岩石临界抗渗强度的测定及其在工程中的应用

通过岩石伺服渗透试验获得渗透率-应变关系和应力-应变关系曲线,对比分析岩石破坏前的渗透率、应力与应变之间的关系特点,提出了岩石临界抗渗强度的概念,阐述了将其作为岩石变形过程渗透性特征参数的工程意义,并实际应用于杨村煤矿煤层底板带(水)压开采隔水层阻水能力的评价。      

回采工作面围岩采动应变场-渗透系数场耦合

采动岩体变形与渗透特性是工作面突水防治研究的基本问题。采用理论分析和数值模拟计算方法,分析了岩石变形-渗透特征及其三维定量关系,研究了煤炭开采中回采工作面围岩应变场、渗透系数场分布及其控制因素。研究结果表明,采动岩体渗透性变化主要取决于应变状态及应变增量,且随着垂直于裂隙的张应变的增加而增加;工作面后方垮落带和煤壁边缘的剪碎带产生剧烈的采动拉伸变形,渗透系数较采前显著增大,而支承压力区和整体移动带岩层产生较大的采动压缩变形,渗透系数较采前明显减小;工作面围岩垂向渗透系数较水平渗透系数增加的幅度及增加区的范围小,但对水体下采煤工作面涌水起主导作用。加快工作面推进速度、减小工作面斜长和采高能降低采场围岩渗透系数增加幅度,并将渗透系数场变化范围局限在采区附近,能有效减小采动对原始煤岩层渗透性的影响。      

工作面底板变形与破坏电阻率特征

通过建立回采过程中底板岩层变形破坏过程的地球物理数值模型,采用正演计算方法分析底板破坏带的电阻率变化特征,并在五矿8403工作面布置网络并行电法探测系统,进行现场观测。模拟数据和现场探测结果表明,煤层底板视电阻率值与工作面开采过程密切相关,在回采工作面后方电阻率剖面图出现明显高阻异常,其高阻异常位置与底板破坏位置相对应;在回采工作面前方出现相对低阻异常,其低阻分布位置与矿压引起的高应力区相当;随着工作面的推进,高、低阻异常同步变化。根据这种底板岩石的电阻率变化,结合矿井水文地质特征,可进行煤层底板破坏规律的动态勘探,有利于底板破坏突水的预测预报工作。      

突水预测的采动煤层底板相似模拟方法研究

以淮北朱庄矿Ⅲ６１６综采工作面为原型建立了相似模型,模拟工作面回采过程中的应力和位移变化,模拟结果表明：由切眼向前开挖至４５～５０ｍ老顶岩层初次断裂失稳,底板岩层压张应力差最大,采动造成的底板变形破坏深度在１６ｍ以上,为突水危险地段,与数值模拟方法相拟合计算采动造成的底板应力变化。选取Ｄｒｕｃｋｅｒ－ｐｒａｇｅｒ屈服条件作为判断岩石是否破坏为突水判据,由煤层底板塑性区分布图反映,当开挖至４９ｍ左右     

高瓦斯煤的渗透性试验

煤岩体变形和强度以及流体在多孔隙裂隙煤中的渗流规律,是高瓦斯煤层开采中关注的问题。阐述了高瓦斯煤力学介质属性、微结构模型、渗透特性及其孔裂隙和破碎块度的分形特征;利用电液伺服岩石力学试验系统,以数控瞬态渗透法进行了煤样全应力应变过程的电液伺服试验,研究了全应力应变过程中煤样渗透性的变化特征。试验结果显示:煤样的力学性能与其微结构和微孔隙特征密切相关,渗透率变化与试样内部裂隙发展变化过程密切相关。     

煤系沉积岩应力–应变与应变–渗透率特征

通过对济宁三号煤矿岩样进行现场采取和室内试验分析,探究对开采有威胁的3煤层顶板砂岩和红层的渗透率特征。试验结果表明,中粗砂岩的渗透率最大,泥岩样的渗透率相对较小;应力对岩石的渗透率有很大的影响,主要体现在节理的法向闭合和剪胀效应,其中应力剪胀能显著地改变岩石节理的渗透性;岩石应变渗透率曲线,表现出渗透率峰值"滞后"的特点;在岩石处于弹塑性阶段时候,渗透率的变化剧烈且具有不可预测性,然而岩石渗透率与体积应变有很好的一致性。通过对实验结果的归纳总结,本文将岩石在全应力应变过程中渗透率变化划分成5个阶段:微裂隙压密闭合阶段、微裂隙随机扩展阶段、裂隙扩展贯通阶段、裂隙错动充分发育阶段和裂隙二次闭合阶段。     

