不同加载角压剪耦合作用下岩石强度与渗透性演变特征

华北型石炭-二叠纪煤系基底普遍发育奥陶系灰岩含水层,煤炭开采受到底板承压含水层突水灾害和水资源流失的双重威胁,压剪耦合下岩石水力特性是大倾角承压水上开采底板岩层阻水性能评价的基础。综合采用理论分析及离散元数值计算等方法,建立了不同压剪比例下莫尔圆旋转的岩石失稳判据,揭示了压剪耦合作用下岩石强度衰减机制,提出了综合裂隙角度、裂隙扩展速度、改进体积应变等指标的应力阈值确定方法,明晰了不同加载角、渗透压差及围压条件下岩石微裂纹扩展及渗透性演化特征。主要结论如下:压剪耦合作用下岩石承载能力降低表现在强度降低与弹性模量增大2个方面;岩石弹性模量随加载角增大呈现先缓慢增大(0°~15°)后迅速增大(15°~30°)再减小(30°~45°)趋势,但仍大于初始值;岩石强度和加载角呈线性负相关关系,降低幅度和围压成正比,2 MPa围压下强度降低速度是无围压的1.9倍,由等效内摩擦角控制;随着加载角的增大岩石破坏程度降低、峰后应力由脆性跌落向塑性转变;压剪耦合作用下拉伸裂隙诱导起裂及拉剪复合裂隙主导非稳定扩展解释了不同压剪比例条件起裂应力、损伤应力阈值非线性演化的内在机制;渗透率回弹位置处于起裂与损伤应力阈值之间并接近后者,随着加载角的增大,拉剪复合裂隙(优势渗流路径)分布较为集中;岩石强度随渗透压差增大而降低,降低速率和加载角呈负相关关系;岩石峰值渗透率随着加载角的增大而减小,降低趋势随着渗透压差的增大由线性向非线性转变;加载角较大时,渗透压差与围压对岩石强度及渗透性控制作用减弱。

煤矿斜井过动水砂层帷幕注浆扩散封堵机理及应用

我国西部煤矿斜井井筒在富水松散层段大多发生渗漏水现象,有时甚至存在涌水溃砂风险,影响煤矿安全生产。为科学指导斜井过动水砂层防治水工作,以曹家滩煤矿主副斜井过动水砂层帷幕注浆为工程背景,借助有限元数值模拟软件建立了动水砂层帷幕注浆扩散封堵模型,探究了煤矿斜井过动水砂层帷幕注浆扩散封堵机理,结合具体治理区域,优化了动水砂层帷幕注浆参数及工艺,并进行了现场效果检验。研究结果表明:随着动水流速和注浆压力的增大,浆液顺水流方向扩散特征明显;注浆压力0.5MPa,动水流速0.3m/s时,顺水流方向浆液扩散半径增至1.83m;随着帷幕内壁与井筒外壁间距的增大,井筒围岩变形破坏范围逐渐远离井筒外壁,治理区域间距设置应不小于12.5m;注浆参数及工艺优化后,主副斜井治理段水量分别衰减85.6%和82.7%,治理效果显著。本文研究成果有助于解决动水砂层斜井井筒渗漏水问题,保障斜井井筒安全运营,保护矿山地下水资源。

破碎颗粒堆积方式对渗透率应力敏感性的影响机制

颗粒堆积下的渗透性量化对采空区冒落带、断层破碎带阻水性能、低渗煤层应力敏感性评估具有重要意义。基于Hertz变形假设,构建了不同颗粒堆积方式的渗透率演化模型,分析了不同颗粒排列结构下应力敏感性及主控因素,探讨了本体变形与结构变形的应力敏感性作用机制。研究表明:若仅考虑本体变形,渗透率应力敏感性和组合颗粒数呈反比,颗粒弹性模量是加卸载试验中应力敏感性主导因素;颗粒发生结构变形的应力敏感性远高于本体变形,和结构变形程度呈正比(颗粒组合结构调整);颗粒结构应力敏感性是结构变形、等效弹模、结构调整综合作用的结果;数值验证了不同颗粒结构应力敏感性的合理性,不同位置渗透率的调整是导致孔压非均匀分布、渗透性变化的主要因素;研究结果表明低渗储层(煤层)存在强应力敏感性,与岩石、流体性质密切相关。

