采场底板突水相似材料模拟研究

利用相似材料模拟试验，模拟了采场底板突水机理。实验表明，在无断层构造条件下，底板在承压水作用下呈Ｏ－Ｘ型破坏，并且在Ｏ与Ｘ的交点处最容易产生突水通道；在有断层构造条件下，断层突水的实质是在承压水作用下断层两盘的关键层向上产生相对移差。当断层越易产生最大位移差时，越容易突水；在突水的同时还伴随着断层带充填的冲刷。     

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。     

煤层底板破坏的断层效应模拟及其在防治水中的应用

梁北煤矿已发生5 次寒武系灰岩底板突水事故,造成重大经济损失。根据矿井的水文地质条件,建立了煤层开采的FLAC 数值模型,利用岩石力学及渗流力学理论,分别模拟了无断层和有断层条件下煤层底板采动破坏带的演化规律,重点讨论了断裂深度及断层空间位置对底板破坏深度的影响。结果表明,断层的存在可使底板采动破坏深度增加20%~33%,断层是突水重点防范区域,遇断层前10 m 直到过断层15 m 须加强防治水工作。根据模拟结果设计了梁北矿11041, 11151,11111 三个工作面底板的注浆加固工程,重点注浆层位分别为底板破坏范围和寒武系顶部裂隙发育带,注浆工程增强了底板的阻水能力,实现了工作面的安全回采。     

断层破裂带附近采场采动效应的流固耦合分析

矿井底板突水是一个复杂的多物理场耦合问题,结合含断层破裂带条件下采场开采的工程背景,通过离散元流固耦合分析,研究了采场工作面推进过程中断层带的变形与受力情况以及底板支承压力、渗流矢量和渗流速度的动态发展规律和分布特征。相关模拟结果表明,采场中煤层的开采与断层破裂带之间是相互影响的,以支承压力为代表的采动应力是底板破坏形成导水裂隙带及断层“活化”突水的一个主要诱因,而断层的存在也使得工作面与断层带范围内的围岩应力更加集中,增大了底板破坏突水的危险性。采动过程中,底板破坏所形成的导水裂隙带主要集中在工作面前方及下方围岩中,这些区域渗流速度较大,是形成突水的主要通道。     

“下三带”理论与底板突水机理

本文根据多种现场实测资料及室内相似材料模拟和数学模拟,搞清了煤层采动以后底板以下所形成的”下三带”(直接破坏带、完整岩层带、导升带)情况,并在分析底板突水机理的基础上探讨了利用完整岩层带预测底板突水的方法。     

厚煤层放顶煤开采底板突水机理及水害探查技术

为研究受奥陶系灰岩(简称"奥灰")水威胁的工作面能否采取放顶煤开采,选择准格尔煤田黄玉川煤矿研究奥灰突水机理。该矿6上煤底板承受奥灰水压为0～4.49MPa,隔水层厚度为54.296～75.78 m,6上煤底板奥灰突水系数为0～0.085 MPa/m,绝大部分区域小于临界突水系数0.06 MPa/m;而一盘区巷道掘进遇断层时曾发生多次突水,说明该区具有不同的突水机理。矿井断层、裂隙发育,存在隐伏陷落柱,对断层、陷落柱的放水试验发现,北北东向地质优势面控制奥灰含水层富水性。在黄玉川煤矿216上01工作面,通过定水头压水试验测得底板最大破坏深度为34.9 m,阐明了准格尔煤田底板奥灰强渗通道耦合底板破坏的突水机理,改变了从纵向上认识底板奥灰突水的传统,从平面上施工小角度定向长钻孔探查垂向强渗通道,并进一步局部注浆加固,解决了采掘过程中的奥灰水害。     

不同倾角隐伏断层条件下的底板突水模拟研究

为了揭示不同倾角隐伏断层条件下的底板突水机理,运用剪切破坏理论建立了隐伏断层导水机理的力学模型。根据某实际矿井地质条件构建了倾角分别为15°、30°、45°、60°和落差为3m的隐伏逆断层模型,运用FLAC3D数值模拟方法分析了不同倾角隐伏逆断层在开采条件下的塑性区、垂直应力、孔隙水压力分布情况。结果表明:承压水的理论极限值受工作面埋深、采高、隐伏断层产状及其与底板距离等因素的影响,其中隐伏断层倾角的影响最为显著。当断层倾角较大、且与塑性区相交后断层下盘就会发生大面积破坏,破坏深度可达到23m;当隐伏断层靠近底板破坏区或完全位于采空区下方,隐伏断层末梢垂直应力大幅度降低,且沿断层方向岩层应力也大幅下降;孔隙水压力的压差高度随着隐伏断层倾角的增大而逐渐减小,但底板孔隙水压力的变化趋势则相反,隐伏断层上端末梢的揭露位置越靠近切眼,其孔隙水压力值越大,对开采工作影响越大。     

