用于煤层底板突水机理研究的岩体原位测试技术

底板突水是底板受采动应力和承压水水压共同作用的结果。开拓和采动打破了原有地应力的平衡状态,为达到新的平衡,某些应力相对集中的地方,会释放应变能,使岩体构造发生变化;而承压水的水压对底板隔水层的作用主要是压裂扩容作用与渗水软化作用。本文介绍了由岩体原位应力测试技术、室内三轴渗透仪测定技术和计算机有限元模拟技术组成的岩体应力测试综合技术及其在煤层底板突水预测中的应用。      

受煤层底板承压水威胁的煤层开采安全性分析

从分析煤层底板的裂隙分布出发,建立裂隙岩体的渗流模型,然后应用该模型分析得到的渗流场,采用考虑渗流软化效应的弹塑性有限元方法,分析了煤层开采过程中煤层底板破坏状态,为受煤层安全开采的提供了依据.     

类陷落柱介质渗流突变机制试验研究

岩溶陷落柱是内部结构杂乱无章的特殊地质构造,易成为隐伏于煤层底板下的垂向导水通道,是华北地区石炭二叠系煤田的重大安全隐患。在采动影响下,底板隐伏陷落柱的突水通道通常由底板破坏带和陷落柱共同组成,为了研究其渗流突变机制,利用自行研制的破碎岩体渗透性试验系统,对不同底板破坏带条件下,隐伏陷落柱的渗流特性进行了试验研究。研究结果表明：渗流突变发生的根本原因是大颗粒流失导致破碎岩体孔隙结构改变;发生渗流突变时,流速随渗流边界孔隙直径的增大而增大,同时试样的初始孔隙度均大于0.21;未发生渗流突变时,渗流边界对渗流无显著影响,并且试样的渗透率随孔隙度的增大而增大,渗透率比和孔隙度比存在幂函数关系;非Darcy流 因子为负是渗流突变发生的充分必要条件,非Darcy流 因子的大小决定渗流突变的剧烈程度。     

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。     

底板突水的数值计算方法研究

应用数值计算方法，分析了采动对底板隔水层岩体上都和下部的影响与破坏，对底板突水机理提出了一些规律性的认识。     

轩岗矿区刘家梁煤矿5号煤层带压开采突水危险性分析评价与防治

为了分析评价奥灰含水层对轩岗矿区刘家梁煤矿5号煤层开采威胁程度,确保矿井安全开采,根据矿井以往相关地质及水文地质资料,本文以刘家梁煤矿5号煤层底板带压开采水文地质条件为基础,通过对煤层底板奥灰含水层的富水性、隔水层的岩性组合特征、底板采动破坏深度等综合分析,利用煤层底板采动破坏深度计算分析和5号煤层底板突水系数计算等评价方法,对煤层开采发生底板奥灰突水的危险性进行了综合分析评价,得出了在完整底板情况下5号煤层可以安全回采,同时还提出了煤层带压开采的防治水技术措施。     

循环荷载下完整底板导水通道演化过程研究

采动影响下完整底板防治水的重点是研究岩层由隔水层到导水通道的演化过程。煤层开采引起底板岩体承受压–拉–压循环荷载,并导致弹性模量变化。以弹性模量为损伤变量,采用双标量型D-P弹塑性损伤本构模型,根据成庄矿条件建立数值模型,分析采动底板导水通道演化规律。结果表明,(1)上一计算步煤壁处底板压缩破坏深度随顶板悬露面积增大而再次加深,工作面煤壁位置处底板压缩损伤深度的增长速率在充填体影响下迅速减小(顶板初次垮落),并最终达到稳定(顶板周期垮落);(2)采动底板中同时存在压、拉损伤破裂带,二者相互连通,决定了导水通道的位置;(3)充填体的弹性模量对底板破坏深度有很大影响,其值过低会导致破坏深度持续快速增加。由注水试验所得监测结果与数值模拟成果基本吻合。     

条带法在底板承压水上采煤中应用的数值模拟研究

近年来,条带法被用来作为承压水上采煤的主要采煤方法。针对承压水上采煤问题,应用流固耦合原理,将孔隙介质中孔隙压力与应力建构在统一的本构模型中,平行计算应力场与渗流场,其实质是煤岩体体积应变对孔隙的影响通过流动本构定律加以反映;反之孔隙压力的变化可引起煤岩体变形。应用FLAC有限差分软件对条带式和长壁式采煤方法的应力发展和岩体破坏情况进行模拟并进行比较分析,证明条带法在降低由采动引起的应力影响范围和程度,从而减小煤层底板破坏程度和范围(主要是深度)的有效性,为合理确定承压水上采煤的开采方案提供了理论依据。     

煤炭开采对煤层底板变形破坏及渗透性的影响

煤层底板变形破坏除受地质因素控制外,还受开采因素影响。通过试验和理论分析,系统研究了煤炭开采对回采工作面底板应力、应变和破坏及渗透性的影响。研究结果表明,不同岩性岩石的渗透性在全应力-应变过程中为应变的函数,在微裂隙闭合和弹性变形阶段,岩石的原生孔隙和裂隙容易被压密,岩石的渗透率随应力的增加由大变小明显,当应力增大至极限强度时岩石试件破坏形成贯穿裂隙,岩石的渗透率迅速增大至最大,不同岩性岩石存在一定差异性;随着回采工作面推进,煤层底板岩层在横向上划分为原岩应力区、超前压力压缩区、采动矿压直接破坏区和底板岩体应力恢复区4个区。煤层底板岩体的渗透性随着煤炭开采底板岩体变形破坏而呈规律性变化。      

