承压水上开采倾斜底板破坏特征与突水危险性分析

我国煤炭资源的开采受水害威胁严重,为了研究承压水上煤层开采倾斜底板破坏特征,分析底板突水危险性,基于FLAC~(3D)软件模拟研究倾斜底板开采破坏形态和突水通道形成过程,利用“双端封堵测漏装置”进行底板深度破坏特征原位测试,并建立倾斜底板隔水关键层理论力学模型,探讨采空区岩石垮落、重新压实和非均匀分布承压水等协同作用对倾斜隔水关键层稳定性的影响。研究表明:(1)采后倾斜底板形成明显的“三带”破坏特征,塑性破坏区的分布非对称性特征明显,沿工作面走向底板近似“勺形”破坏形态,沿工作面倾向具有“上小下大”的倒马鞍形剪切破坏特征,且数值模拟的最大破坏深度为16.71 m,与现场实测倾斜底板法向的破坏深度15.49 m大致相当;(2)理论计算倾斜底板隔水关键层的预先破坏并不是发生在其边界中部,而是分别从经过最大挠度点的曲线与右侧边界、下端部边界的法向相交处起裂,并沿边界相互贯通,逐渐扩展至整个隔水层内部区域;(3)计算得到倾斜隔水关键层的易突水部位分别为A、B和C且突水危险性R(B)R(A)R(C),这与模拟得到的倾斜底板突水通道的形成部位和数量、形成顺序及突水危险程度均较吻合。本文研究成果可为带压开采下倾斜底板突水的评价及安全治理提供一定的理论指导和参考。     

断层破裂带附近采场采动效应的流固耦合分析

矿井底板突水是一个复杂的多物理场耦合问题,结合含断层破裂带条件下采场开采的工程背景,通过离散元流固耦合分析,研究了采场工作面推进过程中断层带的变形与受力情况以及底板支承压力、渗流矢量和渗流速度的动态发展规律和分布特征。相关模拟结果表明,采场中煤层的开采与断层破裂带之间是相互影响的,以支承压力为代表的采动应力是底板破坏形成导水裂隙带及断层“活化”突水的一个主要诱因,而断层的存在也使得工作面与断层带范围内的围岩应力更加集中,增大了底板破坏突水的危险性。采动过程中,底板破坏所形成的导水裂隙带主要集中在工作面前方及下方围岩中,这些区域渗流速度较大,是形成突水的主要通道。     

倾斜煤层底板破坏特征的微震监测

带压开采是承压水上采煤的主要方法,底板采动破坏深度的确定是实现带压开采的关键和前提。针对底板采动破坏深度现场测量方法的局限性,特别是倾斜煤层（煤层倾角在25°～45°之间）底板采动破坏深度的现场测量。以桃园煤矿1066工作面为例,利用高精度微震监测技术,对承压水上倾斜煤层底板的采动破坏特征进行了连续的、动态监测。监测结果表明：（1）工作面运输巷（下顺槽）附近的底板比工作面回风巷（上顺槽）附近的底板破坏深度更深,破坏范围更大;（2）倾斜煤层工作面底板破坏形态整体呈现为一个下大上小的非对称形态。根据微震监测结果,确定了1066工作面回风巷和运输巷附近底板的最大破坏深度,划分了倾斜煤层工作面底板突水危险区域。将微震监测的倾斜煤层底板破坏深度与经验公式计算的底板破坏深度进行了对比,指出了经验公式存在的不足     

深部开采底板隔水关键层受局部高承压水作用破坏理论分析

大量实测地质资料与防治水实践证实,深部煤层开采底板含水层存在大量的局部高承压水区域,在强开采扰动下极易诱发底板突水灾害。基于“下三带”、“关键层”理论,将局部高承压水与底板隔水关键层简化为圆筒力学模型,分析研究隔水关键层在局部高承压水作用下的屈服破坏机制,得到了隔水关键层发生屈服的4个临界水压值公式;对各临界水压值进行区间划分,分析不同区间隔水关键层的屈服状态,确定了局部高承压水致使隔水关键层屈服破坏两个阶段的水压判据平衡方程,得出了奥陶系顶部岩层作为隔水关键层剩余隔水能力的计算表达式,并反演得到了开采深度上限、下限公式。结合九龙矿深部开采实际,对所建力学模型进行了验证与应用,进而提出了防止局部高承压水致灾的相关措施,对实现深部煤层安全带压开采具有重要的理论指导意义。     

