特厚煤层底板断层破坏与顶板垮断联动效应的CFDEM模拟研究

特厚煤层采场空间大、覆岩扰动范围广,顶板垮断产生的强扰动加卸荷载易导致底板断层破坏加剧。通过数值模拟研究特厚煤层底板断层突水与顶板垮断联动效应机理规律是开展水害防治的基础,关键在于掌握加卸载下岩体渐进破坏与裂隙流耦合特征。构建加卸载下拉、剪损伤演化方程,结合有效偏/球应力为基本变量的屈服准则与塑性势函数,得到完整岩块的塑性损伤本构;建立拉/剪、混合型加卸载过程中塑性位移与强度劣化关系,以平方拉剪应力与B-K准则为初始、完全断裂准则,形成非贯通裂隙断裂本构;提出岩块分离、压缩、剪切判据,结合实验数据建立离散块体间挤压、剪切摩擦本构与剪胀方程。基于质量/动量守恒、状态方程,并结合流体体积与浸没边界方法,形成裂隙岩体气−水二相流模拟理论。由此形成CFDEM数值计算程序,并将加卸载下塑性损伤、断裂、挤压/摩擦、流体属性分别赋予实体单元(岩块)、黏聚力单元(非贯通裂隙)、接触对(贯通裂隙)、欧拉单元(水和气)。根据宁武煤田北部矿区工程地质条件,建立特厚煤层底板断层突水与顶板垮断联动效应数值计算模型。结果表明:①CFDEM耦合程序及相应的理论模型可数值实现特厚煤层覆岩及底板断层从(准)连续体到离散体转化,以及地下水在裂隙中运移;②模拟条件下特厚煤层含断层底板的采动裂隙包络线呈w形,最深处超过55 m位于断层及其上盘,最浅处23 m位于断层下盘,而无构造底板处的破坏深度为24~36 m,已导通奥灰含水层;③特厚煤层底板普遍出现二次破坏现象。表现为无构造底板在超前工作面处破坏深度为24.0~29.3 m,但在采空区内普遍增加至31.5~36.0 m;断层及其上盘在超前工作面处裂隙总开度为0.34~0.86 m,但在采空区内迅速增加至3.6 m,形成突水优势通道。④底板断层突水与顶板垮断联动效应的根源在于覆岩高位关键岩层垮断失稳、砌体梁下沉与二次断裂,并导致底板二次破坏,突水风险加剧。

煤矿“Y”型断层分支底板断裂力学判据及模拟研究

【目的】断层分支作为主断层的一部分普遍存在,不易引起人们重视,但断层分支是引起突水的主要因素之一。【方法】以安徽刘庄煤矿为工程地质背景,在考虑Mohr-Coulomb准则岩体压剪断裂判据基础上,建立断层分支渗流与应力双重影响下的断裂力学灾变模型,分析得出断层分支发生劈裂破坏时的临界水压及断层分支到底板破碎区最小安全距离,研究断层倾角、最小主应力、主断层长度和渗透水压对临界水压及最小安全距离的影响规律和主控影响因素,并模拟分析断层分支在采动影响下塑性区及渗流场的演化特征,开展现场压水试验的验证工作。【结果和结论】结果表明:(1)断层分支倾角越大越易发生突水;最小主应力越大,断层分支裂隙越不容易发生扩展;(2)当主断层倾角为60°且断层分支与主断层夹角为60°时,模拟分析结果显示在工作面推进至断层分支正上方位置时,断层导升通道整体活化贯通;当工作面推过断层分支正上方10 m后,断层分支尖端裂隙与工作面底板破坏带贯通并引起底板突水;(3)通过现场压水试验验证了理论计算的正确性,证实断层分支会造成底板裂隙提前与断层相互贯通,引起工作面出水。研究结果可为煤矿采场底板含此类断层分支时的防水煤柱留设提供一定参考。

