煤层采动底板变形破坏过程多参数精细感知方法研究

煤层采动过程中,通过测试参数感知底板变形破坏过程是采场地质保障的有效方式。利用有限差分法构建煤层采动底板破坏数值模型,获取塑性区的分布和演化特征,结果显示底板破坏深度为21 m。在煤层底板钻孔中植入电缆和分布式光纤,通过对电极电流值和光纤应变的连续采集,获得采动效应下的特征参数图谱,进一步分析底板的变形破坏程度。结果表明:电极电流的初始值在40 mA以上。随着工作面的推进电流值轻微升高,当工作面推进到孔口附近时,电流降到1 mA以下,岩层破坏;光纤测试方面,随着工作面的推进光纤应变不断增大,当工作面靠近孔口时,光纤应变峰值为8.589×10^(−3),之后岩层破裂,能量释放,光纤应变回弹。电极电流和光纤应变参数图谱显示底板的变形破坏过程分为4个阶段,分别为无影响阶段、微影响阶段、显著影响阶段和破坏阶段。监测数据对底板变形破坏过程起到了良好表征作用,但存在一定差异,具体表现在超前应力和破裂伊始的感知上,电极电流的响应要略早于光纤应变。电极电流的结果显示底板破坏深度为20.8 m,光纤应变的结果显示底板破坏深度为21.0 m。构建电极电流值和应变值的核密度图,对于底板浅部的监测点,数据点离散程度较大;而埋深较大的监测点受动效应影响较小,回采过程中数据点分布较为集中,离散程度较小。通过多测试参数联合感知,实现煤层采动底板变形破坏过程的精细表征和评价。

煤矿隐伏断层递进导升突水的临界判据及物理模拟研究

为解决煤层底板隐伏断层突水的难题,以递进导升及断裂力学原理为基础,建立了断层递进导升简化断裂力学模型,推导了递进导升突水临界力学解析式和断层到底板破坏区的最小安全距离,然后利用相似材料模拟实验研究底板隐伏断层递进导升过程。实验结果表明:底板隐伏断层在采动影响下,尖端的应力发生了集中,应力强度因子增加,当其超过临界值时,即发生扩展,导升高度增加,随机应力得以释放;随着工作面的推进,应力再次集中,强度因子再次增加,当其再次达到临界值时,导升高度再次升高,达到底板破坏区的最小安全距离发生突水,递进导升突水强度随初始导水高度的增加而增加、随岩层强度降低而增强。隐伏断层初始发育自然导升高度越大,其递进导升破坏越强烈,导致沟通煤层底板更易发生突水现象。

地面注浆加固顶板高掺量粉煤灰水泥浆液材料性能研究

针对垮落带直覆下采煤破碎顶板低强度加固特点,基于粉煤灰对水泥浆液性能影响,采用室内静置试验方法,分别对不同水泥粉煤灰比例的浆液进行了优化试验并得出最优强度和流动性配比。试验结果表明,水泥浆液的抗压强度和流动度随固相比的减小(粉煤灰掺量增大)而降低,但凝结时间随之延长及结石率随之增大;硬化体早期强度较低,后期强度有明显增长。当固相比为2∶8时,水泥和粉煤灰的物理化学反应良好,流动性能整体上较好,结石体强度在1MPa以上,凝结时间也较长。研究成果在许疃矿7228工作面垮落带直覆下采煤地面注浆加固工程中取得了良好的应用效果。

高水压作用下煤层底板隔水关键层弹性力学解

针对高承压水作用下的底板隔水关键层的隔水能力问题,将隔水关键层简化为固支梁,分别采用弹性力学中的应力函数法和半逆解法求取应力以及位移。并将2种计算结果与FLAC3D模拟结果进行对比验证。研究结果表明,应力函数法得到的应力及位移与FLAC3D模拟计算结果更加贴切,建议关键层固定梁弹性力学分析方法首采用应力函数法。研究成果可为采场底板突水的预测预报提供理论支撑。

宿县矿区石炭系太灰地下水化学特征及水岩相互作用

石炭系太原组灰岩(简称“太灰”)地下水是宿县矿区煤层开采主要的充水水源之一,为了研究安徽淮北煤田宿县矿区石炭系太灰地下水化学特征并分析其形成机理,文章综合运用Piper三线图、Gibbs图、相关性分析、主成分分析、离子组合比及饱和指数对矿区的地下水化学特征及水岩相互作用进行分析。结果表明:石炭系太灰地下水主要阳离子为Na^(+)与Ca^(2+),主要阴离子为HCO^(-)_(3)与SO_(4)^(2-);研究区水质类型东部地区主要为HCO_(3)-Ca·Mg型或HCO_(3)-Na型,中部地区主要为SO_(4)-Na·Ca·Mg型或SO_(4)·Cl-Na型,西部地区主要为HCO_(3)-Na型或HCO_(3)·Cl-Na型;石炭系太灰地下水中发生的水岩相互作用主要包括碳酸盐、石膏和黄铁矿氧化的溶滤溶解作用及Ca^(2+)与Na^(+)的阳离子交替吸附作用;受区域地质构造的影响,宿县矿区水岩相互作用存在明显的空间差异性——东部地区以方解石和白云石溶解为主,中部地区以黄铁矿氧化和Ca^(2+)与Na^(+)的阳离子交替吸附作用为主,西部地区以Ca^(2+)与Na^(+)的阳离子交替吸附作用为主。研究结果可为华北地区深部水资源开发和保护提供依据。