大采深倾斜薄煤层底板采动破坏形态的连续探测

利用多回路钻孔注(放)水连续探测系统,结合断裂力学分析,研究了大采深倾斜薄煤层底板采动破坏特征与形态,结果表明底板破坏形态为一匙形,与厚煤层开采所形成的破坏形态相比其破坏特征的差异在于,底板采动裂隙主要是原生节理裂隙的扩展,而工作面推过压实后,绝大部分裂隙又趋于闭合。      

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。      

大采深工作面煤层底板采动破坏深度测试

针对邢东矿大采深的情况,利用现场底板注水试验对2121工作面底板采动破坏深度进行了测试研究,依据单位注水量的动态变化以及注水孔与采线之间的距离关系,确定了底板破坏深度。试验结果表明:该工作面底板破坏深度为32.5~35m,比300m采深以内的工作面实测深度(9.15~12.0m)增加2倍以上,说明随着开采深度的增加,煤层底板采动破坏深度呈明显增大的趋势,因此,在水压和破坏深度二者同时增加的条件下,2121工作面深部煤层开采的突水危险性远远大于浅部煤层。测试结果为邢东矿大采深工作面的防治水方案的制订提供了科学依据。      

融合突水系数和断裂构造分维值的工作面底板突水危险性评价

针对北皂煤矿H2108工作面开采受底板中砂岩突水威胁的现状,在综合分析工作面水文地质特征和底板突水危险性影响因素的基础上,为解决突水系数法评价煤层底板突水危险性的局限性,提出运用信息融合的方法将突水系数与断裂构造分维值相融合,对工作面开采突水的可能性进行了综合评价,并对煤层底板突水的危险区域进行分区与预测,得出了北皂煤矿H2108工作面总体能实现安全开采的结论,给出了工作面安全开采底板突水防治措施。     

新义煤矿底板采动破坏规律及突水危险性研究

为了研究新义煤矿煤层底板的突水危险性,分析了矿区的水文地质条件,设计了底板采动破坏的测试方案,结合FLAC数值模拟软件和经验公式对底板采动破坏深度进行了分析,采用考虑矿压影响的斯列萨列夫公式对底板突水危险性进行了评价,为新义煤矿的安全合理开采提供了科学依据。     

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。     

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。      

沿空留巷采煤对底板扰动破坏深度影响

以韩城矿区桑树坪煤矿下组煤3105工作面开采实际情况为背景,采用现场声波测试和数值模拟方法,对沿空留巷开采条件下煤层底板扰动破坏规律进行了研究。声波测试成果表明工作面底板扰动破坏深度为13.2~14.6 m,数值模拟成果显示工作面底板破坏深度为13.0~14.5 m,两种方法结果较为一致。通过与正常开采条件下底板破坏深度进行对比,结果表明,采用无煤柱式的沿空留巷开采技术不会对底板破坏深度造成较大影响。研究成果为国内底板带压工作面采用沿空留巷技术开采过程中底板扰动破坏规律的确定提供依据。      

山西新阳矿太原组下组煤层底板岩溶水突水安全性评价

新阳矿9-10-11号煤层底板低于奥灰岩溶水位,承受水压较高,存在带压开采问题。依据矿区水文地质勘查资料,通过对9-10-11号煤层底板隔水岩层隔水性能、奥灰岩溶水富水程度、底板断裂构造发育情况、煤层底板承压大小以及采煤扰动底板破坏深度等突水因素分析,表明井田西南部断裂构造发育地段为突水危险区。分别采用突水系数法和突水危险度法对全井田9-10-11号煤层底板突水危险性进行评价,评价结果显示井田南部及断裂构造发育地段为突水危险区。理论分析与定量评价结果基本一致。针对9-10-11号煤层底板突水安全评价结果,提出了相应的防突水对策。     

大采深倾斜薄煤层底板采动破坏开态的连续探测

利用多回路钻孔注（放）水连续探测系统,结合断裂力学分析,了大采深倾斜薄煤层底板采动破坏特征与形态,结果表明底板破坏形态为一匙形,与厚煤层开采所形成的破坏形态相比其破坏特征的差异在于底板采动裂隙主要是原生节理裂隙的扩展,而工作面推过压实后,绝大部分裂隙又趋于闭合。     