断层突水预测控制理论研究

为研究断层突水机理及其预测控制方法,以"实用矿山压力控制"理论为指导,在考虑采动引起的岩层运动及矿山压力对岩溶水压及断层煤柱的影响的基础上,理论分析了底板岩溶水剧增的原因及传统防治水方法存在的问题,以此为基础,建立了跨断层开采的预测控制力学模型,制定了相关控制准则。结果表明:岩溶水压的增大与采动所引起的上覆岩层运动有重要关系,特别是对于封闭型溶洞其水压会在支承压力作用下剧增;留设断层煤柱的传统防治水方法是不合理的,应采用把开切眼布置在经相邻工作面推进,构造应力已经释放的"内应力场"中,以最短距离推过断层的方案;"工作面长度越大,突水可能性越大"的传统观点是不准确的,工作面长度必须大于基本顶第1次断裂步距才能有效抑制底f板回弹,防治底板突水。

基于采动和承压水作用下断层突水关键路径的力学分析

断层突水是煤矿典型的动力灾害,是煤岩体在采动和承压水共同作用下失稳破坏过程。论文针对导水断层缩短了煤层和含水层距离特点,建立了断层突水的关键路径力学模型。将极限平衡理论和尖点突变理论引入断层突水分析,建立了承压水及采动影响下断层突水关键部位失稳破坏模型,获得了断层突水的力学判据,以及防突煤柱预留临界宽度。同时分析了断层参数、煤柱参数对突水条件的影响规律。

高压渗流水作用下泥岩巷道破坏特征及失稳机理

针对某矿Ⅱ水平第二部带式输送机大巷由断层突水引起的巷道破坏问题,通过对工程地质条件的综合分析,总结了巷道在原支护下以及修复后的破坏特征,并基于应力-渗流耦合效应分析了巷道底板突水机理,最后探讨了水-岩作用对泥质岩体的弱化作用。结果表明：巷道围岩以块状泥岩为主,伊利石质量分数90%,在高压渗流水的作用下体积可增大50%~60%,极易引起岩体的软化和泥化,造成巷道失稳。在此基础上提出了置换泥化岩体、多层次锚杆＋钢丝绳＋钢筋网＋喷射混凝土联合支护、开挖卸压槽和反复注浆等控制技术,取得了预期的效果。

煤层底板破坏的断层效应模拟及其在防治水中的应用

梁北煤矿已发生5次寒武系灰岩底板突水事故,造成重大经济损失。根据矿井的水文地质条件,建立了煤层开采的FLAC数值模型,利用岩石力学及渗流力学理论,分别模拟了无断层和有断层条件下煤层底板采动破坏带的演化规律,重点讨论了断裂深度及断层空间位置对底板破坏深度的影响。结果表明,断层的存在可使底板采动破坏深度增加20%~33%,断层是突水重点防范区域,遇断层前10m直到过断层15m须加强防治水工作。根据模拟结果设计了梁北矿11041,11151,11111三个工作面底板的注浆加固工程,重点注浆层位分别为底板破坏范围和寒武系顶部裂隙发育带,注浆工程增强了底板的阻水能力,实现了工作面的安全回采。

采动诱发充填断层活化滞后突水机制研究

构造致灾突水一直是煤矿安全开采的焦点问题,现有研究缺少对于断层带缓冲作用的考虑以及构造内部特征对于构造本身演化影响的考虑,为了解决这一问题,从构造内因入手,基于岩体极限平衡理论对底板隔水层极限水压进行推导,建立了断层影响下采动应力力学模型,获得了采动影响下断层活化力学判据;依据断层活化的力学判据,获得了承压水作用下断层内部裂隙扩展演化形成突水通道的演化特征,初步提出了由于断层充填物的不均匀性导致断层内部受力不均衡导致突水通道的连通滞后进而引发底板滞后突水的观点。利用RFPA_(2D)-FLOW二维数值模拟软件对底板断层活化以及最终形成滞后突水的过程进行了模拟。基于理论分析和数值模拟对采动诱发底板断层活化及滞后突水的特征进行了深入的研究,获得了采动影响下诱发断层活化及滞后突水机制。结果表明:当工作面回采过断层后,当断层附近围岩体应力极限平衡状态被打破,极易促使断层活化诱发底板突水灾害发生,同时由于断层充填物的不均匀性及其缓冲作用使得突水滞后。该突水机制为目前存在断层活化及底板滞后突水事故风险的工作面的水害防治提供了参考。

