开滦矿区地应力场特征及其研究意义

地应力是影响矿井突水的重要因素之一,是存在于地壳中的重要能量场条件。采用现场应力解除法对开滦矿区多个矿井进行了地应力测试,分析了研究区现今地应力分布规律,在此基础上,建立了煤层底板突水危险性与岩石力学性质及地应力之间的相关关系和模型,对范各庄矿12煤层底板和东欢坨矿12-2煤层底板突水危险性进行了评价。研究结果表明,本区地壳浅部现代地应力作用较强,整体处于近东西向挤压应力场中,在挤压应力作用下,煤岩层应力状态主要表现为水平主应力大于垂直主应力,原岩应力主要由构造应力和自重应力场构成。煤层底板突水危险性受岩石力学条件和地应力所控制,当岩石破裂压力大于水压（Pf〉Pw）,则不产生突水;若岩石破裂压力小于水压时,则有可能突水。当承压水的水压（Pw）小于最小水平主应力（σhmin）时,不会产生突水。只有当承压水的水压（Pw）大于最小水平主应力（σhmin）时,存在突水危险性。范各庄矿12煤层底板和东欢坨矿12-2煤层底板破裂压力（Pf）和最小主应力（σhmin）均大于其底板岩体承受的水压（Pw）,本区在无构造破坏卸压条件下是不会发生底板突水的。     

断层构造对煤层底板突水的影响分析

在原岩应力、地质构造、地下水等因素基础上,从应力场和渗流场共同作用的角度出发,研究含底板岩体在内的采场岩体系统的变形与破坏。研究结果表明,随着工作面向前推进,底板岩层的破坏深度和范围逐渐增加,底板岩层中水平应力低于承压水压力的深度也逐步增大。随着开挖接近断层,断层对应力分布情况的影响越来越明显,最终在断层处造成突水。为了预防底板突水的发生,合理留设防水煤岩柱是必要的工程措施。     

原岩应力与煤层底板隔水层阻水能力的关系

介绍了水力压裂应力测量的原理和现场测量结果,论述了煤层底板隔水层带的阻水机理和承压水沿煤层上升的机理,以及原岩应力、水压与裂隙扩展的关系。指出对于厚底板隔水层,原岩应力起着阻止底板承压水上升和突出的作用,对于薄底板隔水层,原岩应力起着破坏底板、导致承压水突出的作用。      

水压致裂技术测试底板岩体张开型临界应力强度因子

利用断裂力学进行突水判别,必须求出临界应力强度因子。由于岩体结构复杂,很难获取符合临界应力强度因子测试的岩样。文中对水压致裂技术进行了断裂力学解释,建立了断裂力学模型,应用叠加原理推导了临界应力强度因子的计算公式。并应用这一结果,对葛店煤矿水压致裂测试底板原位地应力资料进行了分析,求得底板岩体的临界应力强度因子。      

采场底板突水条件及位置分析

分析采场突水条件和位置是突水预测的基础,根据采场支撑压力发展规律和底板应力分布特征,进行了突水条件突水位置的研究,底板突水的条件矿压对底板的破坏使其有效隔水层厚度降为零和水压不小于卸压区的侧向压力,在采场的内外应力场形成之前,突水位置在采空区;内外应力场形成之后,突水位置在煤壁附近。     

采场底板突水条件及位置分析

分析采场突水条件和位置是突水预测的基础。根据采场支撑压力发展规律和底板应力分布特征,进行了突水条件突水位置的研究,底板突水的条件是矿压对底板的破坏使其有效隔水层厚度降为零和水压不小于卸压区的侧向压力。在采场的内外应力场形成之前,突水位置在采空区;内外应力场形成之后,突水位置在煤壁附近。     

矿井底板突水过程中岩溶承压水的作用

本文根据现场统计资料,室内实验和数值计算模拟的研究成果,分析了岩溶承压水水量和水压的作用,着重分析了承压水在集中载荷与分布载荷两种形式下对底板岩层的破坏影响作用,研究了承压水的软化溶蚀作用和冲刷作用,以期为研究底板突水的防治理论与措施提供参考依据。     

底板导水裂隙带中含承压水裂隙的力学特性

华北煤田煤系地层的底部为含水丰富的奥陶系灰岩,该层灰岩与地表水系和煤系地层含水层存在着密切的水力联系。许多大型突水是采掘空间与含水层之间形成突水通道引起的。因此,分析开采工过程中底板岩体中含承压水裂隙的断裂力学特性具有重要意义。本文采用作者提出的数值方法分析了含高压水裂隙在开采过程中的断裂力学特性。假设裂隙面上作用着均匀水压力,考虑地应力的影响,采用断裂力学的叠加原理,分析了采煤工作面推进过程中含承压水裂隙的断裂力学特性,讨论了开采过程中底板承压水导升。结果表明:在工作面推进过程中,位于底板岩层且与含承压水岩层连通的裂隙,会在承压水水压力和扰动应力的共同作用下,产生破坏,导水裂隙带的高度会增加;这就增加了底板突水的危险性。     

承压水沿煤层底板递进导升突水机理的物理法研究

完整底板和非完整底板的注水试验发现底板深处的耗水早于浅部,显示底板的破裂发生在采前,相似材料模拟具一定导升高度的底板在采动中的变化揭示了同样的规律。底板的原位应力测试发现承压水在采前出现了向上入侵的现象,二次应力给导升的发展提供了条件,递进导升是突水机理之一。     

