深部新型固流耦合相似材料的研制与应用

为了更好地分析深部开采承压水上底板隔水层的破裂规律,从固流耦合理论的角度出发,在充分调研相似材料和大量室内试验的基础上,选取以石蜡、凡士林为胶结剂,河砂、碳酸钙为骨料,液压油为调节剂的深部隔水层新型固流耦合相似材料。通过对固流耦合材料试件的指标测试,确定相似材料各组分的含量比例。相似材料遇水后具有较好的脆性和非亲水性,能够模拟具有不同渗透率的底板隔水层,达到了固流耦合材料的相似要求。采用自主研制的采动煤层底板突水相似材料模拟试验系统,分析深部开采底板隔水层的应力和位移变化特征,反演得到采动影响下隔水层裂隙的扩展演化规律。研究表明:(1)采动裂隙主要在开切眼、采空区中部和回采工作面3个部位的底板隔水层处产生;(2)采动裂隙类型以竖向张裂隙、剪切裂隙和层向裂隙为主;(3)开切眼两侧岩体的应力差越大,隔水层采动裂隙发育越充分,工作面前方与断层之间是底板突水发生的主要区域。试验说明制取的隔水层新型固流耦合相似材料能够应用于深部隔水层破裂规律的研究,实现了深部底板隔水层的相似模拟。     

承压水上工作面破坏及裂隙演化相似模拟试验

随着我国煤炭开采深度的逐渐增大,承压水上开采工作面底板破断、突水事故呈上升趋势。以某煤矿承压水上开采工作面底板为研究对象,采用理论分析和开采固-流耦合相似模型对承压水上开采底板破断失稳特征进行了研究,并对回采过程中裂隙演化特征进行了数字化分析。研究结果表明:某煤矿承压水上开采工作面底板存在明显“三带”规律;工作面底板破坏深度为19.2 m,有效保护层厚度为2.3 m;随着工作面向前推移,底板所受应力随着距开切眼距离的增大而增加;采动过程中近煤壁底板为裂隙聚集区;采动过程中煤层底板裂隙数量随着深度的增加而减少;底板裂隙演化能很好反映底板破坏过程,可为矿井突水临突监测监控提供可靠数据。     

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。     

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。     

承压水上开采煤层底板隔水层裂隙演化 规律的试验研究

 奥陶系岩溶水是我国华北矿区煤矿安全生产的一大隐患,而带压开采是开采受底板突水威胁的煤层的有效方法之一。为深入分析承压水上煤层底板突水的危险性,自主设计煤层底板承压水水压加载系统,实现采用压力水袋对底板隔水层的承压水作用的物理模拟;分析底板隔水岩层的变形及破坏特征,得到底板隔水层的裂隙产生、发育直至导水通道形成规律。研究结果可为揭示承压水底板突水的力学机制提供参考。     

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。     

固液耦合模式下含断层缺陷煤层回采诱发底板损伤及断层活化突水机制研究

针对具体地质条件,以现场试验数据为基础,采用相似材料试验及数值模拟相结合的分析方法,对含断层缺陷煤层回采过程中底板损伤破坏及断层活化规律进行研究,研究得出:采用内径不同的水管能够很好地反映底板岩层渗透性的空间差异性,通过采用调节注水管水柱高度的方式可以控制水压以满足设计要求;煤层埋深、承压水水压及断层落差越大越易突水,断层防水煤柱宽度越大越不易突水;通过试验及模拟计算再现了不同因素影响下煤层回采过程中底板采动裂隙形成、断层活化到突水通道形成的全过程,揭示了含断层构造底板突水通道的形成机制;研究结果对承压水上含断层缺陷煤层回采时防水煤柱的留设具有重要的参考价值。     

断层倾角对断层活化及底板突水的影响研究

 针对含断层缺陷底板的受力特征,建立相应的简化力学模型,分析得到断层面上的剪切应力和法向应力表达式,并研究断层倾角对断层面上剪切应力、法向应力及断层活化的影响规律。同时运用RFPA2D-Flow软件,模拟不同倾角的正断层在采动影响下底板的裂隙分布、渗流分布及采空区底板涌水量变化特征。模拟结果在一定程度上揭示含断层构造底板突水通道的形成机制及断层倾角对底板突水的影响规律。研究表明,断层倾角越大,断层越容易活化与突水。研究结果对采场底板含断层缺陷时防水煤柱的留设具有重要的参考价值。     

