含隐伏断层煤层底板损伤演化及滞后突水机理分析

基于对采动岩体流固耦合作用的力学响应以及底板岩体强度退化机制的认识,针对承压水体上采煤的岩体水力学模型,对底板隔水岩体的长期强度特征进行了分析,并用数值方法再现了含隐伏小断层底板在采动应力扰动和高承压水共同作用下采动裂隙形成、小断层活化、扩张、突水通道最终贯通形成的全过程。通过对损伤演化、应力场和渗流场的解读,揭示了开采扰动及水压驱动下完整底板由隔水岩层到突水通道的演化机理,对突水通道进行时空基准标定,并着重就小断层发育高度、承压水水压力大小对隔水底板的损伤演化模式及突水滞后时间的影响关系进行了分析探讨,从岩体强度退化及损伤演化机制的角度,为承压水体上采煤底板滞后突水的机理分析提供了一些新的认识。     

基于应力–渗流–损伤耦合效应的断层活化突水机制研究

 基于大量煤矿断层突水案例的系统调查分析和归类统计,研究充填型断层滞后突水的灾变演化机制,分析采动条件下断层形态产状、充填性、导水性的变化及其对断层活化突水通道形成过程的影响。以承压水下开采的充填断层为例,分析充填介质距含水层远近的弹性区和应变软化区的力学特性和渗流特征,将水致弱函数引入充填介质的剪应力和变形的本构关系中,建立断层充填结构滑移突水的燕尾突变模型,由系统势能函数的分叉集导出突水灾变演化路径的主控因素;对于承压水上开采的充填型断层,分析充填介质失效过程的渗流损伤特征。考虑充填介质的压剪和拉剪双重破坏准则,引入适合描述充填介质损伤前后阶段的应力–渗流–损伤耦合方程,采用有限元数值仿真真实再现采动应力扰动和高压承压水双重作用下底板采动裂隙演化、断层介质活化直至突水通道形成的灾变演化过程。通过对不同断距和倾角的断层突水过程的仿真分析,揭示突水通道形成过程中岩体应力场、渗流场以及损伤场的耦合效应,实现对不同突水通道形成轨迹的路径记录和准确定位,归纳出断层活化突水的4种典型破裂通道类型。研究结论对我国煤矿突水机制与灾害防治的认识具有一定的指导和借鉴意义。     

节理岩体损伤破裂中的渗透性演化与能量耗散

根据损伤力学和统计强度理论,在真实破坏分析方法(RFPA)的基础上建立了损伤过程渗透模型,基于离散裂隙网络(DFN)模型生成随机正交节理岩体数值试样,对岩体损伤-渗流-能量耗散的完整过程以及渗流通道的形成变化进行了精细模拟。数值试验表明,节理岩体在峰后软化和残余变形阶段依然存在大量的新生裂隙持续发育,同时也伴随能量的不断耗散。渗透性的激增显著滞后于峰值荷载,往往在峰后数倍峰值应变处才形成贯穿岩体的完整渗流通道,渗透性瞬间阶跃到极大值。利用渗流的滞后性,可以通过微震监测手段对矿山突水灾害进行有效的监控预警,在张马屯铁矿地下防水帷幕突水预警的工程实践中取得了良好效果。     

深部开采动力扰动下底板应力演化及裂隙扩展机制

深部开采地应力增高及动力灾害增多驱动岩体裂隙扩展导致底板突水事故频发,使得研究动力扰动下裂隙扩展机制具有指导意义。根据弹性理论推导分析了顶板动力扰动对底板应力的影响,模拟计算了动力扰动下底板应力及位移演化规律,基于卸荷岩体理论分阶段研究了动力扰动下端部效应区及卸荷作用下突水通道发育区的裂隙扩展机制,结合岩体渗流特征分析了高承压水压力下裂隙的渗透作用,并进行了工程验证。结果表明:随动力扰动强度增加,端部效应区应力非线性增长;动力扰动强度越大,卸荷起点越高,越易满足裂隙扩展的临界应力;动力扰动强度决定了底板裂隙的扩展及渗透作用机制,当突水通道发育区渗透率突变增加的岩层深度大于隔水层厚度时将诱发底板突水。     

