导水裂隙带高度研究方法概述

导水裂隙带高度的确定是水下采煤工作之重点，目前并没有一个完全可以精确确定的方法，主要的研究方法有经验公式法、物理模拟、数值模拟和现场实测。单靠其中的一种也不能确定，将几种方法相互结合则是准确得到导水裂隙带高度计算方法的重要途径。     

煤层顶板导水裂隙带发育高度工程地质模拟研究——以黑龙江省新发煤矿29~#煤层为例

煤层顶板导水裂隙带发育高度是煤矿设计部门在留设防、隔水煤柱时必须考虑的一个重要参数,对煤矿水体下采煤、顶板防治水具有重要意义。采用实验室工程地质模拟方法,对新发煤矿29#煤层顶板导水裂隙带发育高度进行模拟,模拟的导水裂隙带发育高度为26.3 m;运用关键层理论,计算的导水裂隙带高度为28.29 m。综合确定导水裂隙带发育高度为26.3 m。实验室工程地质模拟方法及应用实例为地质条件相似矿区解决开采上限、留设防(隔)水煤柱等问题提供了方法和数据支持。     

考虑覆岩原生裂隙的导水裂隙带模拟

导水裂隙带高度的确定对松散承压含水层下煤矿安全开采和矿区生态环境保护具有重要意义。以往根据塑性区判断导水裂隙带范围的数值模拟方法不能完全反映覆岩的破断机制。为了更准确地预测导水裂隙带发育高度,应用断裂力学方法,将裂纹尖端K场区内的应力强度因子断裂判据与摩尔-库伦屈服准则结合,提出了原生裂隙存在时的岩石断裂准则。利用自仿射分形模型建立起原生裂隙场分布,并通过有限元分析软件COMSOL Multiphysics将原生裂隙场和岩石断裂准则应用到导水裂隙带发育的数值模拟中,对淮北煤田青东煤矿的839工作面开采进行了模拟计算。结果显示,考虑原生裂隙时,导水裂隙带在贯通后高度达到92.5 m。与传统数值模拟和经验公式法相比,考虑原生裂隙的模拟结果与现场测量结果更为接近。这说明,采用自仿射分形模型所生成的裂隙场可以较好地模拟岩体内复杂而无序的原生裂隙分布,且与传统数值模拟和经验公式法相比,考虑原生裂隙的模拟方法能够更好地反映导水裂隙带的发育规律。      

灵新煤矿导水裂隙带发育高度数值模拟研究

煤矿的开采利用给国民经济发展带来巨大的收益,但也引发了许多环境地质问题,特别在煤层开采过程中,煤层上覆基岩变形破坏形成的裂隙通道极易发生矿井涌（突）水事故,时刻威胁着井下工人的生命安全。本文以灵新煤矿051505工作面为研究对象,利用Flac3D数值模拟软件,对14号主采煤层上覆基岩导水裂隙带高度进行了模拟研究。模拟结果表明：当煤层开采厚度为2.5 m时,导水裂隙带发育最大高度为59.5 m。同时选取经验公式法对导水裂隙带高度进行了计算。最终通过钻孔实测法得到的结果与前两种方法对比分析,数值模拟结果与钻孔实测结果基本吻合,认为数值模拟方法能够高效、简单、合理达到预测导水裂隙带高度的目的,也为同类矿井安全、绿色生产提供一定的借鉴。     

综放开采导水裂隙带高度预测方法

显式拉格朗日差分是８０年代才开始出现的一种新的数值分析方法,已成功地运用于边坡工程,挡土墙设计及围岩支护等方面。本文尝试将其应用于综采放顶煤条件下导水裂隙带高度的预测,结合新集矿１３０３综放工作面进行了模拟分析,根据采后覆岩应力变化特点及破坏状况确定出导水裂隙带高度。实践证明该法在导高预测方面较其它数值方法具有较大的优越性。     

浅埋近距离煤层群开采覆岩与地表移动破坏规律研究

为掌握浅埋近距离煤层群下行开采覆岩破坏及裂隙带发育规律,以红柳林煤矿浅埋近距离煤层群开采为例,采用相似材料模拟和数值模拟研究,对浅埋近距离煤层群下行开采的覆岩破坏特征及裂隙带发育高度进行研究,结果表明：2^-2煤开采的初次来压步距约为60m,周期来压步距约为15m; 2^-2煤覆岩关键层破断后,导水裂隙带高度增长速度变大,并直达地表,高度达165m,裂采比大于27.5;多煤层开采下,3^-1、4^-2煤层导水裂隙带高度发育至上覆煤层底板后均发生突增并直达地表,最终导水裂隙带高度为175m,煤层的重复采动使得地表移动和变形值增大,破坏程度增加;多煤层重复采动导致工作面两侧应力释放,较单煤层开采最大应力值变小。研究结果可为近距离多煤层的安全高效开采提供参考。     

