深部煤层开采软-硬-软互层组合底板应力分布与破坏特征模拟研究

以恒源煤矿Ⅱ633工作面为工程地质背景,运用FLAC3D5.0建立三维计算模型,对软-硬-软互层特定沉积结构底板在深部开采条件下的应力、位移以及底板塑性区变化进行研究。结果表明:在工作面推进过程中,煤层底板经历了集中应力压缩-底板隆起卸压-顶板垮落再压缩的反复破坏,应力变化曲线呈类"M"形,应力集中系数最大为1.74,采空区顶板垮落后,底板应力逐渐恢复到原岩应力的0.75～0.8倍左右;位移变化曲线呈"锯齿"状分布,最大向下位移量为-6.5 cm左右,最大底鼓量为+16.4 cm,工作面推进长度越长,底鼓跨距越大;工作面底板塑性区发育深度最大为12 m,发育范围逐渐扩大,且对比经验公式计算结果可得模拟结果的正确性与可靠性。     

煤层底板承压水导升监测系统研发与应用

为深入分析底板导水通道的演化形成过程及承压水导升规律,自主研制了底板承压水导升监测系统,该系统由承压水加载系统、承压水导升系统组成。试验结果表明:承压水导升监测系统不仅可以较为精准地模拟含水层对底板岩体的力学作用,而且可直观地再现底板不同位置处承压水的导升情况;当采动压力峰值经过导升管所处位置后往往会造成该处水流量增加,并伴随底板岩体应力不断释放,承压水导升高度也随之增加,底板岩体卸荷程度与监测管出水量同步达到峰值。     

采动诱发断层活化规律相似模拟试验研究

针对煤层回采诱发断层活化突水的复杂问题,以五沟煤矿F13断层为背景,借助二维相似材料实验平台,通过所设计的代替含水层的水囊加载方式以考虑承压水的作用,对煤层采动过程中断层活化规律进行了深入研究。研究结果表明:断层上盘界面无论是垂直位移还是水平位移都比断层下盘界面位移量大;无论是断层上盘或是下盘,断层界面的垂直位移都比水平位移大;水囊加载方式是一种行至有效的和试验方法,能有效地反映承压水作用下煤层回采对断层活化的影响,研究结果指导五沟煤矿F13断层的防水煤柱留设,既实现了工作面安全回采,又减少了资源浪费,提高矿井的经济效益,同时对类似条件下的断层防水煤柱留设问题也具有借鉴意义。     

带压开采煤层底板破坏突水规律

针对随着开采深度不断加深而带来的承压水威胁进一步增加这一现状,根据具体地质条件,利用相似材料模拟试验以及自主设计的承压水导升模拟装置,观测了承压水在开采不同阶段的导升情况和底板破坏情况,深入研究了从开采伊始到逼近断层时底板从细微破坏到最终导水通道形成的规律;利用对模型进行分层拆解的方法,了解了裂隙的内部发育情况。     

断层带承压水导升模拟试验系统研制与应用

在相似材料试验方面对断层带承压水导升高度数据的采集缺乏有效的监测手段,因此仅从应力变化、裂隙扩展2个角度去研究断层的活化突水规律缺乏一定的系统性。为研究工作面推进过程中断层带的活化特性及注浆工艺对断层突水行为的影响,以新元煤矿的地质条件为背景,运用二维相似材料试验平台和自制的承压水导升系统,对注浆前后工作面推进过程中断层带及附近岩层的应力演化规律、裂隙发育规律、承压水导升特性进行了系统研究。研究结果表明:承压水导升系统不仅使得含水层对底板岩体的力学效用得以表征,且实现了采动过程中水流导升高度数据的连续采集;在工作面推进过程中底板岩体会先后经历采前压缩、采后膨胀、应力恢复3个基本阶段,断层带的"屏障"作用会造成其邻近区域内底板应力集中,破坏区范围加大;随着防水煤柱尺寸的减小,断层带及两盘灰岩含水层受采动应力的扰动越加明显,当煤柱尺寸缩减到小于30 cm后,断层带下盘区域离层量陡增,并且对盘三灰～四灰含水层中原先被浆液封堵的裂隙再次张开;断层带内承压水的导升高度与煤柱尺寸宽度密切相关,注浆工艺有效保证了煤柱尺寸在从36 cm减到30 cm的过程中,水流高度一直保持在9.6 cm,但是工作面在30 cm宽煤柱的基础上再向前推进时断层带内承压水的高度又会急速递增。     

含水层上工作面回采诱发顶底板破坏及应力演化规律试验研究

以五沟煤矿F4、F5断层地质条件为背景,采用相似模拟试验方法,对含水层上正断层上盘工作面回采过程中煤层顶底板岩层破坏及应力变化规律进行研究。结果表明,随着工作面推进,煤层底板的应力峰值随着断层距离的减小而增大;采动影响及含水层水压作用导致煤层底板岩层产生裂隙,衍生出突水通道,突水危险性增加;对F4断层进行注浆加固,阻隔对盘含水层,相对增加工作面与含水层的距离;试验结果表明,下盘含水层对上盘工作面回采的影响减小,可以有效缩小防水煤柱宽度。     

含隐伏断层煤层回采诱发底板突水影响因素研究

针对具体地质条件,采用FLAC~(3D)的固液耦合模式,利用变参数流变模型对含隐伏断层缺陷煤层诱发底板滞后突水影响因素及滞后突水机理进行研究。结果表明:滞后突水是由底板岩体的变形和破坏所引起,其影响因素不仅与隐伏断层与煤层的空间关系及承压水水压有关,而且与隐伏断层发育程度及其与煤层间的空间距离有关;隐伏断层顶界面处的应力随工作面的持续推进先增加后松弛再增加,应力变化导致对应位置处的岩体先压缩后膨胀再压缩,隐伏断层顶界面处的最大垂向位移与煤层埋深之间存在线性关系,而与水压及隐伏断层顶面与煤层间距之间均存在幂指数关系;煤层回采致使地应力重新分布,重新分布的应力影响到底板岩体的渗透能力,使裂隙内的水将静水势能转变成动能,进而对裂隙壁面产生冲刷和扩张作用,这种影响具有时效性,其为滞后突水机理研究的核心内容和关键问题。通过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、隐伏断层损伤破坏到突水通道形成的全过程,揭示了含隐伏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隐伏断层缺陷煤层安全回采具有重要的参考价值。