水压在底板突水中的力学作用

分析了水与水压在底板突水中的力学作用，即水对岩石的软化作用；水压对裂隙介质岩体的力学作用；水压在断层中的水楔作用；突水过程中水流的冲刷扩径作用和水压对突水的动力作用。     

范各庄矿12煤底板突水过程模拟分析

以范各庄煤矿水文地质条件为基础,建立了承压水上采煤的岩体水力学模型,应用岩石破裂过程渗流-应力耦合分析系统(RFPA2D-Flow)模拟分析了范各庄矿12煤层底板开采扰动下,裂隙形成、扩展到突水通道最终贯通形成突水的全过程。通过对损伤区分布、应力场和渗流场的演化分析,揭示了开采扰动及水压驱动下完整泥岩底板由隔水岩层到突水通道的演化过程,对突水通道进行了模拟定位,并对不同水压条件下含水砂岩层对底板突水的影响进行了分析。结果表明:12煤底板突水问题取决于含水砂岩中的水压力,在假设隔水层厚度不变时,水压力与突水系数呈正相关关系,随着水压的增大突水越易发生。该研究为12煤底板突水预测与防治提供了理论依据。      

Simulating research on pressure distribution of floor pore water based on fluid-solid coupling

In terms of the problem that deep coal resources are under the threats of high water pressure, it is necessary to further study the outburst mechanism of working face floor karst water from the view of studying varying patterns of rock mechanical parameters and confined water pressure distribution of floor rock under the mining influence in the process of mining. Through the theoretical research of fluid-solid coupling and rock seepage experiment, the changing rule of the rock porosity and the Young’s modulus is analyzed, the changing law of the floor displacement is obtained by establishing the floor mechanic model, and the relation between elastic energy density and rock mass unit strain is established. Based on the numerical model of fluid-solid coupling analysis by the Comsol Multiphysics software, the changing law of floor displacement corresponds to the theoretical solution, the different variation laws of rock mass of different depths under the actions of ground pressure are acquired by simulation calculation, the distribution characteristics of pore water pressure are discussed, and the elastic energy density of the rock mass under the action of imbalance water pressure before and after mining is comparatively analyzed. Studies show that the distribution of pore water pressure is horizontally different before and after the stress peak line, and it mainly has four distribution patterns vertically. When mining above the confined water, the spatiotemporal position when and where the upper and lower boundaries of the rock mass in the lower water-resisting layer release energy at the same time is critical to the occurrence of water inrush.     

含裂隙煤层底板突水规律的数值模拟与工程应用

本文结合淮北杨庄矿某工作面实际工程情况, 利用NCAP-2D-W对煤层底板突水进行多方案的数值模拟试验研究。主要内容包括:(1) 考虑在承压水不变的条件下,设计不同裂隙分布状态,探讨单裂隙、多裂隙、不同长度裂隙对煤层底板破坏的影响及开采矿压对裂隙顶部破坏的影响;(2) 考虑承压水的变化,分别考虑单裂隙和多裂隙两种分布状态,探讨裂隙对煤层底板破坏的影响及开采矿压对裂隙底部破坏的影响。通过分析受采动荷载、岩层结构变化、煤层底板中裂隙分布状态及承压水变化等因素影响的数值试验,获得了随开采工作面不断推进煤层底板破坏区的发展、突水导升高度的递增、突水通道的形成等相关规律。     

Experimental simulation of water-inrush disaster from the floor of mine and its mechanism investigation

Mine water inrush is very common in China and can cause hysteretic and severe damages to the safety production of coal mines. Essentially, water inrush from coal floor can be attributed to the connection of cracks and the formation of water channel in floor rocks under the interaction of stress field and seepage field. In this paper, the interaction between cracks, stress field, and seepage field in floor rocks was studied by physical simulation; the evolution law of water inrush from floor cracks was obtained under the fluid-solid coupling effect, and the monitoring of rock stress and seepage pressure was realized by virtue of soil pressure and pore-pressure sensors. The results indicated that the permeability of floor rocks had regional and temporal characteristics due to the cyclical variation of in-situ floor stress. The high-permeability zone occurred under the early mining stress area, and gradually extended and connected inside the floor. As a result, more confined water could flood into the connected cracks and thus changed the seepage field in front of working face. This work provides new approaches and knowledge for researching coal floor water inrush and has important significances for the prevention of coal water disasters.     

基于岩体阻水能力测试的煤层底板突水评价方法

以金牛能源股份有限公司邢台矿9号煤开采为例,对底板岩体质量及阻水性能进行了评价。首先分析了开采煤层的底板岩体地质结构,获取了岩石力学参数;进行了地应力测试,掌握了该区域地应力性质;进行了矿山压力显现规律研究,获取了工作面的初次垮落步距、周期来压步距和来压强度;在综放和综采工作面进行了底板破坏深度测试,得到了不同开采条件下煤层底板破坏深度;采用三维非线性固-液耦合岩石水力学计算方法,以非线性数值模拟软件ANSYS为手段,建立了三维数值仿真模型,根据矿井水文地质、工程地质特征和开采技术条件,分4种工况,对不同开采阶段、不同深度煤层底板应力分布、破坏状态的影响进行了分析研究。数值模拟结果表明,从突水的必要条件(底板破裂带贯通)和充分条件(水平应力小于承压水压力)来考察,在本次计算采用的工作面开采条件和正常的地质条件下,突水的可能性由大到小依此为:工况Ⅳ >工况Ⅲ >工况Ⅱ >工况Ⅰ,由此为该矿首个9号煤工作面开采选择提供了依据。