岩体破坏突水模型研究现状及突水预测预报研究发展趋势

在收集整理国内外相关资料的基础上,从岩体渗流损伤耦合方程、突水试验监测等方面总结目前岩体破坏突水模型及预测预报研究现状,认为破坏诱发渗透性演化方程和破坏引起有效应力方程的修正是建立描述破坏渗流机制的关键。通过现场实例分析及提出的数值模型的讨论,提出“采动压力和水压力扰动应力场诱发岩体破裂（微震活动性）是矿山突水前兆本质特征”这一学术思路,认为突水预测预报研究发展趋势为依托实例工程,采用渗流耦合力学理论、计算科学技术和高新微震测量技术手段,在深层次上对采动岩层破坏突水通道形成特征、突水岩层微震活动前兆信息和并行渗流耦合数值仿真结果进行综合反演,通过微震活动信息来基准标定突水模型,达到揭示岩层破断突水前兆规律及定位突水通道的目标,为建立矿山突水灾害预测预报奠定理论基础。     

含断层煤层底板突水通道形成过程的仿真分析

基于对断层形态、产状要素、力学性质复杂性及断层诱发突水机制的认识,针对承压水上采煤的含断层岩体水力学模型,通过有限元数值仿真再现了含断层煤层开采底板采动裂隙形成、断层活化到突水通道形成的全过程.通过对损伤演化、应力场和渗流场的解读,揭示开采扰动及水压驱动下完整底板由隔水岩层到突水通道的演化机制.数值分析结果显示:断层本身的物理力学性质及断层的产状要素,包括断距和倾角等,对煤层底板的相对安全性都具有重要的影响.最后结合现场地质、水文地质调查及数值仿真结果对一工程实例进行突水机制分析,为承压水上采煤底板突水的机制分析及防治提供一些新的认识.     

隧道防突水岩体的破坏模式、特征及预警判识

突水作为一种地质灾害,在岩溶隧道的建设中较为常见。防突岩体的结构类型、破坏模式与突水灾害的发生密切相关。通过对30例突水事故的统计分析,发现突水灾害主要发生在深长大跨岩溶隧道中,突水量集中在100～10 000 m3/h;根据案例中对防突水岩体结构的具体描述提出了完整-较完整结构、层状碎裂结构、块状破碎结构、断续结构、土-石混合结构和致密散体结构六种结构类型,对每种岩体结构的破坏模式进行详细的阐述;描述三类具有代表性的防突岩体在高水压作用下的渗透特征,得出突水通道的形成是内部裂隙在高水压的反复作用下,不断发生扩展、贯通和冲刷扩径的渐变过程。最后,为预测突水发生的可能性,对突涌水水压力的大小及其变化趋势、防突岩体变形破坏时的位移变化和岩体温度场受地下水影响的变化等信息进行辨析,将其作为突水灾害的预警辨识,在突水发生之前采取措施对灾害进行控制。     

裂隙岩体冻融损伤研究进展与思考

 裂隙岩体具有不同于土体的结构和强度特征,现有冻土理论不能解决低温岩体裂隙冻胀开裂、扩展演化问题,冻融过程中水分迁移机制、冻胀力的量值与萌生消散机制以及裂隙冻融扩展演化机制等是研究裂隙岩体冻融损伤的关键问题。对裂隙岩体中的水分迁移机制研究应立足于微观尺度,从分凝冰理论入手,关注于未冻水膜的迁移机制。低温裂隙岩体冻融损伤程度受到裂隙中冻胀力大小控制,而冻胀力大小和裂隙冻融扩展机制与裂隙的空间位置形态、未冻水含量、冻结温度以及岩石的物理力学性质等因素有关。几十年来,对岩体冻融裂隙扩展的研究主要集中在理论模型探究、室内裂隙岩体冻融试验和现场监测分析3个方面,取得了丰硕的成果,但目前关于冻岩的研究还远未成熟,要深入揭示裂隙岩体冻融损伤演化机制,还应借助于室内试验从裂隙岩体冻融水分迁移机制入手,以探究冻胀力量值的求解方法为初步目标,进而结合岩体裂隙扩展准则研究冻胀力对岩体裂隙网络发展的影响。     

流固耦合模型用于陷落柱突水的数值模拟研究

采动岩体动力学失稳与渗流突变是发生矿井突水的直接原因.以岩体的损伤演化为主线,考虑岩体的非均质性、渗流与变形的耦合效应,提出流固耦合条件下岩石破坏过程的本构关系,并在COMSOL Multiphysics的编程环境下通过MATLAB编程开发了突水模拟及突水危险性评价的软件系统.结合范各庄矿陷落柱突水的实际,用该数值模拟系统开展陷落柱突水的数值模拟.数值模拟再现了突水发生的整个过程,据此对陷落柱突水危险性进行了评价分析,并探讨了突水发生的机理.     

