岩溶地区隧道裂隙水突出力学机制研究

岩溶地下水是诱发隧道发生突（涌）水地质灾害的主导因素之一,岩溶裂隙水对隧道围岩的危害越来越成为岩溶地区隧道建设中的热点研究问题之一。基于目前岩溶裂隙水突出机制研究现状,运用岩溶地质学、工程水力学和断裂力学相关理论分析岩溶地区隧道水岩相互作用机制,探讨了水岩相互作用对岩溶地区隧道施工发生突（涌）水的影响,揭示岩溶地区隧道裂隙水突出前后过程的力学机制。研究表明：岩溶隧道裂隙水突出是裂隙岩体在岩溶水及水压的持续作用下受施工外力干扰发生劈裂的结果,岩溶水和水压在裂隙岩体突水破坏过程中的力学作用主要体现在4个方面,即突水蓄势期岩溶水对裂隙岩体的软化溶蚀作用、水压对裂隙岩体的劈裂作用,突水失稳期水流的冲刷扩径作用、水压对突水量的动力控制作用。基于上述分析,以断裂力学、弹塑性力学理论为基础,提出岩溶隧道岩溶裂隙水突出的最小岩石防突厚度概念,推导了其半解析解表达式,并为工程实例所验证,其结果可为高风险岩溶地区隧道突水理论与防治措施提供参考。     

开滦矿区地应力场特征及其研究意义

地应力是影响矿井突水的重要因素之一,是存在于地壳中的重要能量场条件。采用现场应力解除法对开滦矿区多个矿井进行了地应力测试,分析了研究区现今地应力分布规律,在此基础上,建立了煤层底板突水危险性与岩石力学性质及地应力之间的相关关系和模型,对范各庄矿12煤层底板和东欢坨矿12-2煤层底板突水危险性进行了评价。研究结果表明,本区地壳浅部现代地应力作用较强,整体处于近东西向挤压应力场中,在挤压应力作用下,煤岩层应力状态主要表现为水平主应力大于垂直主应力,原岩应力主要由构造应力和自重应力场构成。煤层底板突水危险性受岩石力学条件和地应力所控制,当岩石破裂压力大于水压（Pf〉Pw）,则不产生突水;若岩石破裂压力小于水压时,则有可能突水。当承压水的水压（Pw）小于最小水平主应力（σhmin）时,不会产生突水。只有当承压水的水压（Pw）大于最小水平主应力（σhmin）时,存在突水危险性。范各庄矿12煤层底板和东欢坨矿12-2煤层底板破裂压力（Pf）和最小主应力（σhmin）均大于其底板岩体承受的水压（Pw）,本区在无构造破坏卸压条件下是不会发生底板突水的。     

潜导水及其在地下工程洞体突水中的作用

本文提出了潜导水的概念,并通过对潜导水主要特征、潜导水压传递原理、潜导水压大小的分析,阐述了潜导水在地下工程洞体突水中的作用。     

焦作矿区充水特征及突水预测

焦作煤矿是我国著名的岩溶大水矿区，突水危害严重。本文从水文地质入手，在分析矿床充水条件的基础上，对突水机理进行分析研究：确定了中奥陶统岩溶发育带、岩溶水强径流带、构造、水压、隔水层厚度、矿压诸因素对突水的作用和影响，对突水频率、突水强度进行预测，初步提出了减少突水频率、降低突水强度的措施。     

基于岩性-结构的煤层底板突水危险性评价

煤层顶底板突水危险性预测与评价是煤矿突水灾害防治的基础和依据。针对煤层底板隔水介质条件,分析了煤系岩石力学性质,煤层底板突水的岩性、结构和厚度特征,建立了煤层底板突水危险性评价理论和方法。研究表明:煤层底板隔水介质条件取决于隔水层岩性和断裂构造,随着底板泥岩含量增加,煤层底板隔水性能增高,但抗水压能力降低;随着断裂发育程度的增加,底板隔水层由完整结构、块裂结构到碎裂结构和松散结构,煤层底板抗水压能力和隔水性能均降低,突水危险性增大。煤层底板抗水压能力与煤层底板隔水层厚度密切相关,统计表明,煤层底板受的极限水压p与底板隔水层厚度h之间为2次幂函数关系。在传统突水系数的基础上考虑了隔水层的岩性和结构特征,提出了煤层底板突水危险评价分类;进一步根据水压P_w与岩体破裂压力P_c关系和水压P_w与最小主应力σ_hmin关系判断是否突水。      

煤层底板破坏流固耦合数值模拟

根据煤层底板含水层具有不均一性的特点,建立了底板含水层非均布水压力学模型和流固耦合模型,并根据"下三带"理论和弹塑性理论求得了底板保护带突水极限压力的弹性解和塑性解。利用FLAC3D软件对工作面采动底板进行了流固耦合数值模拟,并对煤层采动底板的应力破坏特征以及渗流特征进行了研究。综合采用理论计算和数值模拟的方法对煤层底板进行了突水预测。研究表明:非均布水压模型更符合工程实际,数值模拟方法可以快捷、准确的对煤层底板突水进行预测,对水害防治具有重要意义。     