断层构造对煤层底板突水的影响分析

在原岩应力、地质构造、地下水等因素基础上,从应力场和渗流场共同作用的角度出发,研究含底板岩体在内的采场岩体系统的变形与破坏。研究结果表明,随着工作面向前推进,底板岩层的破坏深度和范围逐渐增加,底板岩层中水平应力低于承压水压力的深度也逐步增大。随着开挖接近断层,断层对应力分布情况的影响越来越明显,最终在断层处造成突水。为了预防底板突水的发生,合理留设防水煤岩柱是必要的工程措施。

高峰水库下采空区重大安全风险评估及治理对策

湖南柿竹园多金属矿老蛇形坪矿区闭坑后被高峰水库淹没,周边民采矿点超深越界偷采井下保水矿柱,形成了高峰水库下积水采空区透水隐患。为了保证临近矿区安全开采,消除采空区透水隐患,在三维流固耦合有限差分数值模拟的基础上,对53#关键采空区和18m隔水矿柱的稳定性进行了分析,采用事故树法排查了可能发生出突水事故的104种基本事件,分析了高峰水库重大安全隐患的风险等级,并提出了隐患治理对策,可为水下开采的矿山突水安全评估及治理提供参考。

深井工作面断层滞后突水机制与防治关键技术

针对煤矿深部岩体断层滞后突水具有隐蔽性、滞后性及防治难度大等特点,结合王楼煤矿3采区13301工作面开采过程断层滞后突水治理工程,在水文地质和水源探查分析的基础上,研究了采动作用下断层滞后突水机理,研发了一种低成本水泥基注浆材料,能够保证工程突涌水治理需求,与普通水泥材料相比,节约了材料成本约60%。将新型水泥基注浆材料应用于断层滞后突水治理工程,结合注浆治理过程工作面涌水量变化及注浆效果关键评估技术,现场裂隙发育形成的导水通道被拦截,水力通道被阻断,有效控制了工作面涌水量,达到预期堵水效果。

赵固二矿工作面断层突水防治技术

为解决焦作矿区断层突水问题,以赵固二矿11011工作面为背景,采用高密度三维地震对工作面附近断层、底板岩层等进行勘测;利用探明断层建立数值模拟,分析了工作面断层突水机理,同时提出断层立体预加固技术并进行现场实验。结果表明:从断层上盘方向回采引起的断层活化程度强于从下盘回采,结合三维地震勘探结果采用立体预加固方法能有效降低工作面断层突水危险,注浆后每孔水量均未超过3 m^3/h。验证了基于精准物探结果进行断层活化特征研究与所提出的断层综合防治水技术是可靠的,并成功推广应用。

断层定量化在突水危险性评价中的应用

良庄井田目前已进入深度开采,以断层为通道的奥灰岩溶水对底板突水问题的影响越来越大。针对该井田11煤层开采底板断层突水问题,在概述良庄井田构造发育特征的基础上,以分形理论为指导,提出采用断层分维值及断层强度指数对良庄井田煤层底板断层进行定量化描述,并融合突水系数和涌水量对井田的突水危险性进行了分区。利用灰度分析Python编程确定断层分维值、强度指数和突水系数的权重,采用Surfer中的插值法将3个参数融合分析突水危险性,根据突水危险性将该区域划分为突水危险区和开采安全区。

隐伏岩溶地下水动态特征及水文地质模式分析

以淮南煤田潘二煤矿2次放水试验及"5.25"陷落柱突水等资料为基础,采用地下水系统分析、构造控水理论及统计分析等方法,对区内主要含水层间的水力联系和断层的导(阻)水性进行了系统分析。结果表明:奥陶系灰岩含水层与太原组C3Ⅲ段灰岩含水层之间存在密切水力联系,2个含水层水位响应和变化幅度近乎一致,而与太原组C3Ⅰ和C3Ⅱ段灰岩含水层间水力联系弱;F1断层在太原组C3Ⅰ和C3Ⅱ段灰岩含水层中为阻水断层,而在太原组C3Ⅲ段和奥陶系灰岩含水层为导水断层,DF1断层在太原组C3Ⅰ段含水层为阻水断层,而在太原组C3Ⅱ、C3Ⅲ段和奥陶系灰岩含水层中为导水断层。