浅埋近距离房式采空区下应力场分析及动压机理研究

针对因房式采空区煤柱留设情况复杂,煤柱底板应力传递相互叠加,周期来压异常,霍洛湾煤矿3-1煤层过上覆2-2煤层房式采空区强矿压及动压现象的问题,应用理论分析、数值计算、相似材料模拟等方法,建立了2-2煤层房式采空区复合煤柱底板传递规律模型,探讨了出煤柱时顶板覆岩结构,揭示了煤柱影响条件下3-1工作面"高应力-煤柱-覆岩运动"联合作用动压机理。研究结果表明:2-2煤层房式采空区大煤柱下的水平与垂直应力较高,达9.7～15.3 MPa;垂直应力影响深度为42～58 m,水平应力影响深度为10～23 m,剪应力波及范围25～50 m;当3-1煤层工作面在20 m或50 m宽煤柱下开采时,超前支承应力较大,应力集中系数高达4.44～5.00; 3-1煤层工作面出大煤柱时的动压现象是由上下煤层应力叠加、煤柱上方倒梯形岩柱失稳与顶板垮裂运动联合作用的结果,可指导霍洛湾矿3-1煤层安全开采。

浅埋房式采空区下长壁采场动载矿压发生机制

为了揭示浅埋房式采空区对下位煤层开采矿压显现的控制机制,降低工作面过房式采空区的动压显现强度和压架风险,以神东矿区霍洛湾煤矿2-2煤层房式采空区下3-1煤层长壁开采工作面动压特征为研究对象,将3-1煤层覆岩结构分为四类,利用理论分析和相似材料模拟等方法,系统研究了不同覆岩结构类型运动特征、力学模型及对3-1煤层长壁工作面的动压控制机制。结果表明:房式采空区稳定房柱下易形成上下位关键层双悬臂梁结构,双悬臂梁结构协同失稳是形成动载矿压的主要原因;房柱失稳区主关键层形成的不稳定砌体梁结构及靠近大煤柱未失稳的房柱随下位煤层开采滑落失稳是导致长壁工作面动载矿压发生的原因;当3-1煤层工作面上覆前方为房柱失稳区时,工作面推出集中煤柱时的动载矿压是由于大煤柱两侧关键块已提前滑落失稳,两关键块间无作用力,倒梯形岩柱与亚关键层联合失稳作用结果;当3-1煤层工作面上覆前方为房柱稳定区时,工作面推出集中煤柱时,动载矿压是由房柱失稳所致。

浅埋房式采空区覆岩结构及对下位煤层开采的影响

房式采空区留设大量不同尺寸煤柱,采场覆岩结构复杂。为了研究霍洛湾矿浅埋2-2煤层房式采空区覆岩结构特征及其对下位3^-1煤层开采的影响,应用理论分析、数值计算、相似材料模拟等方法,确定了2-2煤层房式采空区覆岩结构类型,揭示了不同类型覆岩结构应力场分布特征及其对3^-1煤层矿压显现的影响特征。结果表明：2-2煤层房式采空区覆岩结构分为房柱稳定覆岩结构、房柱失稳覆岩结构、20 m煤柱覆岩结构、50 m煤柱覆岩结构4类;在房柱稳定、房柱失稳覆岩结构下3^-1煤层处于卸压状态,垂直应力降低8%-14.3%,在20 m煤柱、50 m煤柱覆岩结构下3^-1煤层处于应力集中状态,垂直应力增加5%-32%;揭示了3^-1煤层开采时不同覆岩结构下工作面超前支承力分布特征,在20 m煤柱、50 m煤柱、房柱稳定及房柱失稳4类覆岩结构下超前支承应力集中系数分别为4.10、3.85、2.76、3.62;不同类型覆岩结构下3^-1煤采场覆岩运动特征稍有差异,房柱稳定、房柱失稳覆岩结构下3^-1煤层工作面来压步距为12-14m,20 m煤柱、50 m煤柱覆岩结构下来压步距为10-11 m;相似模拟表明,3^-1煤层过20 m和50 m大煤柱时,煤体发生弹射现象,预计实际开采时工作面可能发生动载矿压等动力灾害。

保护层开采被保护层体积应变与渗透特性相似模拟研究

保护效果分析是保护层开采的关键技术之一,体积变形与渗透特性是评价保护效果的核心指标。以长平矿3号煤层下保护层开采防治瓦斯灾害为工程背景,基于实验室相似模拟研究平台,根据体积应变特征研究被保护层渗透特性演化规律,提出了"四定点围域面积"分析方法,应用其研究被保护层在采动应力变化条件下体积应变特征;建立了体积应变与渗透率相关性数学模型,揭示了被保护层卸压煤岩体渗透特性演化规律。研究成果表明:下保护层工作面推进过程中,被保护层煤体体积应变在空间上依次呈∧型、π型和马鞍型分布;在保护层开采过程中被保护层最大压缩变形率为0.723%,最大膨胀变形率为0.77%。下保护层开采过程中,被保护层煤体渗透性演化规律总体呈马鞍型发展趋势,被保护层在拉伸蠕变阶段渗透率最大增加129%,在采空区覆岩压缩密实阶段渗透率平均增加82%,在压缩稳定后渗透率平均增加43%。研究成果揭示了长平矿下保护层开采过程中被保护层渗透特征演化规律,为被保护层卸压效果评价、卸压瓦斯治理方案确定提供了理论依据。

