程中工作面走向和倾向应力变化数据,进而分析出顶板变形破坏的规律,为矿井的合理支护提供依据。