FLAC3D模拟采动岩体渗流规律

为从根本上研究煤层开采工程中因顶板冒落、放顶垮落造成的顶板突水通道的变化规律,首次运用FLAC3D数值软件的应力-渗流耦合系统,结合工程实践,系统分析了采动岩体的渗流矢量、渗流速度、孔隙压力及导水边界线动态发展的普遍规律和分布特征,进行了顶板突水危险区域的识别,得出了一些对防治采场顶板突水有益的结论,可为煤矿顶板突水防治提供理论依据.数值模拟结果表明采动岩体渗流通道的发展明显受煤层开采的影响,且当主关键层破断时,采场最易发生顶板突水事故.在此基础上,将采场的渗流动态变化特征与采动岩体的破断、运动规律结合分析,给出了采场顶板破断及破断岩块再组合压实过程中渗流裂隙的扩展、闭合普遍演化过程.如果水源有限且现有设备能及时排除水患,当煤层采完后,采动岩体能重新压实闭合失去导水性能,地下水位能逐步恢复,即保护第四系及地表水的采煤技术可以实现.同时证明FLAC3D的应力-渗流耦合系统能预测并预算采动岩体裂隙产生、发展、闭合及相关危害性的可靠的数值定量分析软件,可作为一个新方法在顶板突水防治和保水采煤技术中应用.图5,表1,参11.     

采动影响下煤层底板突水预测

为了解决传统经验公式的不足,通过FLAC3D软件建立三维数值模拟模型,并利用软件中的固流耦合功能,进行了煤层底板在采动影响下的突水预测分析。分析结果:表明在采动及承压水水压影响下,当工作面推进至64 m时,采空区底板会发生突水。导水裂隙、水流速度及方向等的动态发展受工作面采动影响明显,与岩体的破断及破断岩块再组合压实过程关系紧密。通过对比分析说明了经验公式的局限性。     

杨柳煤矿10煤层底板的采动破坏特征

煤层底板在煤层采动后会发生变形与破坏,煤层底板破坏特征是判断底板突水与否的重要依据。以杨柳煤矿10煤层底板为研究对象,采用理论计算与数值模拟相结合的方式,分析煤层底板岩层在采动条件下的应力变化特征与岩体破坏特征。结果表明:10煤层底板平均厚度59.16 m,在开采条件下最大破坏深度为13.6 m,底板受下部灰岩水影响的可能性很小。该研究可以为分析煤层底板突水机理与底板水害防治提供理论依据。     

煤层底板突水模式及机理研究

为了阐明不同地质条件下煤层底板突水机理,划分了3种突水模式:正常岩层底板突水模式、断层裂隙带突水模式、陷落柱突水模式.针对不同模式分析了突水机理.正常岩层分为厚板微观压裂导升、薄板宏观整体破断导水2种突水模式;断层裂隙带包含4种突水模式.断裂直通式、断裂影响承压水导升带式、断裂影响底板破坏带式、断裂影响底板破坏带与裂隙导升带式;陷落柱突水模式分薄板理论子模式、剪切破坏理论子模式、厚壁筒突水子模式和压裂突水子模式等4种子模式.尽管模式不同,但都能统一归结为厚板微观压裂导升、薄板宏观整体破断导水2种最基本的突水机理.     

潘西煤矿断裂构造突水机制探讨

分析了潘西煤矿历年断裂构造突水资料,把其断层突水类型分为两大类:一是导水断层引起的突水;二是采动引起的断层“活化”突水。导水断层突水主要是由于构造岩带与底板裂隙相互贯通而致。采动引起的断层突水主要是在采动、矿山压力、地温应力、水应力、构造应力等共同作用下,断层产生滑移、张开,断层派生解理与裂隙发生蠕变、扩展、扩径、生长、相互贯通形成导水通道。应用断裂力学理论推导出断层产生滑移、解理发生扩展的计算公式。     

采动条件下底板潜在导水通道形成的微震监测与数值模拟

以某矿综放工作面开采过程为背景,利用微震监测技术进行现场监测,并借助有限差分FLAC^3D进行数值分析,研究在采动应力场不断变化过程中底板岩体微震破裂事件的时空演化规律,揭示煤层采动条件下潜在导水通道的孕育、发展和贯通过程.微震监测结果表明:微震事件数一定程度上反映了开采扰动对底板岩体破坏程度的影响;采煤期间,回采工作面附近微震事件呈现密集分布,底板岩体采动破坏严重,底板破裂深度达15m.数值分析表明:由于煤层采动导致采场周围应力重分布,工作面前方应力增高,采空区下方应力降低,底板岩体随工作面回采经历了应力集中、释放并最终破坏;底板塑性破坏区深度达14m.     

