煤层底板承压水导升带影响因素正交模拟试验

承压水导升带是煤层带压开采安全评价的重要因素。为了综合研究其影响因素的作用,基于流-固耦合理论,建立了煤层底板突水的水文地质物理概念模型和数值模型,采用FLAC3D数值模拟软件开展了工作面宽度（A）、隔水层厚度（B）、承压水压力（C）、煤层埋深（D）、隔水层渗透系数（E）5个因素5水平的有空列正交模拟试验。结果表明:煤层底板承压水导升高度与底板含水层水压和隔水层渗透性关系密切;各因素对试验结果的影响程度强弱顺序是E>C>D>B>A,其中因素E和C对实验结果影响显著;初始水头压力越大,水头衰减速率就越大,并随着导升高度的增加而加快。改变影响因素而导致承压水压力的变化揭示了煤层开采过程中承压水导升带高度的变化规律,为带压煤层的安全开采提供理论依据。      

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。      

Experimental simulation of water-inrush disaster from the floor of mine and its mechanism investigation

Mine water inrush is very common in China and can cause hysteretic and severe damages to the safety production of coal mines. Essentially, water inrush from coal floor can be attributed to the connection of cracks and the formation of water channel in floor rocks under the interaction of stress field and seepage field. In this paper, the interaction between cracks, stress field, and seepage field in floor rocks was studied by physical simulation; the evolution law of water inrush from floor cracks was obtained under the fluid-solid coupling effect, and the monitoring of rock stress and seepage pressure was realized by virtue of soil pressure and pore-pressure sensors. The results indicated that the permeability of floor rocks had regional and temporal characteristics due to the cyclical variation of in-situ floor stress. The high-permeability zone occurred under the early mining stress area, and gradually extended and connected inside the floor. As a result, more confined water could flood into the connected cracks and thus changed the seepage field in front of working face. This work provides new approaches and knowledge for researching coal floor water inrush and has important significances for the prevention of coal water disasters.     

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。      

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。      

基于流固耦合作用的某尾矿坝渗流稳定性分析

尾矿坝是矿山重要设施之一,其内部含有大量的水和尾矿,一旦失稳造成的损失不可估量。尾矿坝失稳有众多因素影响,但是坝内浸润线是最活跃的影响因素。本文基于流固耦合理论,建立某尾矿坝有限元计算模型,考虑坝内排水井的存在。模拟坝内不同工况下浸润线分布,对其静力稳定性及流固耦合作用下尾矿坝应力应变场进行分析,并将浸润线模拟位置与实际监测结果进行对比。揭示库内不同工况下浸润线变化规律以及与坝体稳定性之间的关系,并分析评价不同工况下尾矿坝的稳定性。最后,将渗流场与应力场进行流固耦合,模拟出365 d坝内应力位移分布,为尾矿坝施工及安全运行提供可靠的依据及技术支持。     

深部开采底板隔水关键层受局部高承压水作用破坏理论分析

大量实测地质资料与防治水实践证实,深部煤层开采底板含水层存在大量的局部高承压水区域,在强开采扰动下极易诱发底板突水灾害。基于“下三带”、“关键层”理论,将局部高承压水与底板隔水关键层简化为圆筒力学模型,分析研究隔水关键层在局部高承压水作用下的屈服破坏机制,得到了隔水关键层发生屈服的4个临界水压值公式;对各临界水压值进行区间划分,分析不同区间隔水关键层的屈服状态,确定了局部高承压水致使隔水关键层屈服破坏两个阶段的水压判据平衡方程,得出了奥陶系顶部岩层作为隔水关键层剩余隔水能力的计算表达式,并反演得到了开采深度上限、下限公式。结合九龙矿深部开采实际,对所建力学模型进行了验证与应用,进而提出了防止局部高承压水致灾的相关措施,对实现深部煤层安全带压开采具有重要的理论指导意义。     

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.     

含裂隙煤层底板突水规律的数值模拟与工程应用

本文结合淮北杨庄矿某工作面实际工程情况, 利用NCAP-2D-W对煤层底板突水进行多方案的数值模拟试验研究。主要内容包括:(1) 考虑在承压水不变的条件下,设计不同裂隙分布状态,探讨单裂隙、多裂隙、不同长度裂隙对煤层底板破坏的影响及开采矿压对裂隙顶部破坏的影响;(2) 考虑承压水的变化,分别考虑单裂隙和多裂隙两种分布状态,探讨裂隙对煤层底板破坏的影响及开采矿压对裂隙底部破坏的影响。通过分析受采动荷载、岩层结构变化、煤层底板中裂隙分布状态及承压水变化等因素影响的数值试验,获得了随开采工作面不断推进煤层底板破坏区的发展、突水导升高度的递增、突水通道的形成等相关规律。     