煤层底板破坏流固耦合数值模拟

根据煤层底板含水层具有不均一性的特点,建立了底板含水层非均布水压力学模型和流固耦合模型,并根据"下三带"理论和弹塑性理论求得了底板保护带突水极限压力的弹性解和塑性解。利用FLAC3D软件对工作面采动底板进行了流固耦合数值模拟,并对煤层采动底板的应力破坏特征以及渗流特征进行了研究。综合采用理论计算和数值模拟的方法对煤层底板进行了突水预测。研究表明:非均布水压模型更符合工程实际,数值模拟方法可以快捷、准确的对煤层底板突水进行预测,对水害防治具有重要意义。      

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。      

采场底板突水条件及位置分析

分析采场突水条件和位置是突水预测的基础,根据采场支撑压力发展规律和底板应力分布特征,进行了突水条件突水位置的研究,底板突水的条件矿压对底板的破坏使其有效隔水层厚度降为零和水压不小于卸压区的侧向压力,在采场的内外应力场形成之前,突水位置在采空区;内外应力场形成之后,突水位置在煤壁附近。     

采场底板突水条件及位置分析

分析采场突水条件和位置是突水预测的基础。根据采场支撑压力发展规律和底板应力分布特征,进行了突水条件突水位置的研究,底板突水的条件是矿压对底板的破坏使其有效隔水层厚度降为零和水压不小于卸压区的侧向压力。在采场的内外应力场形成之前,突水位置在采空区;内外应力场形成之后,突水位置在煤壁附近。     

鲍店煤矿四采区涌水规律分析

鲍店煤矿四采区曾发生５次突水事故。最大突水量２８５．４ｍ３／ｈ。本文通过水质、水量和水位监测资料分析认为：四采区主要的充水水源为侏罗系上统红层中的地下水，红层内部的水力联系较好；充水通道为采动导水裂隙，充水方式主要是顶板淋水和采后突水。随着采动导水裂隙波及范围的扩大，红层地下水位下降速度加快，疏干效应明显。     

国庄矿北大巷突水通道分析

通过对突水水源、突水量特点、固体突出物的总量、突出物的成分组合、突出物的形状以及松散物的主要成分等分析,认为肥城煤田国庄矿北大巷突水通道为岩溶陷落柱。      

承压型隐伏溶洞突水灾变演化过程模型试验

岩溶隧址区强致灾性承压隐伏溶洞较为发育,为研究隧道开挖诱发隔水岩体破裂突水致灾机制,以利川至万州高速公路齐岳山隧道为工程背景,研制了流固耦合相似材料,提出了承压溶洞制备新工艺,自主研发了大型隧道突水灾变演化模拟试验系统。针对隧道开挖方式与溶洞发育尺寸,开展了多种工况下隐伏溶洞突水灾变演化过程模拟试验,研究结果表明：隧道施工过程突水灾害是爆破施工扰动与承压含水溶洞渗透破坏双重作用的结果;受爆破开挖扰动影响,隔水岩体内部裂隙发育密集,重点监测区域累计位移高出人工钻凿开挖27%,应力释放率达23.5%,稳定渗透压力仅为初始压力的36.7%,外加水压加载至40 kPa约15 min后最先突水;相同水压加载条件下,溶洞尺寸越大对隔水岩体渗流场、位移场、应力场的影响越大,位移释放率越大、渗透压力整体水平越低,最终在应力和渗流作用下优势导水通道形成并扩展率先发生突水;承压型隐伏溶洞突水灾变演化过程经历了群裂隙的萌生扩展、优势导水通道的形成、隔水岩体破裂失稳3个阶段。试验结果对隧道突水机制的研究和灾害防治具有一定的指导意义。     

带压开采条件分析与突水可能性评估方法

经过多年来带压开采的理论研究与实践,煤矿采区底板突水的机理已基本明确,尽管在量上把握相关因素与突水的关系,进而达到从根本上预测突水的目的,还需开展更深入的研究,但从已具有代表性的工作面突水条件研究所取得的零散实际观测资料中,可以总结提炼出带压开采条件分析与交水可能性评估的一般方法,比单纯用“突水系数”法更深入一步。本文以邢台矿务局东庞煤矿为例进行了尝试。     

焦作矿区底板突水预报模型

选取对突水有影响的地质因素，如构造、矿压、构造裂隙、断层断距、断层至突水点距离、隔水层厚度、水压等为自变量，以突水点及未突水点的这些资料为基础，用数量化理论（Ⅰ、Ⅱ）的方法，将定性变量数量化，并参与计算，建立了焦作矿区底板突水的定量预报模型。经检验表明，所建模型可靠，可用于实际预测     

焦作矿区演马庄井田突水地质条件分析

井下突水的相关因素主要是岩性、层间距、构造、水压和开采因素，而地质条件即岩性、层间距和构造控制着突水的分布。本文通过对焦作矿区演马庄井田突水介质条件（岩性、层间距）和突水构造条件的研究，对井田内突水危险地带进行了预测，所得结论对井巷工程设计和煤矿生产具有一定意义。     

采场底板突水力学分析

把隔水底板作为脆性岩体,认为底板突水是由于岩体沿断裂面发生滑动造成的。考虑到矿山压力的作用,修正了莫尔－库仑破裂准则。     

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。     

改革采煤方法防治底板突水

通过现场实测和室内研究表明,采煤技术因素对底板突水的影响很大。如何防治底板突水,这里指出了一条改革采煤方法的途径。