煤层覆岩圆拱结构下底板破坏深度的解析估算

在考虑煤层覆岩圆形拱结构内跨落岩层自重作用的基础上,将底板岩体视为半无限均匀完整介质,并对底板上的支承应力分布进行了简化,结合叠加原理,建立了煤层覆岩圆形拱结构下底板最大采动破坏深度的解析估算公式,为类似底板条件与构造弱面结构底板奈件下的最大采动破坏深度的准确预计以及底板水害预测预报提供了科学依据。     

急倾斜煤层覆岩破断和裂隙演化的采厚效应

为了确保水体下急倾斜煤层的安全回采,基于龙湖煤矿南二采区急倾斜煤层的水文工程地质条件,采用相似材料物理模拟实验,分析了急倾斜煤层覆岩破断和裂隙演化的采厚效应.结果表明:急倾斜煤层开采顶板坚硬上覆岩层存在关键层时,顶板岩梁以层状破断为主,初次破断均形成“复合破断”;急倾斜煤层开采顶板岩梁初次破断后,覆岩裂隙向关键层及其上方岩层发育,不同采厚导水裂隙分布均呈“耳型”分布;随着急倾斜煤层采厚的增大,急倾斜煤层初次破断步距呈降低趋势,覆岩裂隙发育高度和初次破断厚度呈增大趋势.     

煤层底板变形与破坏规律直流电阻率CT探测

从煤层开采引起底板破坏的一般规律出发,探讨了底板岩层破坏与其电阻率的响应关系。介绍了直流电阻率CT探测技术的原理与方法,按照采动底板岩层活动规律设计了探测方案,进行煤层底板破坏深度的动态直流电阻率CT探测。通过在淮北某矿1028工作面风巷中底板位置施工2个钻孔,在孔中埋置一定数量电极,形成孔间探测剖面,并根据工作面回采进度探测不同时期岩层电场变化特征,反演其电阻率值,得出煤层底板采动裂隙演化过程中的岩层电阻率响应特征和1028工作面底板破坏深度为17 m,为煤矿安全生产提供直观有效的技术参数。试验结果表明:采用直流电阻率CT探测煤层底板采动破坏带演化过程效果明显,能显示出底板在回采过程中变化破坏情况,有利于煤矿底板突水预测和突水防治措施的制订。     

回采工作面底板活动及其对突水影响的研究

本文应用平面有限元方法计算分析回采工作面底板应力分布状况,研究底板岩层变形和破坏规律,初步揭示底板破坏带的形成机理及采动对底板突水的影响。文章结合现场底板综合观测成果,讨论底板破坏深度与工作面地质开采条件的关系。研究结果为承压水上煤层安全开采问题提供一定的基础。     

近距离煤层下行跨煤柱开采巷道的合理布局

为了探究遗留区段煤柱对下伏回采巷道布局的影响，以煤峪口矿为工程背景，通过最大主应力集中系数判别底板应力增高区，采用理论解析、编程计算、数值模拟的方法，研究了不同开采阶段底板应力增高区的演化特征.结果表明：区段煤柱宽度、埋深、煤柱边缘至峰值区的距离及其垂直应力峰值控制着应力增高区的发育，采空区应力恢复特征对应力增高区的影响可以忽略；对比各模拟方案中煤柱-巷道错距与应力增高区对下煤层的影响范围峰值，并结合采空区应力逐渐恢复及工作面矿压显现的区域化特征，认为煤柱-巷道错距10～15 m为优选区间.选择12 m错距进行工业试验，取得了良好效果.     