东滩煤矿奥灰放水试验数值模拟

奥灰水是东滩矿下组煤安全开采的主要水害威胁和重点防治对象。东滩矿下组煤底板奥灰水压高达7.20~11.46 MPa,在不考虑底板受采动破坏影响下,奥灰对17煤的突水系数为0.077~0.158 MPa/m,最小值亦接近现有规程标准上限值(0.10 MPa/m)。为了查清奥灰含水层水文地质条件进而制定合理的奥灰水防治措施,基于矿井的水文地质条件及奥灰放水试验,建立了适合本矿井的水文地质模型,并利用地下水模拟软件Visual Modflow,计算了奥灰含水层水文地质参数。通过验证,该水文地质模型能够客观的反映奥灰天然流场,为今后预测矿井涌水量、奥灰疏降水量提供了依据。      

蔚县矿区奥灰水突水规律分析及防治水对策探讨

蔚县矿区煤系基底奥灰含水层是煤层开采底板进水的主要充水含水层,已发生多次突水灾害,造成了巨大的经济损失。在分析矿区水文地质条件的基础上,对矿区奥灰岩的富水性进行了分区。通过对多年来矿区生产矿井奥灰水突入矿井资料收集整理及突水点的时空特征的研究,得出了矿区生产矿井奥灰水突水规律：首先与奥灰含水层富水性有关;其次是断层,即使是落差不大的小断层也是突水的薄弱地段;开采1号煤层,底板隔水层厚度与水头压力是控制奥灰水突入矿井的主要因素。提出了以防为主、带压开采、封堵结合,避免强行疏排的奥灰水防治水对策,并对矿井防治水措施提出了建议。     

华北煤矿奥灰突水特点及防治对策研究

奥陶系灰岩含水层是华北地区各矿区煤层开采的重要水害,通过对奥灰突水及相关的案例分析,认为奥灰突水多发生在区域降水量大于700mm的矿区;导水断层和陷落柱是造成突水的主要通道;奥灰水也可以通过补给薄层灰岩而进入矿井;不同层段的奥灰岩,其富水性不同,奥灰岩顶界具有一定的隔水作用。针对华北地区煤矿奥灰突水特点,提出其防范对策应是加强不同层位的水文地质探查,重点防范集中导水通道突水,并进行中间层的改造。     

霍西煤田汾西矿区奥灰水资源赋存特征及分布规律

汾西矿区奥灰岩溶水属郭庄泉域岩溶水系统，它和整个系统既有密切的水力联系，又有其独特的赋存特征。根据多年勘探资料和郭庄泉的研究成果，探讨了矿区内奥灰岩溶水的赋存特征，并结合构造分布和水文地质规律，分析了岩溶水的富集和运移特性，初步总结了奥灰水在本矿区的分布规律。     

VisualModflow模型在白涧铁矿区矿井涌水量预测中的应用

在分析确定白涧矿区水文地质边界条件的基础上,运用实测资料对Visu-almodflow模型进行识别和验证,同时修正了含水层的参数,修正后的模型较为可靠,可用于白涧矿区涌水量的预测。依据矿区奥灰含水层边界条件和渗透系数的不同,设计了-200m和-400m水平面不同边界及渗透系数三个方案对矿井的涌水量进行预测。结果表明:方案2的涌水量比较合理,能较真实的反映白涧铁矿矿体分布区水位疏降至-400m时的涌水量情况,预测其涌水量为7505m3/h。      

蔚县矿区奥陶系下统灰岩岩溶发育规律及煤层开采对策研究

在充分收集蔚县矿区勘探资料、生产矿井资料的基础上,进行了归纳整理与分析研究,总结出矿区奥陶系下统灰岩岩溶发育规律(岩溶发育程度在平面上划分为三个区,垂向上大致可分为三个带)及岩溶水的赋存条件,并提出了受奥陶系下统岩溶水威胁的1、5号煤层的以防为主,带压开采、不直接疏排岩溶水的技术和方法和开采对策。     

深部矿井水煤共采水文地质数值分析

针对兖州煤田下组煤深部开采受奥灰高承压水威胁以及当地大型煤化工企业生产用水量大的现状,在已进行的水文地质勘探及放水试验基础上,评价奥灰富水性,并采用有限差分法进行奥灰疏水降压数值模拟研究,提出水煤共采观点。研究结果表明:兖州煤田深部奥灰水压高,合理布置水煤共采孔,可以实现奥灰水位的有效疏降,疏降中心区水位最大降深可达110 m,突水系数显著下降,提高了下组煤开采的安全性;同时可提供煤化工43200 m3/d的供水量,能达到可持续的、水资源保护性的供水效果,实现下组煤的水煤共采。     

基于FEFLOW的采区放水实验数值模拟与模型评估

采区安全开采受底板徐灰水,奥灰水威胁,确定含水层的富水性和准确的水文地质参数对于评价采区安全开采,评价徐灰水疏水降压可行性,正确预计工作面涌水量均具有重要的意义。基于有限元剖分方法的FEFLOW软件能对地下水流向进行模拟．其内置的PEST能有效地对模型的参数最优化,达到精确求参,从而增加模型的可行性和与实地水文地质条件的拟合度。     

山西七元矿岩溶水赋存运移特征及底板突水分析

七元煤矿位于山西省寿阳县东部,主釆煤层为太原组15号煤,煤层底板之下的奥灰岩溶水对釆煤存在潜在危胁。为此对该矿区奥灰岩溶水的赋存运移特征及15号煤层底板突水情况进行分析,结果显示：井田位于区域奥灰水径流区的中部,,径流条件较好;15号煤层的水位线总体特征为北西部高,东南部低,地下水自西北至东南径流。经计算,采区的突水系数为0.047MPa/m,推测该区碱奥灰岩溶水对15号煤层的开釆没有影响。