深部开采底板裂隙扩展演化规律试验研究

 为进一步研究深部底板岩体的破裂失稳机制,基于自主研制的高水压底板突水相似模拟试验系统,建立深部承压水上含小断层底板采动裂隙演化及导水通道形成的模型,通过在底板不同深度布设应力传感器和位移监测点,研究底板和断层附近岩体随工作面开采的应力及位移变化规律,反演得到底板及断层采动裂隙的发育及扩展演化规律,为深部开采工作面突水机制的研究提供了一种新的思路。结果表明：工作面开采过程中,底板岩体的受力变化规律主要有2种：(1) 开切眼左侧煤柱底板岩体的应力增量出现先增大后减小的变化趋势;(2) 采场底板岩体的应力增量出现先增大后减小至零再反向增大的变化趋势。深部底板岩体的采动裂隙主要在开切眼、采空区中部和回采工作面3个部位产生,裂隙类型以竖向张裂隙、剪切裂隙和层向裂隙为主,且在主要裂隙附近衍生出一些细微的小裂隙。距煤层较近的断层上、下盘岩体受到的应力差较大,断层上盘在强剪应力差的作用下形成了一条与断层走向平行的剪切裂隙,加快了断裂面破碎岩体的相对滑动程度,促进了断层的活化。     

松散承压含水层下采煤的流固耦合模型试验与 数值分析研究

以松散承压含水层水下采煤为例,通过研制的新型流固耦合相似材料和突涌水物理模拟试验系统真实再现采区突涌水的灾变演化过程,采用光纤光栅技术、声发射技术和电阻率层析成像技术,全程捕捉隔水层围岩应力场、位移场、渗流场、温度场、电场和声发射信息的变化特征及其异常信号,研究突水前兆多元信息的演化规律及其临突特征。采用可考虑多场耦合效应的数值分析方法,研究突水灾变演化过程中应力场、位移场和渗流场的耦合演化规律,分析突水前兆多物理场信息的响应特征。试验和数值分析结果表明：在隔水层破断突水前,围岩应力变化持续增长后发生回跌,但已濒临突水。围岩位移变化持续增长后发生跳跃,在跳跃前出现孕育突水前兆的稳定突升段。围岩渗透压力变化持续降低后发生急剧跌落,在突水前很长时间里出现孕育突水前兆的异常波动段。围岩视电阻率和声发射能量也在突水前产生明显的突升和激增现象,尤其是视电阻率突升段的增长点出现在突水前较长的时间段。通过对多场信息变化规律的内在联系及其对突水预测的有效性分析,发现隔水层的渗透压力、视电阻率以及位移变化信息在突水前具有明显的前兆特征,是松散含水层开采突水灾害预警和监测的重要前兆信息源。研究结果有助于加深对煤矿突水灾变演化过程的认识,为突水前兆信息演化规律及实时监测理论的建立提供科学依据。     

基于损伤过程耦合的断层空间滞后突水分析

为了研究过断层破碎带空间上滞后突水问题,围岩变形破坏全过程应力-渗透耦合模型被应用于涌水及稳定性分析。试验获得的岩石渗透率-应变演化全过程曲线被进行三次样条插值平滑处理,得到不同岩性的流固耦合函数模型,并嵌入到COMSOL Multiphysics中进行计算。模拟结果表明:基于试验曲线的流固耦合模型计算得到的扰动范围更大,在断层外影响范围为25 m;巷道掘进过程中,工作面拱肩部位更易形成涌水;裂隙带对于巷道开挖过的影响范围为通过裂隙带前后40 m,过裂隙带后突水风险达到最大;滞后突水时间为1.2到2.5 d,并且与地层中应力场、渗流场分布有关。通过本文研究,利用试验曲线建立的渗流耦合模型获得了断层空间滞后突水机制,修正了滞后突水发生的可能位置和加固范围。     

富水断裂带隧道涌水突泥灾害机制及处治技术研究

针对折多山隧道穿越富水断裂带发生多次涌水突泥灾害,采用现场勘探、理论分析,对富水断裂带隧道涌水突泥灾害机制及处治技术进行研究。结果表明:富水断裂带隧道发生涌水突泥灾害具有突发性强、演变速度快、引发次生灾害的特点。富水断裂带导水通道发育、地表水和地下水丰富、人工开挖破坏掌子面的水体平衡等因素共同作用下,掌子面渗水失稳,形成出水通道并迅速演变扩展,继而发生涌水突泥、地表塌陷。根据富水断裂带隧道涌水突泥特征,确定了地表深孔注浆、洞内帷幕注浆的协同处治技术体系,取得较好处治效果。本文研究成果可为今后类似灾害处治提供参考。     