奥陶系石灰岩推覆体含水层下煤层开采覆岩破坏特征研究

采用相似模型试验和数值模拟相结合的方式,分析了奥陶系石灰岩推覆体含水层下煤层开采的覆岩破坏及地表沉陷 特征。经验公式计算,相似模型试验和数值模拟的对比分析表明：该特殊地质条件下,不考虑渗流场影响时,垮落带高度 为采厚的2.2~4.5倍,导水裂隙带高度为采厚的14.0~19.1倍;渗流场的存在使导水裂隙带及垮落带高度增加,此时垮采比为 4.8,裂采比为20.6。因此,从偏安全的角度考虑,煤层的实际开采过程应考虑渗流场的影响,以渗流场-应力场耦合作用 下的导水裂隙带高度作为安全煤（岩）柱合理留设的依据。     

导水裂隙带高度预测途径探讨

导水裂隙带高度是设计防水煤（同夺）柱尺寸的主要技术参数，是煤矿防治水工作的重要内容。本文详细论述了其研究现状及发展趋势，并提出了覆岩体地质环境、覆岩体力学环境和模拟技术三位一体的综合预测评价方法。     

榆神矿区采煤失水危险性分区研究

以榆神矿区区域地质资料为依据,总结了该区煤层与含(隔)水层空间组合类型; 采用三维数值模拟方法,根据塑性条件、破坏准则及应力判别,模拟首采煤层与含(隔)水层空间组合类型下导水裂隙带高度; 通过对比钻孔探测法与数值模拟法,发现数值模拟法具有可行性; 利用模拟结果,绘制矿区导水裂隙带高度空间分布图,总结矿区导水裂隙带高度的整体分布规律; 对比导水裂隙带高度与其首采煤层上覆岩层厚度,总结矿区采煤失水危险性,并进行采煤失水危险性分区; 通过控制采煤失水危险区域的采厚可以达到“保水采煤”的效果。本研究对榆神矿区后期安全生产具有重要的理论意义与实际价值。     

煤层覆岩分类的模糊综合评判

覆岩分类是经验类比法预测导水裂隙带高度的基础,应用模糊数学m相分类法对煤层顶板物理力学性质指标进行处理,寻求煤层顶板对岩性"软""硬"的隶属函数,建立模糊关系矩阵,进行煤层顶板类别的综合判别,并将其结果用于确定计算导水裂隙带高度经验公式的系数值。这一方法可以在很大程度上消除人为因素对覆岩分类的影响,使预测的导水裂隙带高度更符合实际情况。      

导水裂隙带高度预测途径探讨

导水裂隙带高度是设计防水煤（岩）柱尺寸的主要技术参数，是煤矿防治水工作的重要内容。详细论述了其研究现状及发展趋势，并提出了履岩体地质环境，履岩体力学环境和数值模拟技术三位一体的综合预测评价方法。     

中国造山带动力学研究中的数值模拟应用与发展

数值模拟为造山带动力学研究提供了有效的量化工具,但即使研究人员根据造山带不同的动力问题进行针对性模拟,也很难对各种模型的优劣进行判断。文章在研究和分析国内外学者运用数值模拟研究中国造山带动力学成果的基础上,系统总结了造山带动力学数值模拟的方法及研究成果,并对未来的研究方向及趋势进行了展望。与国外造山带研究相比,中国复杂造山带的数值模拟研究仍存在不足,需要加强洋—陆俯冲模拟结果与实际地质情况的对比力度。运用多场耦合以及高精度模拟和高级求解方法相结合的数值模拟是造山带动力学模拟研究的趋势。      

多煤层开采覆岩破断过程的模型试验与数值模拟

首先分析了研究区煤矿山西组煤层剖面和水文地质特征,针对多煤层联合开采的特点和覆岩的工程地质特征,采用工程地质力学模型实验、数值模拟计算相结合的综合研究方法,分析了多煤层开采的采动影响及岩层动态断裂机理,得出了有关岩层移动参数和多层煤同采时应力分布状态,计算得到了多煤层开采垮落带与导水裂隙带的发育高度分别为32m和81.5m,导水裂隙带高度影响范围已经达到风化带,未形成切冒,局部穿透粘土层。     