两端固支各向同性叠合岩梁受均布荷载的弹性力学解

层间岩体存在着一组优势贯穿结构面,将层状岩体视为叠合岩梁求解力学问题,若只考虑无层间滑动的叠合岩梁并不满足工程实例的实际情况。为此,以软硬岩双层叠合固支岩梁为例,运用弹性力学中应力函数法,推导出叠合岩梁受均布荷载作用时的应力及位移表达式。在此基础上,探讨了软硬岩厚度、组合方式以及层间摩擦对其应力分布的影响,并将计算结果与FLAC3D数值解进行了对比。研究结果表明:水平位移在岩体分层处出现数值"跳跃"现象,垂直位移沿岩体走向呈抛物线变化;软硬岩组合方式对水平应力和剪应力影响较小,两者最大误差与最小误差的差值分别为1.4%和2%,对垂直应力影响较大,其最大误差与最小误差的差值可达8.2%;层厚对三种应力分布影响较小,但应力随着层间摩擦的增大而增大。实例中数值解与弹性理论解最大误差为9.8%,基本吻合,表明理论解析解可信度较高。

两淮矿区震源机制解反演区域构造应力场特征

通过分析两淮矿区中小型地震的震源机制,以及该区构造应力场的分布特征,对矿区中小震震源机制解进行统计分析并反演其构造应力场。结果表明:两淮矿区构造应力场的最大主应力方向和最小主应力方向基本沿东西方向和南北方向分布;构造应力场现今主要表现为近水平作用力,同时存在部分构造应力场表现为近垂直方向;地震震源断层的破裂类型主要表现为近走滑型断层,同时也有一定比例的走滑型断层;矿区震源发震断层主要为走滑断层,逆断层占比较少,正断层最少。

煤系岩体物理力学参数特征及统计分析——以皖北青东煤矿为例

在煤矿工程地质问题分析及地质工程设计中,岩石的物理力学指标必不可少,它们直接关系到井巷及围岩稳定性分析、预计开采围岩破坏高度、顶底板抗水压能力评价等工程地质问题的可靠性。以青东煤矿为例,在分析矿区3种典型岩性(泥岩、砂岩、粉砂岩)的视密度、含水率、吸水率、抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、内摩擦角、内聚力、泊松比等岩石物理力学参数特征的基础上,重点对抗压强度等7个参数指标进行概率分布拟合,从而获得其参数分布类型及统计量,并利用Bayes方法对参数进行了优化。结果表明:随着煤系岩体赋存深度的增大,无论是泥岩、砂岩还是粉砂岩,其割线模量和视密度变化不大,而抗压强度等参数则不断变化。同时,相关性分析表明各参数岩石力学性质的差异性和一致性;粉砂岩各参数的P-P图、直方图、曲线拟合结果表明,全部参数符合正态分布,经过Bayes优化后其方差均有所降低。煤系岩体物理力学参数的确定可为该区煤矿工程地质问题防治提供参考。

利用单井水位恢复曲线求解含水层水文地质参数

利用Theis水位恢复法求取水文地质参数,首先依据含水层渗透性、富水性以及边界条件的影响,将水位恢复曲线进行了划分,并给出了水位恢复曲线实例。在此基础上,以五沟矿含水层单孔抽水恢复曲线为例,运用AquiferTest软件,依据Theis水位恢复法计算含水层的渗透系数K和贮水系数S,并将计算结果与稳定流求参做比较。结果表明,单井水位恢复曲线受含水层富水性及边界条件的影响较大,只有在满足Theis假设的前提下,使用Theis水位恢复法求取水文地质参数准确度较高。水位恢复法与稳定流理论计算出的渗透系数结果较为接近,差别不大,并可计算出贮水系数S这一重要水文地质参数,扩大了单井抽水数据的利用率。

Fracture mechanics solution of confined water progressive intrusion height of mining fracture floor

In order to obtain the value of confined water progressive intrusion height of mining fracture floor, the analysis equation was deduced based on the fracture extension theory of the fracture mechanics. Furthermore, the influence of some parameters(e.g., advancing distance of working face, water pressure, initial fracture length and its angle) on confined water progressive intrusion height were analyzed. The results indicate that tension-shearing fracture of floor is extended more easily than compression-shearing fracture under the same conditions. When floor fracture dip angle is less than 90°, tension-shearing extension occurs more easily on the left edge of the goaf. If fracture dip angle is larger than 90°, it occurs more easily on the right edge of the goaf. The longer the advancing distance of working face is, the greater initial fracture length goes; or the larger water pressure is, the greater possibility of tension-shearing extension occurs. The confined water progressive intrusion height reaches the maximum on the edge of the goaf.Field in situ test is consistent with the theoretical analysis result.

潘集矿区太灰水水化学特征及成因分析

石炭系太原组灰岩(简称“太灰”)地下水是潘集矿区煤层开采主要的充水水源之一。本研究收集了潘集矿区矿井水质数据,从地下水化学成分形成的角度,综合运用水化学含量指标分析、Piper三线图、离子组合比分析及相关性分析对潘集矿区石炭系太灰地下水进行水文地球化学类型分析。结果显示:研究区石炭系太灰水中阳离子主要为Na^(+)与Ca^(2+),阴离子主要为HCO_(3)^(-)与SO_(4)^(2-)。石炭系太灰地下水中发生的水岩相互作用主要包括碳酸盐和硅酸盐的溶滤溶解作用及Ca^(2+)与Na^(+)阳离子的交替吸附作用。研究结果可为潘谢地区地下水资源保护和煤炭开采管理提供参考。