脆性岩石全应力-应变过程渗流特性试验研究

为了探讨岩石在整个变形过程中渗透性变化特点,取三峡永久船闸高边坡花岗岩与山西万家寨水电站高边坡灰岩试样分别进行不同围压条件下全应力-应变过程渗流试验。试验结果表明：岩石在破坏前后不同变形阶段渗流特性具有明显不同;岩石变形过程渗透性与变形破坏形式密切相关。在试验基础上进一步探讨了岩石全应力-应变过程渗流特点之机理,为研究水电工程节理裂隙岩体应力场与渗流场耦合问题提供有价值的支持。     

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。     

突水预测的采动煤层底板相似模拟方法研究

以淮北朱庄矿Ⅲ616综采工作面为原型建立了相似模型,模拟工作面回采过程中的应力和位移变化。模拟结果表明由切眼向前开挖至45～50 m,老顶岩层初次断裂失稳,底板岩层压张应力差最大,采动造成的底板变形破坏深度在16 m以上,为突水危险地段;与数值模拟方法相拟合,计算采动造成的底板应力变化,选取Drucker-prager屈服条件作为判断岩石是否破坏为突水判据,由煤层底板塑性区分布图反映,当开挖至49 m左右时,底部导升区和上部采动破坏带基本贯通,可能发生突水。据此对工作面进行了布置,并采取了相应防范措施,取得了良好的应用结果。     

脆性岩石变形机制与渗透率关系研究

为研究脆性岩石变形机制与渗透率- 应变的关系,根据脆性岩石应力- 应变和渗透率- 应变关系曲线分析指出：脆性 岩石经压密、弹性变形和非稳定破裂后,内部微裂隙出现丛集式发展,且不断合并、贯通,导致微观结构发生明显变化, 使渗透率在临界破坏点处急剧增大;当岩石宏观破坏后,内部结构面上的岩桥或凸起体部分被剪断或磨平,使得岩石强度 随变形突然下降,此时渗透率到达峰值。结合重整化群理论分析表明,脆性岩石在应力- 应变曲线拐点处应变和渗透率峰 值点处应变对应、临界破坏点处应变和渗透率急剧增大点处应变对应。通过试验研究和实例统计分析,验证了结论的合理性。     

基于煤层巷道开挖卸荷效应的底板冲击孕育过程研究

采用相似模拟和数值模拟研究了河南义马煤田跃进矿采掘影响下巷道底板的应力及变形规律,揭示底板冲击矿压发生前的孕育过程。研究表明,巷道底板冲击受煤层埋深、顶板条件、巷道施工布置方式等多因素影响。在巨厚坚硬上覆砾岩影响下,工作面开采增加了相邻工作面的应力水平。在厚煤层中巷道沿顶板布置留底煤,巷道开挖后,一定范围的煤层底板中的水平应力升高,垂直应力降低,增加了煤层失稳破坏的可能性。巷道开挖卸荷过程中,底板由于没有支护,垂直位移增加,底板的塑性区范围大于两帮,并产生了明显的拉伸破坏,容易使底板成为冲击破坏突破口。      

断层对顶板稳定性影响相似模拟试验研究

通过相似模拟试验方法分析了不同倾向高角度正断层, 在采动影响下顶板岩体变形破坏和矿压分布规律。结果表明, 在采动影响下断层“活化”,断层带及其影响范围内的岩体破碎, 表现为周期断裂步距小, 冒落带高, 尤其是断层下盘, 顶板稳定性差; 当工作面开采到离断层面22.5~ 30 m时, 直到断层位置的前方煤体中支承压力增大, 煤体被压碎, 且随着距断层面距离的缩小, 支承压力的峰值位置向工作面前方转移; 通过断层后, 顶板岩体中支承压力减小, 比无断层存在的情况要低。      

