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。     

对隔水底板破断突水机制的突变理论分析的认识——兼对潘岳教授等提问的答复

作者发表于《岩土力学》2010年第8期的文章"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],引起了潘岳和李爱武两位老师的关注和质疑。作者十分感谢潘岳教授等对本文的指正,并十分愿意和两位老师就此问题展开讨论,这对于我们深入认识动力扰动诱发承压底板关键层破裂失稳引起突水的机制大有裨益。     

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     

力幅突变激扰作用的岩石边坡动力敏感性研究

动载荷作用引起岩石边坡失稳破坏,尤其力幅突变激扰作用对边坡稳定影响很大。对动、静载荷作用下岩石力学性质进行了分析,建立了岩石边坡非线性运动方程,分析了岩石边坡动力变形模型及非线性动力响应,得出当扰动频率增加到一定程度,滑体振幅突然增加,产生向上突跳并随力幅的增加继续增加;反之,当力幅较大并逐渐减小时,滑体振幅也随之减小,当扰动的振幅减小至一定程度,滑体振幅突然降低,产生向下突跳减小。对初始条件和力幅突变激扰对岩石力学非线性振动系统的影响进行了分析,得到初始条件的微小变化可引起系统响应的巨大差异,当振幅A极小时,线性系统的振荡很弱,它对非线性系统的作用也很弱,整个系统的运动便可看作两运动的独立叠加。当振幅A再加大到使其幅值超过非线性系统三奇点之间的间隔时,系统可以在这些奇点之间来回跃迁振荡,从而运动复杂化,随振幅A的增加,系统从倍周期运动向混运动变化,研究结果可为岩石边坡的动力稳定提供指导。     

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。     

断层破碎带变形破坏失稳过程模拟

为了研究断层破碎带在采动影响下的变形破坏失稳过程,采用电镜、薄片分析及蠕变力学试验方法分别对范各庄矿F₀断层物质的原样和3种含水量、5组样品的复制样进行了分析研究。在力学实验的基础上,借助数值仿真软件FLAC3D完成了对断层破碎带变形破坏失稳过程的模拟计算。模拟结果较好地刻画出了承压水对上覆岩层及断层带的影响;开采活动对底板岩层的影响;断层破碎带受开采影响的大小和范围;承压水影响的时间效应和特定水头作用下承压水沿断层导升的高度。      

承压水底板突水失稳过程的数值模型初探

利用自行开发的岩石破裂过程渗流与应力耦合分析系统F-RFPA2D,对承压水底板破裂失稳过程进行了数值模拟。在这个数值模型中,材料在开裂破坏过程中流体压力传递通过单元渗流-损伤耦合迭代来实现。根据模拟结果,分析了承压水底板失稳的机理,对承压水底板的突水部位的预测进行了探讨。得出了与实际基本一致的结果,说明了F-RFPA2D作为一种新的数值模拟方法,可以用来研究承压水底板突水问题。      

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。     

采场底板突水相似材料模拟研究

利用相似材料模拟试验，模拟了采场底板突水机理。实验表明，在无断层构造条件下，底板在承压水作用下呈Ｏ－Ｘ型破坏，并且在Ｏ与Ｘ的交点处最容易产生突水通道；在有断层构造条件下，断层突水的实质是在承压水作用下断层两盘的关键层向上产生相对移差。当断层越易产生最大位移差时，越容易突水；在突水的同时还伴随着断层带充填的冲刷。     

基于固有振动频率的危岩安全监测试验研究

危岩体在经历地震和强降雨之后其抗滑力下降,从而导致重力作用失稳,是一种常见的破坏形式。危岩块体的失稳破坏取决于岩体结构面的状况,随着结构面的张开及黏结程度下降,危岩块体会发生失稳而崩塌,基于常规位移监测方法难以达到危岩块体监测预警的目的。而固有振动频率可以有效反映岩体的物理力学参数的变化,进而可以对其安全性做出预判。基于模型试验,在保持下滑力不变的情况下,通过固有振动频率来对滑坡内部的黏结力和摩擦力等力学指标进行分析。通过实际静摩擦力是否达到最大静摩擦力的方法来科学判识岩体的稳定情况。试验结果得出：计算的摩擦力可以有效分析岩体的安全性,并证明固有振动频率在降低至6 Hz以下,岩体开始趋于破坏。同时,得出由于摩擦力破坏后期占据抗滑力的比重逐渐升高,最高达到抗滑力的80%,从而造成破坏末期摩擦力不降反升的情况。基于固有振动频率的监测,可对岩体的损伤做出定量判断,也可评估岩体静摩擦力指标,从而实现扰动后岩体的安全评价。这种基于振动模态的岩体安全监测与损伤评价新的技术思路,将在实际工程中发挥重大作用。     

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     

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。      

肥城煤田下组煤底板隔水能力影响因素分析

分析了肥城煤田下组煤开采时隔水底板岩层阻水能力的影响因素,认为底板隔水层岩性的不均匀性、煤田内的重力滑动构造、矿压作用及承压水的作用是削弱该煤田隔水底板阻水能力的主要影响因素。      