大埋深跨采巷道变形机理分析

巷道受采动影响时,应力重新分布,围岩处于卸压状态,导致巷道变形严重。针对这一现象,在华恒煤矿-1000m水平副暗斜井,利用现场实时在线监测数据和数值模拟计算,分析了跨采巷道随采煤工作面推进的变形破坏规律。监测数据表明,巷道变形包括顶板下沉、两帮移近和底鼓,其中底板变形破坏最严重。数值模拟分析得出,跨采后的巷道底板和右帮塑性区范围比跨采前有较大增长;在巷道顶底板处,围岩垂直应力处于卸压状态,水平应力出现应力集中现象。垂直应力的卸压和水平应力的横向作用是造成巷道底鼓的力学原因,底板没有采取支护措施是造成底鼓的直接原因。     

急倾斜煤层分段开采下部煤岩体应力及位移演化规律

为了掌握急倾斜特厚煤层分段开采时工作面下部煤岩体应力及位移演化规律,采用数值模拟方法研究了工作面下部煤岩体和工作面底板的应力及位移分布,并分析了分段高度和开采深度对下部煤岩体应力及位移的影响。研究表明：上分段开采后,下部不同深度煤岩体卸压范围均呈长轴沿煤层走向的椭圆状,但卸压范围并不对称,底板侧和顶板侧的煤岩体卸压程度不同,靠近底板侧卸压程度更大。下部煤体卸压深度大小为底板侧>工作面中部>顶板侧。煤层底板不同深度出现不对称卸压区,靠近回采分段上端部的煤层底板处垂直应力明显集中。急倾斜煤层分段开采,段高对下部煤体的卸压深度范围影响较小。开采深度不同时,随着埋深增加,工作面下部煤岩体应力集中区域增大,下部同一深度煤体的垂直应力、垂直位移均出现明显增加,开采深度对工作面下部煤岩体的卸压范围影响明显,埋深越大卸压范围也越大。     

膨胀型软岩巷道底鼓机理分析

根据对巷道底鼓影响因素的分析，得出巷道底鼓机理：在膨胀型软岩的特殊围岩条件下，由于水的作用使巷道底板岩层破坏范围加大，再加上集中应力的作用，最终形成膨胀型底鼓和挤压流动型底鼓。     

椭球壳体在内压作用下的应力分析

参照拉梅解答的推导过程，针对不同的适用范围．根据无矩理论推导了椭球壳体上任一点在内压作用下的应力公式。     

应力椭球面上全应力作用面的讨论

在一般应力状态的应力椭球面上．一点的矢径不能直接给出相应全应力作用面的方向，但是，通过调整坐标比例尺，将应力椭球面改制成应力球面，该球面上一点矢径指向就是相应全应力作用面的法向。     

条带开采采场应力分布规律的光弹性实验研究

应用光弹性模拟实验方法，对条带开采煤层顶底板及条带煤柱的应力分布规律进行了深入的研究，得出了随着煤层倾角的变化条带采场应力场及应力集中转移规律。     

矿井构造应力场和冲击地压

本文根据陶压煤矿数年来大量观测资料,从造成冲击地压的多种因素中,分析确定了该矿深部构造应力场。并从自重应力、煤与围岩的物理力学性质、构造应力和采动集中应力等方面,论述了冲击地压的成因机理,这对开采深部煤层和有效地控制冲击地压提供了依据。     

油页岩采场围岩垂直应力时空演化规律试验研究

为研究油页岩采场围岩垂直应力的时空演化规律,以龙口某矿油页岩开采为原型,铺设了相似材料模拟试验模型,对油页岩采面回采过程中及开采后采场围岩中的垂直应力进行了连续监测,通过对垂直应力数据进行整理和分析,得到了采场围岩支承压力的峰值、影响范围及垂直应力的时空分布变化特征。结果表明,采空区冒落矸石可充分参与承载覆岩压力,并减小支承压力影响范围及压力峰值;开采过程中支承压力影响范围及峰值均先增大,随后减小,再增大;油页岩上层采后随时间推移,采空区底板的垂直应力不断升高,但采空区边界处底板的垂直应力增加不明显;两侧边界岩柱上的垂直应力在采后10 d内增幅较大,之后的30 d内增幅减小,采场围岩垂直应力在不同空间位置随时间的变化反映了采空区不同的压实程度。