关闭矿井采空区破碎岩体再断裂机制及空隙结构演化特性

受“双碳”政策影响,关闭矿井地热开采技术逐渐受到关注。关闭矿井采空区内储热流体提取效率与其渗流特性密切相关,而破碎岩体空隙结构是决定采空区渗流特性的关键因素。因此,需要研究地热开采复杂环境下储热空间破碎岩体空隙结构变形演化特性。笔者基于颗粒离散元数值方法,建立浸水及侧向约束压缩条件下不同级配的破碎岩体数值模型,分析破碎岩体变形行为及二次断裂演化特性,追踪颗粒从岩体骨架结构剥离及空隙内运移规律。得到如下结论:破碎岩体压实过程应力随应变增长可分为3个阶段:初始阶段(0<ε≤0.175),缓慢增长阶段(0.175<ε≤0.275)以及快速增长阶段(ε>0.275)。快速增长阶段应力-应变曲线出现明显波动,破碎岩体二次断裂及应力重分布现象在该阶段最明显。破碎岩体热储环境下空隙率的变化值与初始空隙率成正比,最大达到0.2。当破碎岩体内岩块粒径悬殊大时,接触键应变能最大,断裂能增长缓慢。岩块与颗粒密集区接触部分断裂分布多,与空隙接触部分断裂分布极少。颗粒未剥离岩块时,随岩块运动,整体运动路径复杂速度较小;颗粒剥离瞬间速度突然增大,与岩块碰撞导致速度改变。当颗粒速度减小到与周围岩块相近时,将造成空隙空间的堵塞。研究结果可为关闭矿井储热空间换热效率评估提供理论依据。

考虑循环载荷初始损伤效应的煤样动态力学特性试验研究

近水平露天煤矿开采时在端帮边坡上通常布置运输平盘,大型重载卡车的往复运输作业会对边坡覆岩产生显著的循环加卸载效应,导致煤岩体产生一定的初始损伤。同时,露天开采时大规模爆破产生的强冲击动载荷使煤岩体的力学性能进一步劣化,极易诱发边坡大面积失稳。因此,开展循环加卸载损伤条件的煤岩动态力学特性试验研究,对露天煤矿边坡稳定及安全开采具有重要意义。利用分离式霍普金森压杆试验系统及扫描电镜测试系统,对循环加卸载初始损伤状态下煤样的动态力学特性及其损伤断裂机理进行了系统分析。研究结果表明:①随着加载应变率的增大,煤样动态抗压强度与弹性模量快速增加,应变率对试样动力学特性的强化效应显著;固定应变率条件下,随着初始损伤的增大,动态抗压强度与弹性模量则呈线性快速降低,表明初始损伤对煤样动力学性能具有弱化效应;②煤样自然状态下存在尺度较小的原生裂纹及孔洞缺陷,损伤的产生导致其内部萌生出新的裂隙及孔洞,并且随着损伤程度的提高,缺陷尺度及数量逐渐增大并快速扩展,这是导致其力学性能弱化的根本原因;③随着初始损伤及应变率的增大,煤样破坏方式从张拉破坏向剪切破坏转变,同时其破坏程度、破坏过程中的耗散能及耗能能力呈快速增加的趋势;④损伤煤样动态破坏主要以脆性破坏为主,但在初始损伤较高的条件下,其局部能够观测到显著地滑移分离及韧性断口形貌,这也是初始损伤较大状态下煤样耗能较高的主要原因。

低温下不同饱和度冻结砂岩动态力学行为试验研究

含水量是影响寒区岩体冻胀破坏的关键因素之一,而动态荷载的扰动又使其破坏过程进一步复杂化。因此,通过低温分离式霍普金森压杆实验系统,研究了冲击荷载和饱和度的变化对冻结红砂岩动态力学行为的影响,并结合低场核磁共振和扫描电镜等手段探究了砂岩试样微观结构的动态演化。研究结果表明:饱和度的增加重塑了红砂岩试样的孔隙结构,促使冻结过程中试样各尺寸孔隙的发育与扩展,且完全饱和时冻结试样以中-大孔隙发育为主。冲击荷载作用下,以临界饱和度为界,冻结砂岩的动态强度、弹性模量和脆性指数BI均随饱和度增加呈现先增大后减小的趋势。与之相反,冻结砂岩的极限变形能力随饱和度变化呈现相反趋势。此外,随着冲击荷载的增加,冻结砂岩的动态强度、弹性模量和峰值应变均逐渐增加,表现出明显的应变率强化效应;而其脆性指数逐渐降低,冲击速度由4 m/s增加至6 m/s时,完全饱和试样的脆性指数下降了8.1%,表明其动态破坏模式由脆性向韧性的转变。而随着饱和度和冲击荷载的增加,冻结试样从张拉破坏转变为粉碎性的复合破坏,且破碎岩块质量的分布仍然与冻结试样的动态强度密切相关。最后,基于试验结果,讨论了饱和度变化对寒区冻结砂岩动态力学行为的影响机制。