矿山采掘岩体渗透变形灾变机理及防控Ⅱ:底板突水

矿山地下工程渗透变形破坏造成的典型灾害类型包括顶板突水溃砂、底板突水、防水闸墙与围岩界面渗透破坏等。本文从刘国昌先生对我国矿山水文地质工程地质学发展的奠基作用谈起,综述了矿山底板岩体渗透变形破坏突水灾害机理和防控技术进展。回顾了煤矿底板突水系数提出、改进和应用的历史,从底板渗透变形破坏产生的渗透力学机理重新阐释了突水系数的物理含义。基于底板岩体结构临界抗渗水力坡度建立了抗渗安全系数突水判别方法,其底板临界抗渗水力坡度可由半经验方法估算。在对底板突水评价方法演进分析的基础上,提出了底板危险源辨识和突水危险性动态评价方法。对底板突水灾变的主动防控措施的防控原理及效果评估方法进行了分析。最后,讨论了矿山底板渗透稳定性方面需要进一步深入研究的科学问题。     

断层参数对承压水体上采煤的影响分析

根据流固耦合理论,采用有限元数值模拟的方法,针对承压水体上采煤过程中断层参数(断距、倾角)对煤层、围岩的应力、变形和水压力变化的影响进行了模拟分析,探讨了存在断层时突水的机理和可能的突水点位置,并定量分析了防水煤柱的预留距离。得出以下结论:(1)当存在正断层时,多发生断层破坏型突水,而底板破坏型突水发生的几率较小;(2)突水性质和突水发生位置受断层断距和倾角的影响不大,煤层和采煤工作面附近的底板围岩都可能成为突水涌出点;(3)随着断层断距和倾角的增加,防水煤柱的合理留设距离应随之增大。以上结果可为实际矿井采煤防突水设计提供参考。 更多还原     

煤矿底板突水灾害地下三维空间分布特征

本文根据底板突水实例的统计资料，研究了突水灾害的空间分布规律；通过综合分析煤层底板内应力测试三维有限元电算及相似材料模拟结果探讨了底板突水灾害地下三维空间分布规律形成的原因，为深入研究底板突水的防治提供了参考。     

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。      

承压水底板突水失稳过程的数值模型初探

利用自行开发的岩石破裂过程渗流与应力耦合分析系统F-RFPA2D,对承压水底板破裂失稳过程进行了数值模拟。在这个数值模型中,材料在开裂破坏过程中流体压力传递通过单元渗流-损伤耦合迭代来实现。根据模拟结果,分析了承压水底板失稳的机理,对承压水底板的突水部位的预测进行了探讨。得出了与实际基本一致的结果,说明了F-RFPA2D作为一种新的数值模拟方法,可以用来研究承压水底板突水问题。      

煤层底板隐伏断层分类及突水防治措施

矿井底板突水系数介于0.06~0.1 MPa/m区域内发育的隐伏断层，是煤矿生产过程中发生突水的关键因素之一，对其进行科学分类有利于制定底板突水防治针对性措施。通过煤层底板隐伏断层特征分析，根据隐伏断层顶界面位置与"下三带"垂向关系，从底板水害防治角度，将煤层底板隐伏断层分为高位、中位及低位3种类型。借助理论与突水案例分析手段，指出存在突水威胁的高位隐伏断层具有全贯通、突发性、水量大及危害程度高等特点；中位隐伏断层具有突水时间难以判断、突水后难以治理的特点。针对高位隐伏断层，提出工作面回采前对煤层底板进行注浆加固等防治措施；针对低位隐伏断层，提出在突水灾害前后采取不同思路的注浆治理措施。研究成果对于煤矿企业应对隐伏断层引起的底板突水灾害提供了重要参考。      

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。      

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。     

煤层底板突水突变模型

本文建立了煤层底板突水的一个尖点突变 (cusp)模型 ,并分析了煤层底板失稳破坏发生突水的机制。基于定态曲面方程 ,可求得煤层底板水压应力比 Ip。当 Ip 1时 ,发生突水 ;当 Ip 1时 ,不会发生突水。基于分支曲线方程 ,可求得煤层底板突水临界采动导水裂隙带深度 h1l,当 h1 h1l 时 ,发生突水 ;当 h1 h1l 时 ,不会发生突水。     

水压在底板突水中的力学作用

分析了水与水压在底板突水中的力学作用，即水对岩石的软化作用；水压对裂隙介质岩体的力学作用；水压在断层中的水楔作用；突水过程中水流的冲刷扩径作用和水压对突水的动力作用。     

Application on Floor Water Inrush Evaluation Based on AHP Variation Coefficient Method with GIS

The prediction and prevention of floor water inrush is directly related to the safety of the coal mine production. The previous evaluation method of floor water inrush was more one-sided and lacked main control factors related to mining conditions. In order to evaluate the floor water inrush more accurately, under the project background of geological data of Wanglou coal mine, stope width, mining depth, fault scale index, water pressure, water abundance and thickness of aquifer were selected as main controlling factors of floor water inrush. Combined with the subjective weight analytical hierarchy process and the objective weight variation coefficient method, the weight coefficients corresponding to the main controlling factors were obtained respectively. The thematic map of the risk assessment of coal seam floor water inrush was drawn by combining the constructed comprehensive weight vulnerability index model and geographic information system. The results show that: ① according to the actual geological data of mine, two fault related factors were removed. And stope width and mining depth were increased as the main controlling factors to evaluate floor water inrush. It is easier to compare and calculate the weight of evaluation factors. ② The constructed comprehensive weight vulnerability index model can comprehensively evaluate the risk of floor water inrush. And the results of the evaluation are more accurate. ③ The related thematic maps can directly reflect the risk of floor water inrush, which is of guiding significance for the prediction and prevention of coal seam floor water inrush.