断层活化过程及煤柱失稳机理的数值模拟研究

为研究工作面沿断层走向推进时,断层煤柱宽度的大小对断层活化失稳与断层煤柱内部能量变化的影响,采用UDEC数值模拟软件建立平面应变模型。模拟研究了当逆断层下盘工作面的断层煤柱宽度减小时,断层煤柱内储存的能量与储能极限值的变化特征、断层活化过程与破坏趋势。研究结果表明:断层煤柱宽度减小时,煤柱支承压力峰值增大,弹性应变能增加,断层出现活化现象,并释放能量至煤柱,与弹性应变能叠加,同时断层煤柱的储能极限降低;当煤柱宽度为30 m时,煤柱中的弹性应变能首次超过储能极限值,当煤柱宽度为20 m时,煤柱中的弹性应变能量峰值为储能极限值的1.84倍。当断层煤柱宽度小于30 m时,煤柱易发生整体失稳和冲击危险,需要采取必要的灾害防治措施。     

液固互动作用下突水模拟分析

以开采过程中的煤矿突水为例,应用液固互动理论,采用有限元分析软件ADINA针对二种突水模式分别建立几何模型,进行数值模拟。在利用软件进行三维有限元建模时,分为结构模型和流体模型两种。针对不同的突水模式,探讨在流固耦合作用下的煤矿渗透突水过程中,地层与场地的变形特征。结果表明：对于断层突水模式中,接近45°的断层倾角对地层和场地的影响较大,因此在煤层开采中应该特别注意倾向于开采工作面的小倾角断层;在裂隙突水模式中,较大的渗透系数对突水速度和突水量影响显著,可以通过选择合适的开采区域尽量避免突水事故的发生。     

承压水体上采煤底板断层突水规律的研究

为了分析底板含水层水压及采动矿压对底板隔水层岩体上部与下部的影响与破坏，应用了相似材料模拟试验以及断层附近底板突水的力学分析方法，对底板突水机理有了进一步的认识；同时，由断层附近底板突水的力学分析方法所得到的理论计算结果，也可以作为判别类似条件下遇断层时承压水体上采煤是否安全的依据。     

煤层底板隐伏断层突水的物理实验研究

利用相似材料模拟实验研究底板隐伏断层在不同发育高度、组合形式下,受到采动破坏和水压共同作用时裂隙扩展形式以及破坏规律。证明了在承压水的作用下,断层破坏带产生递进导升扩展。实验表明影响断层递进导升破坏的主要因素是断层初始发育高度,而组合方式对其影响较低。同时发育高度越大的断层,其递进导升破坏越强烈,也更加容易沟通煤层底板发生突水。为解决华北型矿井底板突水问题,丰富底板突水机理研究提供了现实意义。     

含煤地层中断层突水机理探讨

含煤地层中断层的突水是矿井的主要水害问题之一.对断层的地质、水文地质特征进行了分析,研究了断层的详细结构,断层落差与断层宽度的关系,断层的导水性能及最大突水量与稳定水量的关系,结合国内已有的断层带试验资料,探讨了断层的突水机理.含水层的高压水克服岩层结构面的阻力,以突然方式涌入井巷的现象是含水层水压、矿山压力、隔水层和断层诸因素相互作用,破坏其平衡的结果,研究断层的突水机理是为了预测和预防突水灾害.突水机理用突水系数来表述,文中对断层的突水系数作了研究,提出取正常岩体强度的1/2,并在本矿区进行了应用,也可以为其他相似水文地质条件的矿井作为参考.对断层突水机理的研究还可以扩展应用到防水煤柱的留设及最大可能突水量预测等方面.     

底板断层突水危险性预测与煤柱留设

为了研究在回采工作面时,底板断层突水的危险性,对断层附近底板的力学性质进行了分析,并进行了理论计算。结果表明,突水极限压力小于实际水压时,在工作面回采至断层附近时,有可能发生突水事故;反之,则可安全回采。结合某矿水文地质条件,对大断层附近突水进行了具体分析。     

矿井底板突水的数值模拟

本文根据岩石力学和渗流力学理论，用广义的运动稳定性原理，建立了矿井底板突水的数学模型和突水发生的判别准则，并进行了数值模拟。     

急倾斜煤层深部开采对浅部断层活化影响的数值模拟研究

淮南矿区某矿采区属倒转地层,灰岩含水层位于煤层顶板,断层的活化极易导通上部含水层,引发突水事故.面对急倾斜煤层开采深度不断增加的现状,采用FLAC3D数值模拟的方法,对急倾斜煤层深部开采对顶板浅部断层活化影响的规律进行了研究,总结了急倾斜煤层开采深度与断层活化之间的时空关系,验证了通过控制采高和隔离煤柱大小,可以有效降低急倾斜煤层开采对断层的扰动作用,对急倾斜煤层后期深部开采断层突水预测与防治具有重要的理论指导意义和工程应用价值.     