陷落柱渗流突水机理及强度主控因素模拟

为了研究陷落柱影响区域内巷道渗流突水机制及其主控因素,采用Darcy、Brinkman、N-S方程对含水层、陷落柱、突水巷道内流场进行联动系统刻画,选取不同参数、不同边界等变量,分析影响陷落柱渗流突水强度的主要因素。结果表明:定压、定流量条件下,含水层渗透率增大会引起含水层和陷落柱交界处区域流速增大,但定流量条件下增幅较小,且会降低巷道突水流速;陷落柱渗透率的增大对突水压力和突水流速作用显著,定压条件下,随着陷落柱渗透率的增大,巷道突水流速骤增;含水层压力增高,陷落柱区域和巷道区域流速明显增大;在定流量边界下,随着陷落柱渗透率的增大,巷道突水流速仅发生微小波动;将研究结论与现有相关成果进行了对比验证分析,获得了与本文较一致的研究规律。总体分析,陷落柱影响区域巷道突水机理是含水层水压高、足量补水、陷落柱破碎区域渗透率较大且联通了含水层和巷道;其中,含水层压力、陷落柱渗透率是陷落柱渗流突水强度的主控因素。

大南湖七矿极近距离煤层合并开采顶煤冒放性评价

以大南湖七矿一分区5煤、6煤为工程背景,采用理论计算、模糊数学、层次分析法对一分区各钻孔对应柱状进行综合分析,采用多指标综合隶属函数确定5+6煤合并综放可行性及冒放性特征。主要结论如下:一分区5煤、6煤合并综放开采时顶煤冒放性以Ⅲ类(中等)和Ⅱ类(较好)为主,局部区域的顶煤冒放性分别为Ⅳ类(较差)和Ⅴ类(差);合并开采顶煤冒放性取决于上覆顶煤和顶板较硬、较厚岩层的性质与层位。

非均质岩石损伤效应下沿空留巷煤柱宽度研究

目前对沿空留巷煤柱宽度留设的研究集中在煤柱强度、煤柱载荷与煤柱稳定性方面,很少考虑岩石非均质性及损伤效应对煤柱留设宽度的影响。以乌兰木伦煤矿四盘区12煤沿空留巷为工程背景,在考虑岩石非均质性-损伤效应基础上,综合运用理论分析、数值计算、现场实测等方法,研究了煤柱留设宽度。研究结果表明:岩石非均质性-损伤效应模型可较好地反映岩石破裂特征,即在弹性阶段仅有少量颗粒发生破坏,在塑性阶段裂隙开始发育并出现贯通现象,在破坏阶段形成沿对角线方向的宏观剪切裂纹;随着煤柱宽度增大,巷道整体变形量先减小后增大,在煤柱宽度为6 m时发生突变,煤柱周围损伤区域范围及损伤程度不断减小;采动侧巷帮变形量大于非采动侧,但随煤柱宽度改变的变化量较非采动侧小,采空区侧围岩损伤分布大于实体煤侧;根据理论分析、数值计算确定沿空留巷煤柱宽度为5 m并应用于工程现场,工作面前方巷道整体变形量不大,工作面后方60 m后顶板覆岩移动变形基本稳定,验证了沿空留巷煤柱宽度留设的合理性。

倾斜煤层长壁开采承压底板力学结构及渗流稳定性分析

倾斜煤层开采底板破坏易造成水资源流失甚至突水灾害问题,倾斜煤层产量在中国总产量中占有一定比例,因此,开展关于地面结构对地下开采响应稳定性的研究有重要意义。首先,通过分析底板应力状态与变形破坏规律,建立了双向线性载荷作用下四边固支倾斜层合板模型;然后,通过研究渗透系数与变形之间的关系得到渗流稳定性判别方法及条件,并通过工程案例确定了倾斜煤层保水开采的影响因素及其敏感性。倾斜煤层底板最大挠度工作面方向位于工作面中下部0.5864倍的工作面长度处,推进方向上位于0.5864倍的工作面推进距离处。通过正交试验分析得出底板挠度影响因素的显著性大小排序为:工作面长度>水压>推进度>地层倾角。层合板中上层层位边界为压应力区域,中部为拉应力区域,中下层层位则相反,剪应力分区域集中分布。工作面下侧区域各应力最大值均大于上侧区域的,表现出明显的非对称性。最后,确定了渗流稳定性评价指标及稳定条件:极限渗透系数(K_(li))与等效渗透系数(K_(eq))之比不小于1,即K_(li)/K_(eq)≥1。渗流稳定性影响因素的显著性大小为:水压>工作面长度>地层倾角,可为类似矿井的保水开采提供建议。