带压开采煤层底板突水安全可靠性分析

为合理评价孙疃煤矿10煤层带压开采的安全可靠性,建立了10煤层隔水底板稳定性可靠度分析模型。考虑底板隔水层厚度、底板岩石容重、抗拉强度等参数为随机变量,采用斯列萨列夫安全隔水层厚度计算公式建立极限状态方程。在研究随机变量概型的基础上,采用JC法、最优化法以及基于最优化的蒙特卡罗法计算隔水底板的可靠度以及失效概率,并探讨了该矿10煤层安全开采的可靠指标,避免了单纯依据定值作为突水判据的某些不合理性。     

煤层底板破坏的断层效应模拟及其在防治水中的应用

梁北煤矿已发生5 次寒武系灰岩底板突水事故,造成重大经济损失。根据矿井的水文地质条件,建立了煤层开采的FLAC 数值模型,利用岩石力学及渗流力学理论,分别模拟了无断层和有断层条件下煤层底板采动破坏带的演化规律,重点讨论了断裂深度及断层空间位置对底板破坏深度的影响。结果表明,断层的存在可使底板采动破坏深度增加20%~33%,断层是突水重点防范区域,遇断层前10 m 直到过断层15 m 须加强防治水工作。根据模拟结果设计了梁北矿11041, 11151,11111 三个工作面底板的注浆加固工程,重点注浆层位分别为底板破坏范围和寒武系顶部裂隙发育带,注浆工程增强了底板的阻水能力,实现了工作面的安全回采。     

井筒冻结孔解冻涌水发生机制及其控制技术

针对冻结井筒解冻后频繁发生涌水灾害的情况,通过工程实例分析了冻结技术、井筒地层条件及解冻涌水特征。结果表明,涌水发生是由于解冻后冻结止水帷幕失效,冻结管周围地层介质渗透性增强,介质接触界面粘结强度降低而致界面缝隙扩大连通,使冻结钻孔连通含、隔水层而形成竖向导水通道,通道内高压水通过井筒薄弱部位发生涌水。采取在井筒外围适宜地层开挖环形巷道,在环形巷道内逐个切断冻结管并向冻结管内外注浆加固,最后将环形巷道用混凝土回填,形成人工隔水塞层。利用RFPA2D-Flow渗流耦合模型验证了该治理方案的可行性,且利用FLAC3D程序计算出环形巷道距离井壁7.50 m是最佳开凿位置。经该措施处理后的井筒涌水由原来的90 m3/h降低至2 m3/h,且井筒保持了稳定。      

A Multi-method Approach for Estimating the Failure Depth of Coal Seam Floor in a Longwall Coal Mine in China

Determining the failure depth of coal seam floor is necessary for safe mining operations, especially when the coal seam is located above confined aquifers with high water pressure. Geomechanical, geophysical, and hydrogeological data collected during the longwall mining of the first working face of coal seam no. 16 in the Nantun coal mine, Shandong Province, China, were used to calculate the failure depth of the coal seam floor above the Ordovician limestone confined aquifer. The multiple method approach employed by this study made use of the plastic sliding theory, empirical formulas, water injection test, and numerical simulation. Multiple methods can compensate for and validate each other and also overcome the intrinsic limitations of any single method. The results showed that the most appropriate value of the failure depth of the coal seam floor in the mine was 14.6 m and this value proved useful for knowing the effective thickness of water pressure-resistant layer below the coal seam. The failure depth also proved to be an important parameter when preventing groundwater flow into the mine from the coal seam floor.     

马兰煤矿主斜井底水仓底板加固防治水方法

山西太原古交矿区马兰煤矿主斜井底水仓布置在奥陶系顶部隔水关键层内,其底板为奥陶系峰峰组灰岩,隔水层厚度4.17 m,受到底板奥灰承压含水层的严重威胁。为了消除突水隐患,在水仓底板岩石变形破坏机理模拟研究的基础上,同时考虑到研究区奥灰含水层距离近、水量大的特殊情况,探索出一种新型注浆加固方法对水仓底板进行注浆加固,并取得了良好效果。设计为一钢筋混凝土盖先覆于水仓底板上,同时用加强筋与围岩连接,之后再采用浅孔低压与深孔高压交替注浆充填的方法进行加固。此方法使水仓底板与围岩成为一个整体,对浆液起到封闭作用,使底板更加稳固。      

矿山压力对底板破坏深度监测研究

目前肥城煤田6 1%的煤炭储量受底板奥陶系灰岩岩溶水威胁,采场底板破坏深度的监测是该煤田底板水害防治的重要内容,选择肥城煤田曹庄井田8煤层和9煤层开采作为监测对象,利用向底板岩层注水方法监测岩层破坏情况。利用专利产品“钻孔双端封堵测漏监测仪”,监测煤层采前的底板原始裂隙发育程度和采后矿山压力底板的破坏深度。监测结果表明,8煤层开采造成的底板破坏深度可达36.5m;9煤层开采底板破坏深度可达14.2m。