团柏煤矿带压开采条件下11-101工作面合理长度

山西省霍州团柏煤矿11-101工作面为带压开采。为预防回采期间底板突水事故,采用弹塑性理论、现场实测、数值模拟验证相结合的方法,对不同工作面长度条件下底板破坏深度发育规律进行研究,进而确定该条件下开采的工作面合理长度。研究表明,随着工作面推进,滞后工作面6 m左右底板首先发生拉伸破坏,底板破坏呈楔形。工作面长度在60~120 m,破坏深度随着工作面长度增加呈线性增长,平均每增加10 m,破坏深度加深1 m。理论计算与数值模拟计算得出80 m工作面底板破坏深度为7~8 m,现场实测底板破坏深度为7.5 m,故工作面合理开采长度为80 m时,能够确保11-101工作面生产安全。      

深部开采隐伏构造扩展活化及突水试验研究

深部开采突水具有突发性、滞后性和强致灾性等特点,研究突水通道成因、演变规律和致灾机制成为控制深部开采底板突水的关键。大量的防治水实践和理论证实,构造突水通道一般发生在构造与岩层接触面处,为此建立隐伏构造条块体突水判据模型,应用剪切破坏理论方法得到突水理论判据;借助深部承压水上底板断层扩展活化及导水通道演化物理模拟试验,研制了固-流耦合相似材料,选取模拟断层破坏活化的材料并进行了模拟材料的可行性分析;试验直观地展现了含隐伏断层底板在采动应力扰动和高承压水共同作用下底板裂隙形成、隐伏断层扩展、突水通道贯通的全过程。通过对试验监测数据和现象的解读,揭示了应力场-渗流场耦合作用下承压水体上采煤底板滞后突水的机制,并对突水路径形成的时空规律进行了分析探讨,为研究深部开采构造突水提供了新的方法和认识。     

带压开采煤层底板破坏深度理论分析及数值模拟——以陕西澄合矿区董家河煤矿5号煤层为例

随着煤矿开采深度的不断增加,带压开采已经成为深部矿井普遍应用的一种采煤方法,而带压水上采煤的关键问题之一是确定采动引起的底板破坏深度。针对董家河煤矿5号煤层开采引起的底板采动破坏深度开展相关研究,以该矿的507综采工作面开采为工程背景,采用理论分析和数值模拟相结合的办法,动态再现了整个底板岩层渐进破坏过程,并得出底板岩层的最大破坏深度为10-11 m,该结果与现场实测结果一致;同时给出了该矿底板岩层破坏深度与工作面斜长和埋深关系的经验公式。该结论为董家河煤矿带压开采工作面煤层底板突水预测与防治提供了科学依据。     

数值模拟在回坡底煤矿底板突水防治中的应用

随着煤矿开采深度的不断增加,将面临高承压水的严重威胁,带压开采已成为深部煤炭资源开采的主要方式。应用RFPA2D-Flow系统对煤层底板破坏深度进行了数值模拟,得出了回坡底煤矿采煤工作面煤层底板岩层的破坏深度约为12 m;同时,当回采到110 m处时,自切眼向掘进方向50～80 m处出现漏斗状底板破坏区,该破坏区将可能导通底部奥灰水,使煤层底板发生突水。     

带压开采煤层底板破坏深度理论分析及数值模拟——以陕西澄合矿区董家河煤矿5号煤层为例

随着煤矿开采深度的不断增加,带压开采已经成为深部矿井普遍应用的一种采煤方法,而带压水上采煤的关键问题之一是确定采动引起的底板破坏深度。针对董家河煤矿5号煤层开采引起的底板采动破坏深度开展相关研究,以该矿的507综采工作面开采为工程背景,采用理论分析和数值模拟相结合的办法,动态再现了整个底板岩层渐进破坏过程,并得出底板岩层的最大破坏深度为10~11 m,该结果与现场实测结果一致;同时给出了该矿底板岩层破坏深度与工作面斜长和埋深关系的经验公式。该结论为董家河煤矿带压开采工作面煤层底板突水预测与防治提供了科学依据。      

对“动力扰动诱发承压底板关键层失稳的突变理论研究”的讨论

《岩土力学》2010年第8期刊登了"动力扰动诱发承压底板关键层失稳的突变理论研究"一文[1](以下称为原文),原文的分析模型引用文献[2],认为对于长壁全陷采煤工作面,可以假设底板隔水带是四边固支的矩形平板[2]。隔水底板上部受已破坏的底板导水裂隙带的重力Fr作用,下部受均布水压力Fw作用;平板边界受水平力H、剪应力N和