多场耦合作用下岩体裂隙扩展演化关键问题研究

裂隙岩体热-水-应力（THM）耦合是目前研究的热点和难点。首先总结了裂隙岩体多场耦合的机制、模型、方法及研究内容,并通过分析裂隙对THM耦合的重要控制作用,提出了在THM耦合中考虑裂隙网络扩展演化及模拟的关键问题,同时指出了研究的3个关键点：（1）建立考虑裂隙网络演化的耦合模型;（2）裂隙扩展的数值模拟方法;（3）THM耦合及岩体变形、失稳全过程的数值模拟算法。随后通过对模拟多场耦合和裂隙扩展数值方法的归类比较,重点论述了目前适用于模拟多场耦合下裂隙扩展模拟的各种数值方法（包括有限单元法、无单元法、单位分解法、离散单元法、岩石破裂过程分析方法和数值流形方法）的优缺点,并通过对比研究,推荐采用数值流形方法（NMM）来实现对关键问题的模拟研究。最后,对研究思路和难点进行了初步探讨。     

北大港构造带东翼华北期构造应力场模拟

通过对北大港构造带东翼对油气运聚影响较大的华北期(52~23.5 Ma)进行应力场模拟,结果表明,华北期构造运动的最大主压应力方向为近ESE向。华北期构造运动在北大港构造带东翼的构造剪应力值分布在18~42 MPa,大多分布在22~32 MPa,而在22~25 MPa间有较明显的梯度带,塑性变形后应力释放处,为构造裂缝发育区带。构造裂缝发育区NEE向的断层与华北期构造应力方向之间的夹角较小,开启性较好,有可能成为油气运移和聚集部位,但是也有可能成为油气散失的部位。结合现今构造应力场的模拟结果,综合分析认为构造剪应力值在22~25 MPa的构造发育区带内的ESE向的裂缝发育区带可能形成较好的油气藏,而ENE向的裂缝发育带则易成为现代油气散失的部位。     

The 2D hydro‐mechanically coupled response of a rock mass with fractures via a mixed BEM–FEM technique

This paper describes the essential features of a numerical technique for the simulation of the coupled fluid flow and deformation in a 2D assembly of poroelastic blocks and transmissive fractures. The boundary element method (BEM) is applied to each block to reduce Navier and diffusion equations to a set of integral equations involving block boundary terms, whereas a Galerkin weighted‐residuals finite element method (FEM) is applied to the fracture diffusion equations. In addition, fracture local equilibrium is rendered through spring‐like equations relating the stresses to the relative displacements of the fracture walls. A time‐marching process is implemented leading to an algebraic system where the right‐hand side vector is built based on the collected solutions of the previous time steps. The technique requires the meshing of the fracture network only. The accuracy of the results is adequate even with relatively coarse meshes without the resort to small time steps at the beginning of the simulation. It furnishes outputs that focus only on the salient features of the response. The efficiency of the technique is demonstrated through the illustration of the results of three examples. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

Measuring water quality from individual fractures in open wellbores using hydraulic isolation and the dissolved oxygen alteration method

This study describes a low-cost method for sampling individual fractures in open wellbores in crystalline bedrock utilizing naturally occurring flow conditions in the well. The method entails using the dissolved oxygen alteration method (DOAM) to identify transmissive fractures and vertical flow direction. After obtaining information about relative hydraulic gradients, flow direction in the well is modified using a single control pump to isolate fractures of interest for sampling. Additional dissolved oxygen, injected during the DOAM procedure, serves as a tracer to ensure the water quality in the sampling zone is characteristic of the fracture of interest by requiring a tracer-free zone prior to sampling. Sampling procedures are described conceptually for nine bedrock wells with varying flow conditions containing one, two, or three transmissive inflowing fractures. The method was demonstrated in two crystalline bedrock wells containing one and two transmissive inflowing fractures.     

煤层顶板导水裂缝带高度综合探查技术

新建矿井应进行顶板"两带"实测。采用井下上仰钻孔注水测漏法、井-地联合微震监测法以及UDEC软件数值模拟,综合探查高家堡矿井首采面顶板导水裂缝带发育高度。利用这3种方法获得的工作面停采线附近的导水裂缝带高度数值基本一致,分别为88.03 m、86.54 m和87.00 m,与实际情况相符合。与地面钻孔冲洗液法或井下上仰钻孔注水测漏法探查结果结合起来,井-地联合微震监测具有突出优势,可实现煤层顶板覆岩破坏与变形的时-空动态四维监测,是研究顶板"两带"发育高度及其变化规律的重要方法。