承压水上开采工作面底板破坏规律相似模拟试验

 随着我国煤炭开采深度的增大,承压水上开采工作面底板破断、突水灾害正呈逐年递增的趋势。以峰峰矿区九龙矿深部承压水上开采工作面底板为研究对象,通过现场底板取芯、编录和室内试验,获得承压水上工作面底板含水层分布特征及底板岩层的力学参数,确保试验中现场参数的可靠性。采用自行设计的工作面底板水压模拟装置,进行承压水上工作面回采过程中顶、底板破断失稳特征的相似模拟试验,得到底板工作面回采过程中顶、底板应力变化规律。运用非接触的光学测量技术对全场位移值进行观测,得出底板位移场变化规律。通过“下三带”理论,计算九龙矿深部工作面底板岩层的最大破坏深度、承压水导升高度和有效隔水层厚度。模拟试验结果表明：九龙矿深部承压水上工作面开采底板存在明显的“三带”特征,采用新型的承压水模拟装置可以模拟承压水在采动作用下的卸压过程。     

采动应力效应下的煤层底板裂隙演化规律研究

煤层底板突水的实质是采动应力诱发煤层底板裂隙失稳、扩展和贯通,形成突水通道,进而引发突水灾害。根据回采工作面前后支承压力分布规律,笔者建立了煤层底板应力计算模型,分析了随着回采工作面的推进煤层底板中的垂直应力和水平应力分布规律以及煤层底板的破坏形式;对煤层底板岩体进行了破坏分区,根据断裂力学理论给出了不同区域内,裂纹不同破坏模式下的张开位移表达式;采用震波检层技术验证了煤层底板采动裂隙动态的演化规律,有利于煤矿底板突水预测和突水防治措施的制订。     

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.     

“三软”煤层上保护层开采覆岩裂隙演化规律研究

针对目前对高应力区"三软"煤层上保护层开采覆岩采动裂隙演化规律研究不足的问题,采用相似模拟试验进行研究.通过相似模拟试验结果分析得出,在上保护层开采之后,被保护层的泄压程度达到80%,极限(最大)膨胀变形量接近12‰.结果表明,上保护层开采是"三软"煤层开采的有效防突措施.研究覆岩采动裂隙演化规律对于丰富软煤层保护层开采防突技术具有重要的理论指导意义.     

高承压水上采煤底板突水通道形成的监测与数值模拟

 底板采动破坏及导水通道的形成是底板突水发生的必要条件,也是进行矿井突水的监测预报基础。以新义矿为例,采用现场监测及数值模拟等手段,研究高承压水上采煤底板采动破坏及突水通道的形成及演化过程,分析该过程中的底板电阻率、应力及孔隙水压力的变化规律。结果表明：高承压水上采煤底板受工作面超前支撑压力破坏严重,11011工作面底板破坏深度达到25 m,大于一般经验计算值;建立的基于流–固耦合底板采动破坏数值模拟模型更能准确、客观地反映底板破坏的影响因素,模拟的最大破坏深度为23.75 m,与现场监测结果接近;采动过程中的底板电阻率、应力以及孔隙水压力变化较好地反映底板破坏及突水通道形成、演化以及充水的整个过程,可作为矿井突水临突监测预报的重要信息源。     

采场底板破坏特征及稳定性理论分析与试验研究

为了研究承压水体上煤层开采后底板岩体的破断特征和突水危险性,基于弹性力学理论,分别构建周期来压时采场底板力学计算模型和隔水关键层稳定性分析模型,理论计算采后底板纵向破坏形态和横向突水危险区域;采用有限差分流–固耦合模拟方法验证承压水上开采底板损伤范围及渗流趋势;开展底板突水相似模拟试验揭示底板岩体破裂和渗流变化特征。研究表明:(1)理论计算采后底板沿着工作面走向和倾向分别呈"勺形"和"倒马鞍形"破坏形态,在采空区与煤体交界附近底板的破坏深度最大,与模拟得到的底板破坏范围大致相当。(2)底板隔水层的理论突水部位分别位于靠近工作面煤壁侧的区域A、煤壁后方采空区50m处的区域(B)及采空区倾向两边界区域(C),(D),但在靠近煤壁侧的区域(A)的中心位置的突水风险最高,这与试验观察到的"孔隙水主要经工作面煤壁斜下方底板渗透入采空区底部裂隙岩体"及模拟的"承压水沿采空区边界两侧的底板岩体涌入"等现象均较为吻合。(3)试验观察到在工作面和开切眼附近的浅部底板中剪切、竖向裂隙较发育,而采空区下方岩体出现层向裂隙,且最大损伤深度为12.8 m,略小于理论计算和数值模拟结果 13和15.875 m。研究结果揭示了采场底板易发突水部位及突水风险,可为矿井底板突水治理提供一定的理论依据和参考价值。     