碱水作用下弱胶结粉砂岩孔隙结构分形特征与非线性劣化机制

弱胶结岩石遇水发生强度劣化是我国西部地区煤矿开采过程中矿压显现异常、顶板事故频发的重要原因.以我国新疆哈密地区弱胶结粉砂岩和地下水赋存环境为工程背景,通过SEM电镜扫描结合数字图像处理技术,研究了不同pH值碱性溶液、不同浸泡时间对弱胶结粉砂岩微观结构和孔隙分形维数的影响规律,确定了孔隙分形维数、孔隙率与单轴抗压强度、抗拉强度之间的函数关系,建立了碱水侵蚀条件下弱胶结粉砂岩劣化非线性动力学模型.研究结果表明:1)浸泡溶液碱性越强,弱胶结粉砂岩矿物颗粒形态越趋于圆润,且颗粒间接触形式变得疏松多孔;浸泡初期孔隙率与孔隙分形维数增幅相对较大而后期趋缓.2)碱水侵蚀作用下孔隙结构复杂程度及分布形态对力学强度影响显著,弱胶结粉砂岩单轴抗压强度、抗拉强度与孔隙分形维数、孔隙率之间均具有较强的负线性相关关系;单轴抗压强度、抗拉强度与孔隙分形维数的相关性大于孔隙率;碱水侵蚀降低了弱胶结粉砂岩的脆性.3)选取孔隙分形维数、孔隙率和单轴抗压强度为描述水化学反应系统的变量,以相应参量的时间序列值为非线性动力学方程的特解,通过反演建立了碱水化学作用弱胶结粉砂岩劣化的非线性动力学模型;采用建立的模型计算的孔隙分形维数值、孔隙率和单轴抗压强度与试验值的误差范围分别为2.37%~2.64%,2.38%~4.57%,3.48%~8.12%,可用于弱胶结岩石碱水侵蚀不同时间后孔隙分形维数、孔隙率以及单轴抗压强度等参数的预测评估.

沿空留巷非对称底鼓机理与控制技术研究

沿空留巷底鼓控制对维持巷道围岩稳定、提升留巷成功率及安全高效回采具有重要意义。采用理论分析、数值计算、现场实测等方法,构建了底板弹性地基梁力学模型,对底板非对称底鼓机理、决定性因素进行了研究,提出了底鼓控制措施。结果表明:巷内正下方底板挠度和弯矩达到最大值且呈非对称分布特征,底鼓值、非对称性和埋深、集中系数呈线性正相关,和底板刚度呈负指数相关;较大的底板抗弯刚度易导致巷内断裂。底板不同区域破坏难易程度依次为:巷道底板上表面、煤柱底板下表面、实体煤底板下表面。揭示了底鼓以垂直应力为根本、水平应力为直接原因角度的机制。基于此,提出卸压切顶及双控锚杆支护控制技术,底鼓快速变形区域及量值分别降低28.6%、63.5%。

应力-损伤-渗流耦合下采动弱胶结覆岩渗透性演化规律

应力-损伤-渗流耦合作用下弱胶结地层采动覆岩渗透性演化是影响矿井保水开采的重要因素。以新疆伊犁四矿21103工作面弱胶结地层条件为背景,选取侏罗系弱胶结泥岩、砂岩,在分析全应力应变过程中弱胶结岩石渗透率变化规律的基础上,明确了弱胶结岩石孔隙结构、矿物组成对其渗透性的影响机理,建立了弱胶结岩石应力-损伤-渗流耦合模型,研究了采动弱胶结覆岩渗透性演化规律。结果表明:围压5 MPa内,弱胶结岩石初始渗透率高,压密阶段渗透率大幅下降,最大降幅达91.5%,这与其初始孔隙率高、孔径大直接相关。同时,弱胶结岩石最大渗透率及残余渗透率与初始渗透率相比增幅较小,最大比值分别为4.51和4.17,这与岩石中高岭石、蒙脱石等水敏矿物遇水膨胀泥化造成部分导水裂隙弥合有关;基于弱胶结岩石基质可压缩融合、破裂等假设,定义了损伤变量D,建立了弱胶结岩石应力-损伤-渗流耦合模型,有效表征了弱胶结岩石初始渗透率高而残余渗透率增幅较小的渗透特性;工程尺度下,弱胶结地层采空区在工作面回采后快速压实闭合,出现渗透率恢复区,且该区域渗透率仅为初始地层的1.1~1.2倍。当工作面连续推进长度大于面长时,覆岩渗透率增高区由“马鞍形”演化为“双V形”,并集中分布于开切眼前方及工作面后方25~30 m范围。研究结果可为弱胶结地层保水开采提供指导。