孔隙水压力对锯齿状结构面剪切蠕变特性的影响

为探究孔隙水压对岩体结构面剪切蠕变特性的影响,自主研制了结构面一体化制作模具和多功能剪切流变仪,开展了孔隙水压力下锯齿状结构面的剪切蠕变试验,分析了孔隙水压对结构面蠕变变形、蠕变速率和长期强度的影响。试验结果表明：不同孔隙水压力下的结构面先后经历了瞬时变形阶段、减速蠕变阶段和稳定蠕变阶段,并且孔隙水压力的增大促进了结构面非线性特征的发展;随着孔隙水压力的增大,结构面瞬时位移、蠕变位移和稳态蠕变速率逐渐增大,而蠕变时长、破坏应力和长期强度均呈现明显降低的趋势。根据试验结果,考虑孔隙水压力对模型参数的影响,将蠕变模型中的瞬时剪切模量、黏性剪切模量以及黏性系数替换为孔隙水压力的函数,构建了能够反映孔隙水压力影响的结构面蠕变模型,并对模型参数进行辨识,将试验曲线和理论模型曲线进行对比,验证了模型的正确性和适用性。研究成果对富水区岩体长期稳定性分析提供一定的理论指导。     

唐山矿区构造应力场特征及其对冲击地压的影响

河北唐山矿冲击地压的发生除了受开采技术条件、煤层顶底板岩石学特征等因素影响外,主要受赋存环境的影响,其中地应力条件是一个重要的影响因素。以唐山矿构造应力分布规律为背景,对不同水平构造应力条件下回采工作面煤层及其顶底板围岩的三维场进行了数值分析,系统研究了构造应力对煤层及其顶底板围岩的冲击地压的影响。结果表明,在煤矿开采过程中,高水平构造应力对采区煤层及其顶底板围岩的应力场和能量场的分布规律具有重要影响。高构造应力条件下,煤层及其顶底板围岩中的高水平应力为冲击地压的发生提供了力源条件,而在高地应力环境下所积聚的大量弹性应变能为冲击地压的发生提供了能量条件。      

基于岩体阻水能力测试的煤层底板突水评价方法

以金牛能源股份有限公司邢台矿9号煤开采为例,对底板岩体质量及阻水性能进行了评价。首先分析了开采煤层的底板岩体地质结构,获取了岩石力学参数;进行了地应力测试,掌握了该区域地应力性质;进行了矿山压力显现规律研究,获取了工作面的初次垮落步距、周期来压步距和来压强度;在综放和综采工作面进行了底板破坏深度测试,得到了不同开采条件下煤层底板破坏深度;采用三维非线性固-液耦合岩石水力学计算方法,以非线性数值模拟软件ANSYS为手段,建立了三维数值仿真模型,根据矿井水文地质、工程地质特征和开采技术条件,分4种工况,对不同开采阶段、不同深度煤层底板应力分布、破坏状态的影响进行了分析研究。数值模拟结果表明,从突水的必要条件(底板破裂带贯通)和充分条件(水平应力小于承压水压力)来考察,在本次计算采用的工作面开采条件和正常的地质条件下,突水的可能性由大到小依此为:工况Ⅳ >工况Ⅲ >工况Ⅱ >工况Ⅰ,由此为该矿首个9号煤工作面开采选择提供了依据。      

渗透水压对节理应力-渗流耦合特性的影响试验研究

为研究渗透水压对节理应力-渗流耦合特性的影响,通过对6组人造节理试件恒定法向载荷和恒定法向刚度的压剪渗流试验,分析了应力和位移、节理水力开度以及透过率随剪切位移的变化趋势,获得了渗透水压对节理岩石应力-渗流耦合特性的影响规律。结果表明：节理试件的剪切应力和位移、水力开度以及透过率都与渗透水压密切相关。剪切应力随渗透水压的增大而减小,法向变形、水力开度和透过率却随渗透水压的增大而增大。在压剪渗流试验过程中,不同渗透压力的节理试件都发生了剪胀效应。研究可为深部岩体工程围岩遇水作用稳定性及渗流灾害控制技术提供科学的理论依据。     

基于COMSOL的地下水封油库围岩流固耦合特征模拟研究

地下水封油库通常建造于完整性好的结晶岩体内部,利用隙存水封的原理将油气封闭于地下洞室内部,洞库围岩在施工及运营期间具有典型的流固耦合特征。论文基于裂隙岩体流固耦合理论,采用COMSOL Multiphysics 软件对洞库围岩不同工况下流固耦合特征进行了模拟研究。研究结果表明:地下洞库在不设置人工水幕情况下,开挖后洞室顶部地下水位明显下降,并形成降落漏斗,可能导致洞室油气外溢; 设置人工水幕后,洞室顶部地下水位下降趋势得到明显控制,有效确保了水封的可靠性; 在设置水幕的情况下,洞室直墙及洞室拱顶与底板角点处出现明显的应力集中,但围岩仍未出现连贯塑性区,洞室最大位移不超过5mm,洞室围岩稳定性良好。分析成果对于指导洞库优化设计及施工具有一定的参考价值。     

