深部带压开采:传承与创新

回顾了带压开采的传承与创新发展历程。阐述带压开采的概念及充要条件,以带压开采的内涵为基础,定义侵蚀基准面为浅部和深部带压开采的分界线（面）,明确承压水上采煤为带压开采,而含水层“下”采煤不属于带压开采范畴,纠正《煤矿安全规程》中有关“顶、底板带压”的不妥表述。梳理了直接为带压开采服务的理论和技术,探（探查）、治（防治）、保（保障）3项技术,机理（致灾机理）、评价（危险性评价）、预测（灾变预测）3项理论,即构成带压开采理论技术体系;华北煤田奥陶系岩溶随深度增加发育减弱,由此推断,空间上深部岩溶径流带多形成在古岩溶系统中,而现代岩溶径流带则发育于现代岩溶中。深部隔水层损伤裂隙增多,为采后承压水导升奠定物质基础。总结对比了浅部和深部底板岩溶水害特征,阐明深部奥陶纪灰岩（简称奥灰）水突水机理,沿裂隙渗透、扩容、压裂,薄层灰岩中转,不断向上导升,形成大面积散流突水。从理论上说明突水系数已不适用隔水层厚度超出80 m的情形,提出厚、巨厚隔水层带压开采评价方法:p₀ > 3σ₃-σ₁-p_p+s_T;依据隔水层厚度、底板破坏带、奥灰导升带、突水系数等因素将底板类型划分为5类隔水层,提出相应5级带压开采条件以及5种治理模式;针对深部带压开采复杂条件,倡导应用“全时空”水害综合防治思想理念及技术。面向未来,地质体+水流的本构模型仍是学术界需攻克的最大难题,现实的“卡脖子”难题,如深部岩溶发育规律、精细探查技术、水害机理及评价预测、综合治理技术等,是实现安全带压开采的关键。      

考虑围岩应变软化及采空区接触的深部煤层底板破坏分析

为研究深部煤层开采底板破坏形态,提出考虑围岩应变软化和采空区接触的FLAC3D有限差分数值方法,以河北开平煤田林西矿2023工作面底板实测导水裂隙带为工程背景,结合朗肯土压力理论定性分析,研究深部煤层底板破坏特征。结果表明:采用应变软化本构关系代替常用摩尔–库伦本构关系能够对围岩塑性破坏后的力学状态更准确表述;采用“应变软化–空–弹性”模型转变的方法,达到模拟采空区顶板垮落后应力传递的效果,弥补了以往煤层开采模拟中采空区垮落后顶底板不接触的固有缺陷;通过采空区顶底板接触与否条件下应力、位移的对比,发现采空区是否接触对数值结果影响巨大,突出考虑采空区接触的必要性;根据模拟结果中塑性剪切应变率的变化,实现了底板滑移面的三维显示,形态为斜向采空区的半包围面状结构;结合朗肯土压力理论将底板塑性区与主动区、过渡区和被动区对应,3个区破坏形式分别为剪切破坏、剪切破坏、拉张与剪切的交互破坏。提出的考虑围岩应变软化及采空区接触的FLAC3D数值方法对煤层开采模拟实现了优化,并可为其他大变形后需考虑接触的工程模拟提供参考。