一种废弃矿井地热资源再利用系统研究

废弃矿井的再利用对矿业产业的可持续发展起着至关重要的作用。矿井废弃后仍赋存着丰富的资源,有潜在的积极用途,尤其是大量可再生地热资源有着巨大的应用前景。分析了国外废弃矿井地热资源开采与利用现状,提出了一种废弃矿井地热资源利用循环系统模型,该系统利用顶板垮落后采空区的储水优势,能够充分利用废弃矿井地热、水及空间资源,进行清洁能源的生产,避免了矿井废弃后资源的浪费与次生灾害的发生,同时可有效地降低温室气体排放和环境污染。研究结果表明:倾向长度350 m,走向长度4000 m,高度6 m近水平工作面采空区的储水能力约为580000 m^(3),静态储能约为5200 MW·h;考虑不同地层采空区的温度特性,设置冷热源水库,整个系统运行时功率可达8.4 MW,年供能约24960 MW·h,可约为250000 m^(2)住宅空间进行有效的供暖或制冷。与传统化石能源煤炭相比,系统运行时每年可减少约为7812 t二氧化碳排放,碳排放系数仅为0.072 kg/(kW·h),降低了81%以上。此外,相关部门应建立健全废弃矿井的管理机构,提前做好矿井关闭前再利用计划。同时,矿业企业要做好再利用的技术储备与措施,实现废弃矿井的再利用,推动采矿区域环境恢复和经济复苏。

综放采场覆岩冒落与围岩支承压力动态分布规律的数值模拟

在岩层控制的关键层理论基础上,运用RFPA2000软件,模拟了综放采动覆岩的冒落过程,得到了采动覆岩的破断垮落规律和围岩支承压力的动态分布规律,进而得到了综放采空区的支承压力分布情况。采空区的破碎冒落覆岩可划分为3个区,即自然堆积区、结构支撑区和压实稳定区,这对老塘破碎岩体压实状态描述及渗流特性分析具有重要的参考价值。

采动覆岩中关键层运动对围岩支承压力分布的影响

运用数值模拟方法,主要分析了关键层的破断、关键层相对位置及采深等对围岩支承压力的影响;同时,研究了采空区支承压力的分布规律。研究结果对采场围岩的控制提供了一定的理论依据。

基于格子Boltzmann理论的弱胶结裂隙岩体水沙两相流特性

通过格子Boltzmann方法对裂隙岩体水沙两相流动规律进行理论分析,建立裂隙岩体水沙两相流动的格子Boltzmann模型,推导了水沙两相的基本守恒方程并建立了水沙两相流动系统的控制方程,基于浸入边界法,利用欧拉点和拉格朗日点处理水沙两相界面。通过数值模拟裂隙溃沙情况,分析了沙粒进入裂隙前后的流动形态,研究了颗粒粒径和裂隙宽度对溃沙速度的影响。借助单裂隙下的研究结果,建立上覆厚松散沙层矿井开采模型,分析裂隙发育下突水溃沙情况,发现在初始阶段,沙粒的溃入会堵塞裂隙,抑制裂隙的发育;随着水压的持续施加,大量水沙混合物开始涌入裂隙,岩体孔隙压力增大,导致裂隙迅速发育扩展,甚至会造成顶板垮落,加剧突水溃沙灾害。