下保护层开采数值模拟与突水危险性评价

为了确定断层附近防隔水煤(岩)柱的合理宽度,解决煤炭安全生产问题,以山西省某矿下保护层开采为工程研究对象,用FLAC3D数值模拟软件进行了数值仿真计算,充分考虑了断层的产状和落差,再现了回采工作面在推进过程中的顶底板采动裂隙的发展情况,并结合经验公式法确定了隔水煤(岩)柱的合理宽度。同时还利用数值计算结果,对该矿六采区下保护层开采作了突水危险性评价。研究结果表明:断层不但是影响保护层开采底板扰动破坏程度的重要因素,也是确定防隔水煤(岩)柱宽度的关键所在。在对矿井突水危险性评价中,应该考虑采动对底板扰动破坏的影响。     

隧道开挖诱发富水有压溶洞破裂突水过程数值模拟

在岩溶地区修建隧道，溶洞将引起隧道围岩的变形、开裂和失稳，常常诱发隧道突水突泥灾害。从力学角度对岩溶隧道突水突泥机理研究对隧道突水突泥灾害及时预报和有效治理具有重要意义。通过岩石破裂过程分析程序（RFPA），用数值模拟方法对隧道施工诱发隐伏有压溶洞破裂突水过程中的应力场、位移场和声发射等特征进行了系统研究，研究结果加深了对有压溶洞随着压力增加引起隧道突水过程机理的理解，为该类型溶洞的预报和治理提供了参考依据。     

矿震发生的粘滑失稳机理及其数值模拟

在煤岩体变形失稳破坏机理的基础上对矿震发生的机理.发生准则进行了研究.并对由于开采引发的矿震进行了数值模拟,从而可以对矿震问题进行定量化研究.     

基于裂纹扩展的含隐伏断层底板突水评价

 为研究承压水上开采时含隐伏断层底板的安全性,根据断裂力学理论建立导水断层活化扩展的理论模型。将煤层底板看做半平面无限体,把底板中含水层顶部以上的隐伏断层建模为有限宽度板条的倾斜边缘裂纹。根据采场底板的支承压力分布规律,将其简化为若干分段线性载荷加载至底板,纳入断层产状、断层在底板中埋深、工作面推进距离、含水层水压、断层面摩擦角等各种参数,推导得到底板内任意一点的应力公式。将其应用到隐伏断层面上各点,综合考虑各点法向应力、剪应力对裂纹活化的影响,计算得到采动条件下断层面上的有效切应力分布。该有效切应力剔除了裂纹面上摩擦效应对压剪裂纹扩展的影响,将其代入断裂力学相关公式,计算得到隐伏断层前缘的应力强度因子,最后通过定义突水安全指数建立了底板突水判据。以某矿带压开采工作面为例,根据相应水文和地质资料,计算得到在工作面推过隐伏断层的整个过程中断层活化突水危险性的变化规律,所得结论与工作面现场微震监测数据相符,即当工作面推进至采空区位于隐伏断层正上方区域时,断层面承受有效剪切最充分,剪切应力强度因子最大,突水安全指数达到峰值,这与现场微震监测结果中显示的在该推进阶段中,原有隐伏断层附近派生裂隙集中出现、突水危险性最高的结果相符合。     

承压水基坑突涌机制离心模型试验与数值模拟

软土地区的深基坑工程,在承压水作用下容易发生管涌、流土和隔水层整体顶升等形式的突涌破坏.结合紧邻地铁枢纽深大基坑工程,设计了基坑突涌离心模型试验,模拟不同承压水位作用下黏性土体隔水层突涌状态,并建立有限元数值模型,分析试验水位压力下坑底土体的应力应变机制.离心模型试验和数值模拟结果表明,在承压水压力作用下,坑底隔水层产生向上的隆起变形,并且基坑中间位置变形量大,随着水位的升高,土体变形曲率增大;基坑围护墙附近的隔水层土体剪切应变大于体积应变,而隔水层与承压含水层的界面处体积应变较大,产生水压楔裂作用并形成有效应力为零的区域;黏性土体隔水层在剪切效应与界面楔裂效应的共同作用下,发生整体顶升破坏.     