芦岭矿近距离煤层重复开采下底板巷道稳定性研究

以芦岭煤矿II82采区近距离煤层重复开采为工程背景,采用相似材料模拟、数值计算方法研究了近距离煤层重复开采过程中煤层底板应力的动态演化规律,并探讨底板巷道围岩应力及位移分布特征。结果表明:煤层底板应力分布具有明显的周期性波动现象,第1次开采时波动幅度最大,并且底板应力的集中及卸载程度与距离煤层的法向距离呈负相关性。针对此类巷道围岩裂隙发育、松动范围大的特点,提出以双层锚网喷支护为基础,结合注浆锚杆加固浅层破碎围岩、中空注浆锚索加固深部裂隙,充分调动围岩的自承能力,使支护体系与围岩形成承载整体。现场应用表明,该综合控制技术能有效控制巷道稳定,巷道在掘进1个月后基本趋于稳定,底鼓量不足100 mm。     

分形理论研究采动裂隙演化规律

为研究煤层上覆岩层在采动影响下裂隙的演化规律,通过室内相似材料模拟实验模拟了上覆岩层裂隙演化的全过程。运用分形理论方法,从煤层开采进度、裂隙倾角演化以及区域裂隙分布特征等角度定量分析了采动过程中、采动结束后上覆岩层裂隙的演化规律。研究结果表明:随着工作面的推进,分形维数随采距的推进呈现升维阶段—降维阶段—平稳变维阶段三个阶段的变化特征。根据采动后上覆岩层裂隙场分形维数大小对采煤区域的影响,将采动影响上覆岩层裂隙场定性划分为4个区域:垮落裂隙区、压实裂隙区、垂向裂隙区和离层裂隙区。通过分析裂隙张开程度及分形维数大小得出,垮落裂隙区、垂向裂隙区是主要的导水通道,离层裂隙区以水平流动为主、导水性一般,压实裂隙区导水性最差。     

基于微震反演裂隙的采动岩体损伤分析方法及其工程应用

采动条件下岩体发生渐进损伤诱使裂隙萌生、发展和贯通,继而形成导水通道诱发突水灾害.该过程涉及裂隙演化及岩石损伤等问题,使得突水灾害具有动态复杂性的特点.显然,从理论上准确解译突水通道及其演化规律是十分困难的,需要依靠现场监测和数值模拟手段.为此,从"岩体变形破裂过程中,微震现象的主要本质是裂隙的扩展"学术观点出发,建立...     

倾斜岩层平巷围岩破坏特征的相似模拟试验研究

 深部开采条件下,煤矿巷道的有效支护是保证矿井安全高效生产的重要因素。运用相似材料模拟试验和现场工业性试验,研究鹤壁煤电股份有限公司八矿深部倾斜岩层水平巷道围岩破坏特征,分析随加载压力的增大和不同支护方式下巷道围岩位移变化规律、巷道围岩裂隙演化特征及分布特征等,得出适合该地质条件下较为有效的支护方案。研究结果能更直观了解巷道围岩表面及其内部裂隙发生、发展的过程及其联系,为巷道支护参数的合理选取提供依据。该研究方法和一些结论可为同类的研究提供一定的借鉴。     

带压开采底板变形破坏规律的三维相似模拟研究

提出了围岩应力场及渗流场耦合作用的相似理论，研制了部分典型材料的固-流耦合相似配比，研制了三维固-流耦合相似模拟试验台，完善配套了加载系统、测试系统、开采系统和渗流场的模拟与测试系统。采用大型三维固-流祸合模拟试验台对太原市东山煤矿一采区带压开采进行了模拟，得出了一系列的规律及结论。重点讨论了煤层底板的应力、位移随工作面开采的变化规律；得出煤层底板的应力、位移一直处于动态变化过程，分析了其变化的频度与幅度及其原因，为带压开采突水防治提供理论依据。     

采动覆岩涌水溃砂灾害模拟试验系统研制与应用

 为研究煤层开采过程中覆岩涌水溃砂灾害的演化特征,研制采动覆岩涌水溃砂灾害模拟试验系统。该系统由主体承载支架、试验舱、承压水仓、模拟采煤装置、储能罐、水压水量双控伺服系统和位移应力双控伺服系统组成,具有模拟空间大、可视度优、密封性好、加载方式多样、数据精度高等特点。以西部地区煤炭赋存地层为工程背景,利用研制的低强度非亲水相似材料对煤系地层进行模拟铺设,并对其进行模拟开采,较好地再现了覆岩涌水溃砂灾害孕育、发展及发生的全过程,获得工作面开采过程中覆岩变形破坏、裂隙发育扩展、水砂通道形成及水砂突涌参数和特征。试验结果表明该试验系统稳定可靠,研究方法及结果对进一步认识采煤工作面涌水溃砂灾害的形成机制具有指导和借鉴意义。