关闭/废弃矿井地热能开发利用研究现状与进展

探索清洁能源发展的创新途径是实现我国“双碳”目标的重要推动力。低焓地热资源(<85℃)是一种零碳清洁能源,可加快居民热能需求的脱碳进程。然而,低焓地热资源的开采面临着投资成本大、易诱发地质环境灾害等问题,限制了其大规模的开发与利用。而关闭/废弃煤炭矿井,由于具有丰富的水、热及空间资源,可创新性地开发低焓地热资源并延长矿区的经济寿命,降低对环境与经济的负面影响。为此有必要对废弃矿井开采地热能相关的技术、经济、环境和政策等因素进行全面的梳理。因此,进行了广泛的文献综述,从废弃矿井地热能开采原理的角度,概述了其系统、热源、需求及政策等方面的研究成果,特别是对矿井水体积、连通性和温度特征及其影响因素进行了详细的分析。在此基础上,讨论了以解析模型、数值计算及现场实验方法评估废弃矿井地热能利用可行性的研究进展。此外,为了直观地说明废弃矿井地热能的利用潜力,考虑围岩动态补热机制,以徐州矿区关闭张集矿为分析案例,估算了其可利用的地热资源。结果表明:张集矿静态储能约为278000 MW·h,围岩动态补热量(0.5 a)约为4731.4 MW·h,系统供能的碳排放系数仅为0.05 kg/(kW·h),与化石能源相比碳排放量减少约13000 t。尽管考虑了动态补热,废弃矿井地热能补给速率仍相对较慢,因此未来的研究应着眼于多能互补方式开发废弃矿井地热资源,结合风能或太阳能将废弃矿井作为产-储热能的关键结构,以提高系统的稳定性。

基于分数阶微积分的煤系砂岩渗流-蠕变模型研究

由于地下渗流对围岩蠕变规律的研究对于深部采掘工程的长期稳定性及安全性具有重要意义,基于岩石蠕变理论、分数阶理论,以煤系砂岩渗流-蠕变耦合试验结果为基础,建立了整数阶与分数阶煤系砂岩渗流-蠕变模型,并通过最小二乘法确定了模型的相应参数,经对模型进行验证与对比发现:整数阶模型与分数阶模型都能够反映砂岩渗流-蠕变特性曲线的变化趋势,但分数阶模型理论曲线与试验更加吻合,模型精度更高,可以为富水区域巷道围岩稳定控制提供参考。

基于LBM-DEM耦合方法的突水溃砂运移规律研究

我国西部矿区因其特殊的地质赋存条件及高强度开采方式易诱发突水溃砂灾害,迫切需要对灾害机理进行研究。为了解突水溃砂下水砂运移规律及致灾的关键原因,借助LBM-DEM耦合模拟方法对单裂隙开口通道模型中水砂两相运移问题进行了初步探究,通过对比截面流量及溃砂速率变化情况,分析了其受不同边界压力、裂隙开口宽度及砂层厚度的影响,基于Bulsara式拟合了不同边界压力时最大单位质量流量数值计算结果。研究结果表明:随边界压力增加,截面流量及最大溃砂速率单调增加,高压力下砂粒更容易在裂隙开口处堆积形成临时性密实结构阻碍水砂运移,截面流量及最大溃砂速率增幅逐渐降低,在Bulsara式基础上给出的修正式能较好的拟合最大单位质量流量曲线;随开口宽度增加,截面流量、最大溃砂速率和砂粒在开口处形成的密实结构体积均单调增加,但增幅逐渐降低,发现灾害的关键影响因素之一为砂粒密实结构体积;随砂层厚度增加,砂粒密实结构持续时间增长造成阻碍效果逐渐增加,截面流量及最大溃砂速率逐渐减小且降幅逐渐降低,灾害发生点由初始水驱动砂快速流出裂隙孔口阶段转变为砂粒密实结构失稳造成砂粒倾泻阶段。

干旱半干旱矿区水资源保护性采煤基础与应用研究

干旱半干旱矿区水资源保护性采煤既是一项重要的国家发展战略,也是重要的基础和应用科学研究内容之一。结合神东矿区具体地质采矿条件,从矿区水文地质结构分析、采动覆岩导水裂隙通道发育规律与隔水关键层稳定性、有隔水层区上覆含水层保水采煤方法、无隔水层区上覆含水层预疏放转移存贮等多个方面,系统地展开了对干旱半干旱矿区水资源保护性采煤的基础与应用研究工作。通过水文地质分析,将浅层含水区域分为4种水文地质结构类型,又把有隔水层区结构细分为5种隔水层结构,进而提出了5种保水采煤分区。通过现场实测、数值模拟和理论分析等,揭示了采动覆岩裂隙演化、渗流通道发育与渗流规律,并给出了隔水关键层稳定性判别条件。根据不同的地质采矿条件,提出了针对有隔水层区上覆含水层的控制隔水关键层结构稳定保水开采方法、控制采动导水裂隙闭合保水开采方法、局部支撑区域充填保水开采方法,提出了针对无隔水层区上覆含水层预疏放向采空区转移存贮水方法,并在实践中取得了良好的应用效果。