过渡期开采矿山的有限单元法数值模拟

研究数值模拟在露天转地下过渡期开采矿山的应用，是一项很有价值的工作。着重探讨了有限元数值模拟的方法和技巧，如边界条件的确定、岩体力学参数的确定以及模型的建立等等，并结合石人沟铁矿进行了验证，提出了相应的保证边坡稳定的防护措施。     

固液耦合模式下采动诱发断层两盘滑移规律的模拟分析

以五沟煤矿F16断层的地质条件为背景,采用三维有限差分数值软件FLAC3D的固液耦合模式,对断层倾角、断层破碎带宽度及承压水水压不同时,在断层上盘煤层开采过程中断层界面滑移量的变化规律进行了分析,研究得出:断层界面同一标高处的垂向滑移量随断层倾角、断层破碎带宽度及含水层水压的增加而增大。断层界面的垂向滑移量越大,突水危险性越大。     

矿井充水机理、水害成因与治理

通过对矿井充水机理和水害成因的分析研究，提出了水害治理的技术和管理措施，具有应用与推广价值。     

正断层作用下高承台群桩基础的破坏机制数值模拟

基于FLAC^3D有限差分软件,模拟正断层错动下高承台群桩基础的破坏过程,分析上覆砂土和群桩的相互作用,对比相同条件下1×3群桩和3×3群桩破坏机制的差异.计算结果表明:正断层错动作用下,1×3群桩的存在对土体破裂带的扩展影响较小,土体剪切带仍保持80°倾角向上发展,在地表形成一条陡降带,而3×3群桩则明显改变破裂带的发展轨迹,使得土体剪切带在中间基桩的桩端位置发生分叉,在地表形成两条陡降带;正断层错动使得群桩向上盘一侧倾斜,1×3群桩和3×3群桩的承台位移和倾斜没有明显差异,其数值计算结果和理论计算结果保持一致;基岩错动使得基桩间承担的竖向荷载发生重分布,中间基桩受拉,竖向荷载向两侧基桩转移;随着基岩错动量的增加,1×3群桩和3×3群桩具有相同的轴力和弯矩发展规律.     

地下水位循环变化中下卧粉砂层地下车库抗浮数值模拟

沿海多降雨地区,需要考虑地下水位线变化过程中对于地下车库的影响.当下卧砂质粉土层或砂层,地下水位线的变化对车库底板的影响更大.目前为止,在国内,对于考虑地下水位线循环变化过程中,下卧粉砂层地下车库抗浮数值模拟的研究非常少.利用有限元分析方法,以山东东营市某地下车库为例,建立了水位循环变化对车库影响的计算模型.通过计算分析得到地下水位线变化过程中,底板和承台的应力变化、沉降变化及两者接触处的受力情况.最后,提出了减少地下水位线循环变化对地下车库影响的建议.     

孙疃煤矿1028工作面底板突水特征与水源识别

在研究孙疃煤矿地质条件及水文地质特征的基础上,对1028工作面底板突水特征、水化学特征、含水层水位动态变化,得出1028工作面突水水源主要来源于10煤上下砂岩裂隙水,太原组灰岩上、中含水层段水是主要补给水源,与第四含水层和太原组灰岩下含水层段无关.     

底泥-上覆水界面污染物释放机制的数值模拟

当外源污染受到控制后, 河流与湖泊底泥中的污染物可能会引起上覆水的再次污染. 在上覆水流动不致底泥起动悬浮的条件下, 数值模拟了底泥中污染物在底泥-上覆水界面向上覆水释放的机制. 采用k-ε模型计算了上覆水的湍流流动, 并采用 Darcy 定律描述了多孔介质中的渗流, 这里底泥被看成是各向同性均匀多孔介质; 耦合计算了上覆水和底泥中孔隙水的定常流动, 并基于流场计算结果, 数值计算了非定常溶质迁移扩散过程; 数值研究了平整底泥-上覆水界面以及底泥-上覆水界面为周期性三角状时, 污染物由底泥向上覆水释放的规律. 研究结果表明, 底泥中孔隙水与上覆水的交换是决定底泥中污染物向上覆水释放量的重要因素.