基于背景应力场与微震活动性的注浆帷幕 突水危险性评价

 为了研究背景应力场、微震活动规律和突水危险性之间的关系,结合张马屯铁矿注浆帷幕共同体堵水工程,运用已经建立并运行的ESG微震监测系统,圈定微破裂形成并积聚的三维空间,划分注浆帷幕共同体的突水危险区域。通过三维有限元程序MSC.PATRAN建立矿帷幕共同体的三维力学模型,模拟高水压下的背景应力场分布,得到矿帷幕共同体的应力场集中区域。二者对比结果表明：帷幕西南区域和矿体采空区两侧积聚了大量的微震定位事件,微震活动性信息较为明显;而在上述2个区域,高水压力和开采扰动使原应力场发生极大改变,出现了明显的地应力集中现象,说明应力场的扰动会诱发微破裂的萌生、发展和贯通。微震活动规律与背景应力场表现出了很好的一致性,采用不同的科研手段分析和预测注浆帷幕共同体背景应力场和微震活动规律的前兆性信息特征,并且初步评价其突水危险性。研究成果可以指导工程技术人员采取相应的开采方式和防治措施,为井下开采活动的正常运行提供安全保障。     

煤层底板导水裂隙演化规律的电法探测研究

 通过试验测定不同岩样在充水条件下应力–应变全程电阻率的变化,给出在采动过程中煤层底板岩层产生导水裂隙时的导电性变化规律,并以此为基础建立底板采动导水裂隙带动态演化地电模型。利用三维电法正演软件对此地电模型进行正演数值模拟,得出煤层底板导水裂隙演化过程中的视电阻率响应特征,为矿井电法数据采集系统设计和资料处理解释提供理论依据。依据全空间高精度三维电法测量的思想,提出煤矿底板导水裂隙带动态监测系统的设计原则和技术要求,为现场实际工作条件下煤矿底板破坏裂隙带动态监测系统设计提供依据,并成功用于安徽一矿底板破坏导水裂隙带演化规律的探测。实测结果表明,采用三维电阻率法探测(监测)底板导水裂隙带演化过程效果明显,能显示出底板在回采过程中变化破坏情况,有利于煤矿底板突水预测和突水防治措施的制订。     

Effectiveness analysis of water-sealing for underground LPG storage

With the developed transient UPNM, numerical simulations are carried out to analyse the seepage field of the underground petroleum storage project in Jingzhou, China. The 3D discrete fracture pipe network model is adopted to systematically analyse the effects of the water curtain system (different water curtain states, water curtain pressure, length and spacing and the angles of the horizontal water curtain system) on the water-sealing effectiveness of the rock caverns in the fractured rock mass in both construction phase and storage phase. Water-sealing performances of different water curtain system schemes with various fracture networks are also discussed. It is found that the effect of the horizontal water curtain is more important than the vertical water curtain. The reducing of the pressure of the water curtain, the length of the water curtain boreholes and the increase of the spacing of the water curtain borehole can deteriorate the seal effect of the water curtain, increase of angles of horizontal water curtain can’t improve water seal. And effective connectivity of fractures is found to be dominant factor to determine water-sealing results. In addition, it is worth mentioning that the fracture network is highly irregular in the flow domain, which greatly influence the seepage field, and the failure of the water seal effect can occur locally. The locally connected unsaturated flow paths have been observed in the study, which cannot be found by using the continuous simulation model. Finally, optimal water curtain system design is recommended. Furthermore, one connectivity evaluation criteria is developed to determine the effectiveness of water-sealing system in the field, according to Lugeon, effectiveness and TEM site test.     

节理岩体边坡概率损伤演化规律研究

露天矿边坡岩体是含有大量空间上随机分布裂隙的三维损伤体，岩体的强度和内部裂隙分布在空间上均具有随机性，岩体损伤是一种概率损伤。应用三维节理网络模拟技术建立节理岩体损伤张量及概率分布规律的计算方法，综合应用Rosenblueth原理、损伤断裂力学与数值模拟等理论与技术，建立三维节理岩体概率损伤演化的耦合分析程序，通过对鞍钢眼前山露天铁矿南帮边坡岩体随采场逐渐下降过程中概率损伤演化规律的数值模拟，计算得出边坡岩体在不同开采阶段的损伤张量的均值与标准差，揭示节理岩体损伤张量在露天矿开采的空间和时间上的动态变化规律，建立露天矿不同开采阶段的边坡岩体三维随机损伤场，为评价露天矿边坡可靠性的动态变化规律奠定基础。