采场覆岩厚关键层破断与冒落规律分析

具有良好分层性的采场覆岩破断规律已被基本掌握,但对于厚关键层(特厚层砂岩老顶)覆岩的采场矿压规律还需深入研究。运用岩体破裂过程分析系统,结合某矿区实际覆岩构造特征,分析了具有厚关键层的采场覆岩的破断与冒落规律。研究表明:厚关键层的破断、垮落规律与长梁(或薄板)矿压理论存在根本差异,其初次破断与冒落形态为拱形,周期破断与冒落呈不等长的短块状。厚关键层来压具有多样性和随机性,不同形式的采场来压对支架的作用不同,大块滑落失稳对采场支架的威胁最大,对采场矿压控制提出了严峻的挑战。该研究成果为实际采矿设计与矿压控制提供了理论依据。

应变速率和尺寸效应对岩石能量积聚与耗散影响的试验

岩石的变形破坏过程是能量积聚与耗散的过程,岩石变形破坏是能量驱动的结果。基于不同尺寸与应变速率下的岩石单轴压缩试验,计算了不同尺寸与应变速率下岩样吸收的总能量、弹性应变能及耗散能,研究了能量积聚与耗散的演化规律,分析了在岩样变形破坏不同阶段的能量分配规律,并从能量角度分析了岩样破裂失稳的原因。研究表明:在单轴压缩试验时,岩样变形各阶段的能量特征有所差异,岩样吸收的总能量U0与耗散能Ud曲线呈非线性增加趋势,弹性应变能Ue曲线呈先增加后减小的趋势。岩样的能量与其高径比呈负相关的关系,两者呈幂函数关系;而与应变速率呈正相关,两者呈对数关系。岩石高径比越小或应变速率越大,岩石强度越高,单位体积岩样所吸收的能量也越高,造成岩样的破碎程度越大。在压密与弹性阶段,基本上将吸收的能量全部转化为弹性应变能储存于岩样内,弹性应变能是能量分配的主体。在塑性阶段,虽然弹性应变能的数值增大,但其所占比率有所下降;而耗散能比率有所增加,耗散能逐渐成为能量分配的主体。在峰后破坏阶段,弹性应变能瞬间释放,岩样吸收的能量几乎全部转化为耗散能,被裂隙面滑移摩擦而耗散掉,在峰后破坏阶段耗散能是能量分配的主体。

隔水关键层原理及其在保水采煤中的应用研究

既要防治煤矿突水灾害又要保护矿区水资源,实现保水采煤是绿色开采技术的核心内容之一.通过研究建立了保水采煤的隔水关键层矿压模型,同时提出了可用于指导开发保水采煤技术的隔水关键层原理.隔水关键层模型有3层含意,即软弱层岩性隔水、坚硬层结构隔水和裂隙通道弥合隔水.保水采煤原理可分解为4个步骤,即隔水关键层位置判别、结构稳定性判别与控制、渗流稳定性判别与控制以及渗流突变通道控制.保水采煤的隔水关键层原理在采场顶底板突水灾害防治中得到了成功应用.

采场覆岩中复合关键层的形成条件与判别方法

在采场覆岩运动中起主要控制作用的岩层为关键层,而有时关键层是由2层或2层以上岩层形成的复合岩层所组成,我们称其为复合关键层.本文在深入揭示复合岩层形成机理的基础上,给出了形成复合岩层的力学条件与数学表达式,进而建立了采场覆岩中复合关键层的判别方法,并编写了复合关键层的判别程序.实例分析表明,复合关键层在岩层运动中是客观存在的,比同组岩层分开后的单一岩层的控制作用的线性叠加要大得多.本项研究是岩层控制的关键层理论研究的深入和发展,将有力促进岩层控制理论和技术的发展.

综放工作面收作眼合理位置确定与稳定性分析

在停采线位置预掘收作眼,可大幅度提高综放工作面搬迁速度。由于受到工作面前方移动支承压力和基本顶周期来压的持续影响,收作眼的维护比一般回采巷道更困难。基于综放末采期间矿压显现和覆岩运动规律,通过相似模拟实验研究覆岩结构失稳对工作面前方巷道变形与破坏的影响,从而得到最佳的收作眼位置;采用岩石破裂过程分析软件RFPA2D系统,对收作眼围岩稳定性进行了数值计算与分析,并对其支护设计方案进行了优选。研究成果应用于济三煤矿4303综放面,实现了采场与收作眼的安全对接和综放工作面的安全快速收尾,并根据井下实测数据,对收作眼的使用效果及其经济效益进行了评价。