平顶山煤田两翼矿区断层突水危险性分类研究

文章分析了中平能化两翼矿区历次断层突水特征,研究了影响矿井断层突水量的各因素与断层突水量之间的关系,提出选用断层类别、突水量、是否切割寒武系灰岩含水层、含水层水压值等水文地质特征作为判别因子,将断层突水危险性分为四类,并对中平能化两翼矿区12条主要影响断层进行突水危险性分类,其中,判别为一类危险的断层有4条,二类危险的有3条。最后,提出断层突水防治措施,为现场防治水提供理论参考。

东滩矿断层活化对3煤顶板突水的影响

兖州矿区东滩煤矿二叠纪 3(3上)煤层与其顶部侏罗纪红层的间距约 6 0～ 2 2 0m。回采过程中多数工作面未发生红层突水 ,或水量较小 ;4 30 8和 14 30 1工作面却发生了红层突水 ,且水量较大。分析认为 :采动影响使工作面内断层活化 ,增大了冒裂带高度 ,从而导通红层含水层所致 ,最后提出了防治红层突水的建议。

地面定向钻孔在治理煤层底板断层带突水中的应用

针对朱庄煤矿Ⅲ63采区煤层底板太灰含水层DF_9断层带突水问题,经过分析以往突水井上下治理经验,采用地面定向钻孔对导水通道进行探查,结合骨料灌注、高压注浆工艺对造成突水的断层带进行快速高效封堵,切断了导水通道,最后通过分支孔钻探技术对可能再次活化成为导水通道的隐伏构造以及突水含水层进行区域注浆改造,彻底消除了突水隐患。结果表明:1号主孔通过施工地面定向钻孔结合骨料灌注、水泥高压注浆,出水点附近三灰水位埋深由出水时的超过400 m恢复至95 m,井下出水量从55 m^3/h减少至10 m^3/h,1-1号与1-2号分支孔通过对出水点附近断层带注浆直至结束,三灰水位埋深恢复至47.8 m,属正常三灰水位,井下未见出水;最后设计1-3号与1-4号分支孔,对断层带附近三灰进行区域超前治理,通过高压注浆将含水层改造为相对隔水层。

城郊煤矿二水平煤层底板突水危险性综合评价研究

为了探究城郊煤矿深部延伸二水平主采二_(2)煤层底板突水危险性,根据矿区二水平底板地层及断层构造特征,采用突水系数法和分形分维方法对二水平底板的断层构造复杂程度及突水危险性分别进行了量化分区与综合分区评价。结果表明,虽然两种方法的计算过程和量化分区参数不同,但所进行的量化分区具有较好的一致性,断裂构造复杂程度分维值与突水系数值存在明显的正相关性,断裂构造复杂区域对应的突水系数值明显偏大,综合对比得到二水平煤层底板在东部和西部突水危险性均较大,中间区域偏安全。研究结果对城郊煤矿二水平二_(2)煤层安全带压开采具有重要的参考价值。

王坡煤矿断层影响下采场围岩破坏和底板突水的数值模拟

为了探讨断层在围岩破坏及底板突水中的作用,采用RFPA2D-Flow数值模拟软件,分析了底板在有承压水作用的前提条件下,随着工作面的推进,不同断层倾角对采场围岩破坏和底板突水危险性的影响,得出了采场围岩失稳破坏的规律,并提出了工作面遇断层时的防治水措施,为王坡煤矿3号煤层的开采提供了科学依据.

潘西煤矿19煤层底板突水危险性评价研究

对潘西煤矿19煤层底板奥灰富水性及诱发底板奥灰突水等因素进行了分析,对煤层底板突水危险性进行了评价研究,为矿井安全开采提供了十分重要的理论及实践经验。

井下断层带作业面底板突水防治分析

以井下断层带作业面底板突水防治为对象开展探究,结合具体工程实际,针对作业面回采通过断层破碎影响区域时的底板突水防治技术开展分析总结,并对其实际应用效果做出检验分析。结果表明,所设计的防治方案实现了对矿井突水现象的有效治理,为矿井综合效益的获得提供了保障。