淮南矿区地应力条件及其对煤层顶底板稳定性的影响

通过现场地应力测量和理论分析以及数值模拟计算,研究了淮南矿区地应力分布规律,探讨了圆形硐室围岩应力分布和不同侧压下回采工作面顶板稳定性分布。研究结果表明:淮南矿区原岩应力主要表现为自重应力场,除局部构造应力集中外,不存在高构造应力;区内侧压力系数λ值一般为0.49~1.49,平均为0.92,并且与测点距地表深度有一定的趋向性,表现为在浅部λ值较大,变化范围也大,而在深部λ值渐小,变化范围也缩小;回采工作面顶底板稳定性与侧压系数λ的大小密切相关,且随侧压系数λ的增大,顶板垂直位移减小,顶板岩层易于形成结构平衡而保持稳定,但底板垂直位移量增大,且易于形成底鼓破坏。这些认识为研究区煤层顶底板岩层支护控制提供了科学依据。      

掘进工作面瓦斯流动规律数值模拟分析

研究煤层巷道掘进过程瓦斯流动规律对认识掘进巷道瓦斯涌出规律和瓦斯治理具有重要的理论意义和现实意义。本文通过建立流固耦合模型,考虑煤与瓦斯流固耦合作用,进行了不同掘进长度,掘进工作面瓦斯压力分布规律,瓦斯压力梯度改变以及瓦斯流动规律的数值模拟研究。研究表明,掘进巷道周边煤层瓦斯压力随煤壁暴露时间的增长逐渐降低,采掘活动对工作面前方煤体的影响范围达30m。并且越靠近煤壁瓦斯压力梯度越大,在距离巷帮5m范围内,瓦斯压力变化幅度最大。煤壁瓦斯流速随巷道掘进长度的增加先增加后减小,最后瓦斯流速趋于稳定。掘进工作面瓦斯流动规律的研究为矿井瓦斯治理提供安全可靠的依据,保证矿井安全生产。     

填埋气体运移渗流场-应力场耦合模型及数值仿真

基于流固耦合机制和多孔介质流体动力学理论,根据Landgem产气方程、气体状态方程,结合达西定律、有效应力原理,建立了渗流场-应力场耦合填埋气体运移模型。利用伽辽金方法对模型进行了离散,通过有限元方法对耦合作用下填埋气体压力分布规律进行了数值仿真分析,同时对垃圾填埋变形介质参数以及垃圾降解系数对填埋气体产气量影响进行了定量评价,表明耦合作用下抽气时孔隙结构发生改变,阻滞气体的运移,导致耦合作用较未考虑耦合作用的气体压力低。垃圾填埋气体的产气量小,对变形介质参数和降解系数的定量评价结果表明,垃圾填埋气体的产气量随着渗透系数和降解系数的增大而增加,因此耦合作用不能忽略。这不仅为准确控制气体的挥发与扩散以及气体资源的再利用提供可靠的理论依据,而且对于生态环境的保护和垃圾资源化利用具有重要的理论意义和实际应用价值。     

软硬相间岩层底板变形研究

引入损伤变量ω理论,分析水平状软硬相间岩层在竖向应力下的应力-应变关系：再引用弹性模量E和岩层厚度L两个变形参数建立软硬相间岩层底板变形参数方程,得出竖向应力随着底板深度的增加而减小的规律：运用数值模拟软件,建立煤层开采模型,模拟软硬相间岩层底板在采动作用下的变形过程。通过数值分析底板在采动作用下的应力-应变关系和位移特征,发现竖向应力作用下软岩受到的水平应力比硬岩大,竖向应变也比硬岩大,而竖向应力和水平应变变化不大,认为在采动影响下软硬相间岩层底板中的软岩具有吸收更多的应变能来保护软岩下硬岩的变形特点。     

基于Mindlin解的压力型锚杆锚固段的受力分析

假设锚杆为与周围介质相同的材料,视锚杆作用的岩土体为弹性半空间位移体;基于Mindlin位移解,求出集中力作用下周围岩土体沿锚固体的轴向位移;根据压力型锚杆锚固段的受力状态,计算锚固体在轴向荷载作用下压缩变形,利用锚固体与周围岩土体变形协调假定,推导出锚固段轴向应力和剪应力分布的理论解。经过与已有现场试验实测数据对比分析,验证了理论解的可行性,并在此基础上讨论了相关岩土参数对锚固段轴向应力和剪应力的影响。锚杆现场试验和理论分析结果表明:压力型锚杆的锚固段所受轴向应力和剪应力与锚固力成正比;压力型锚杆的锚固段所受剪应力的分布形式受周围岩土体弹模、泊松比以及锚固体与周围岩土体界面的内摩擦角等因素的影响。其中周围岩土体的弹模影响最大。