极弱胶结地层煤巷支护体系与监控分析

针对极弱胶结地层煤巷围岩自稳能力差、自稳时间短、围岩变形剧烈等特征,采用FLAC3D深入揭示了矩形、切圆拱形与直墙拱形等3种断面形状煤巷开挖后围岩位移、塑性区及应力分布规律,确定了极弱胶结地层煤巷合理断面形状;结合国内外煤巷支护理论与技术,提出了极弱胶结地层煤巷"双层锚固平衡拱结构",基于煤层厚度与巷道埋深,分类提出了极弱胶结地层煤巷支护技术方案,模拟验证了支护方案的合理性与可行性;基于围岩变形与支护结构受力实时监测及分析,动态掌握了极弱胶结地层煤巷围岩变形与支护结构受力状态,评价了支护效果与验证了支护方案的可行性。监测结果表明,切圆拱形断面煤巷成型较好、受力均匀,有利于巷道围岩的整体稳定,提高了煤巷开挖后的自稳与承载能力;锚网索联合支护技术方案有效地控制了极弱胶结地层煤巷围岩大变形与破坏,保证了巷道围岩与支护结构的长期稳定及安全。

煤系砂岩动态拉伸破坏及能量耗散特征的试验研究

我国深部开采过程中,围岩处于显著的高应力扰动环境。动载作用下岩石拉伸力学特性的研究,是实现矿井围岩稳定性有效控制及安全生产的重要基础。利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,对煤层顶板砂岩进行动态巴西圆盘试验。研究结果表明:砂岩动态拉伸强度随加载速率的升高逐渐增强,这种依赖性在较高加载速率时更加显著;砂岩动态拉伸破坏经历主裂纹产生、微裂纹发育及裂纹相互贯穿3个阶段;随着加载速率的升高,试样破坏方式逐渐从单一张拉破坏逐渐发展为张拉破坏与局部剪切破坏共存,碎块平均体积逐渐减小,破坏程度逐渐提高;试验过程中,试样破坏所需的耗散能量随加载速率的升高逐渐增加,并且其占输入能量的比例逐渐提高,即砂岩破坏过程中能量利用率逐渐提高。

实时低温条件下露天矿饱和损伤煤系砂岩动态力学特性及其破坏机制

我国许多大型露天煤矿都地处新疆等西部高寒地区,低温环境下边坡岩体中的自由水发生冻结,对损伤岩体的宏微观结构将产生显著影响,使岩体的力学性能进一步劣化,进而诱发大规模滑坡等地质灾害。因此,开展含有初始损伤的饱和煤系岩石在低温条件下的动态力学特性及破坏机制研究,对寒区露天煤矿边坡稳定及安全开采具有重要意义。利用实时低温分离式霍普金森压杆(LT-SHPB)试验系统,对含初始损伤的含水饱和露天煤系砂岩开展了低温冲击加载试验,并结合扫描电镜观测,对其动态力学特性及细观断裂机制进行了系统研究。研究结果表明:①随着冲击速度(强度)的提高,砂岩动态抗压强度、弹性模量及峰值应变均快速增大,表现出显著的冲击强化效应;同时,在固定冲击速度下,抗压强度与弹性模量随初始损伤呈逐渐减小的趋势,砂岩的损伤弱化特性显著,而峰值应变则表现出损伤强化特征;②冲击载荷作用下砂岩破坏程度随着初始损伤及冲击速度的增大逐渐提高,破坏形式呈现出由张拉破坏向粉碎性复合破坏的转化特征;③较常温环境,低温环境下含水饱和损伤砂岩发生显著的冻胀作用,细观上表现为砂岩内部缺陷尺度与缺陷数量增多,其为砂岩动态力学特性产生劣化的根本原因;④砂岩动态破坏形式主要表现为脆性破坏,而在较高初始损伤下,砂岩内部出现了细观韧性断裂形貌,局部韧性断裂显著,当砂岩损伤值由0增加到50.26%,砂岩脆延性系数均呈现出快速增大的变化特征,表明其动态断裂模式呈现出从脆性破坏向韧性破坏的发展趋势。

煤矸石压实特性研究

通过试验总结出松散煤矸石压实过程中 ,轴向应变、横向应变、泊松比、弹性模量等变形模量的变化规律 ,并对压实过程中变形机理进行了分析 ,为煤矸石的工程应用提供依据。