深井孤岛工作面巷道围岩采动应力分区演化特征

针对深井孤岛工作面煤巷大变形问题,采用现场实测手段研究了回采过程中巷道和采空区应力动态演化规律以及巷道围岩变形破坏演化特征。研究结果表明：深井孤岛工作面巷道围岩应力演化与变形破坏具有显著的阶段性特征,工作面前方大于250 m范围,巷道围岩未受采动影响,围岩应力变化较小且变形主要集中在底板与煤柱肩窝;工作面前方100～250 m支护结构受力增大,巷道浅部围岩破碎,顶底板移近及煤柱内挤变形突出,巷道出现明显的非对称变形破坏;工作面前方100 m为强烈采动影响阶段,尤其是在工作面前方20～22 m围岩垂直应力与空间主应力变化比较剧烈,顶底板移近与两帮内挤变形更加突出,巷道围岩表现出明显的大变形破坏特征。根据采空区应力分区特征分析了顶板覆岩结构的动态演化过程。结合应力与变形破坏演化特征,提出了巷道支护对策,以期为深井巷道围岩控制提供一定指导。     

软硬相间岩层底板变形研究

引入损伤变量ω理论,分析水平状软硬相间岩层在竖向应力下的应力-应变关系：再引用弹性模量E和岩层厚度L两个变形参数建立软硬相间岩层底板变形参数方程,得出竖向应力随着底板深度的增加而减小的规律：运用数值模拟软件,建立煤层开采模型,模拟软硬相间岩层底板在采动作用下的变形过程。通过数值分析底板在采动作用下的应力-应变关系和位移特征,发现竖向应力作用下软岩受到的水平应力比硬岩大,竖向应变也比硬岩大,而竖向应力和水平应变变化不大,认为在采动影响下软硬相间岩层底板中的软岩具有吸收更多的应变能来保护软岩下硬岩的变形特点。     

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.     

准格尔煤田特厚煤层开采底板破坏特征综合测试研究

鄂尔多斯盆地准格尔煤田某矿石炭-二叠系6煤层为特厚煤层,平均可采厚度17.0 m,其底板受到灰岩水的威胁。针对这种情况,现场采用分布式光纤传感及跨孔电阻率CT原位综合测试技术,先后获得了采动过程中多个工作面底板破坏应变场及地电场响应特征数据。结合岩样加载变形破坏的判别阈值参数及探测实践,对采区内4个工作面底板测试数据进行综合分析,获得了区内底板岩层破坏空间特征及其规律认识。分析认为底板破坏在垂向上具有明显的分带性,采区工作面底板破坏深度在7.2~16.5 m,主要破坏层位在细砂岩以上层段,扰动影响最大深度在33 m左右,主要扰动层位在砂质泥岩以上层段;底板破坏在横向上具有超前性,超前距离在25~60 m范围;区内工作面底板破坏特征具有一定的相似性,动压影响下的底板损伤程度在空间上呈东北区域浅、西南区域深的分布规律。原位测试所获得的数据对区内6煤层水害防治及安全开采具有指导作用。      

基于钻孔雷达的透明工作面构建方法

煤岩界面的高精度探测是构建智能开采三维地质模型的关键难点。提出利用煤矿井下顺层孔实施单孔反射雷达,联合多孔探测结果构建区域煤岩界面地质模型实现透明工作面的方法。对单孔雷达数据,利用巷道波同相轴斜率计算煤层雷达波速度,采用空间约束偏移成像实现煤层顶/底板反射界面精准归位。形成3种匹配实际开采的透明工作面构建模式:回采前长钻孔模式、回采中短钻孔模式和联合模式。在山西某矿31004工作面对回采中短钻孔模式进行试验性应用,基于钻孔雷达构建的工作面地质模型与原始地质模型相比,局部信息刻画更精细,顶、底界面及煤厚与实际数据误差分别小于0.57、0.54、0.30 m。结果表明:钻孔雷达能高精度探测煤厚与顶、底界面,可实现透明工作面的构建。      

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。     

基于FlAC（3D）模型的新集一矿岩溶水危险性研究

新集一矿1#煤层为矿区埋深最大的山西组煤层,太原组灰岩含水层是1#煤层开采时威胁最大的含水层。为合理评价1#煤层受太原组灰岩突水的威胁及煤层的可采性,按照煤层底板隔水层厚度、岩性组合及其力学性质,建立了FlAC3D模型。通过该数值模型对1#煤层进行模拟40m、80m、120m三次开挖,并用顶底板岩层的主应力差来反映其所处的变形阶段,分析了顶板来压前后底板的不同应力状态对突水危险性的影响,获得了开采1#煤层的顶板最大悬顶距、底板最大破坏深度等参数,认为开挖长度达到105m时,是最易突水位置,从而为后续详细勘探和工作面设计工作提供了参考。