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。

大变幅加卸载下特厚煤层底板断层突水机理模拟研究

特厚煤层采场空间大、扰动范围广,强烈大变幅荷载易导致底板断层破裂加剧并诱发水害。数值模拟是揭示特厚煤层底板断层活化与突水机理的重要方法,准确反映大变幅加卸载下岩体破裂与裂隙水耦合特征是其合理性的关键。构建损伤变量与塑性应变、应力之间的相关关系,得到完整岩块的拉、加压卸载损伤演化方程;以平方拉剪应力与Benzeggagh-Kenane为初始、完全断裂准则,建立塑性位移与强度劣化关系,建立加卸载韧性断裂本构关系;基于实验数据建立贯通裂隙加卸载剪切本构关系。以基本方程与状态方程为基础,结合浸没边界方法,形成裂隙岩体水力学模拟理论。由此编制流体动力学-有限离散元CFD-FDEM耦合程序,模拟研究特厚煤层底板断层活化突水过程。结果表明:CFD-FDEM耦合程序可数值实现特厚煤层底板断层从(准)连续体到离散体转化,以及断层带裂隙水运移过程。底板断层采动破坏包络线呈W形,最深位于断层及其上盘(48.6m),最浅位于断层下盘(23m)。特厚煤层采场底板断层及其上盘受到较大超前集中应力,而后在采空区内大幅卸载,导致该位置出现显著二次破坏,并形成主要导水通道。研究成果为特厚煤层工作面底板断层水害防治提供理论支撑。

基于微震信号突变分析的底板断层突水预测

为了探索承压水上底板采动断层活化破坏特征,预防底板断层活化突水,利用微震监测技术对工作面底板采动断层进行了连续动态监测。结果表明:当工作面推进距断层约60 m时,断层就出现活化迹象,且随着工作面的推进,断层活化程度及破坏范围增大;底板断层活化破坏深度达到30.4 m,接近无断层底板破坏深度的2倍,活化破碎的断层带更容易形成导水通道诱发工作面底板突水。基于承压水上采动断层活化破坏特征信号,利用Origin数据处理软件对微震监测的底板断层活化破坏深度数据进行了4次多项式拟合,应用基于突变理论推导的底板采动岩体失稳突水判据对其进行了突变分析。依据分析预测结果,并结合放水孔水量、水温等信息,及时注浆加固了底板断层活化破坏区域,使工作面顺利推过断层区域,实现承压水上断层区域工作面的安全带压开采。

带压开采煤层底板断层活化突水机理试验研究

为了研究含断层的底板隔水层在采动影响下的破坏动态过程,以焦作煤田赵固二矿11011工作面为研究背景,采用相似模拟试验的研究方法,对断层在整个开采过程中的活化动态进行观测,记录模型各个测点的位移变化并进行整体分析。通过"下三带"理论,计算赵固二矿工作面底板岩层的最大破坏深度和承压水导升高度,验证试验结果的准确性。研究结果表明:在采动影响下,底板断层的活化过程可分为稳定期、初始期和活化活跃期。初始期断层带附近衍生裂隙与工作面底板塑性破坏区形成沟通,是断层完全活化的前兆信息;活跃期断层滑落失稳,断层面处于张开状态,此时导水通道形成造成突水事故发生。

华北型煤矿底板断层突水水文地质分类研究

华北型煤矿由于特殊的水文地质条件,主要受底板灰岩突水威胁,断层是灰岩突水最重要的突水通道之一。以断层的水文地质特征为主综合考虑突水时空与动态特征,进行底板断层突水水文地质分类,通过统计典型华北型煤矿断层突水实例,进行验证分析。研究成果可以为华北型煤矿底板灰岩突水防治提供借鉴。

含水层水压对底板断层突水危险性的影响

含水层水压对底板断层突水情况的影响与矿区开采深度有很大的关系,开采深度越大,发生突水事故的可能性就越高。本文阐述了影响底板断层突水的主要因素,探讨含水层水压对底板断层突水危险性的研究过程及最终结果。

关于推覆构造底板断层向深部延伸的定量估算探讨——(以青海某矿区实测构造剖面为例)

通过对造山带某地区构造剖面的侧量,详细解析断层的几何学,运动学,动力学特征,对同期断层形成的叠瓦状推覆构造进行几何作图的方法可以对推覆构造前锋带的分枝断层进行产状延伸,这些同期次的逆冲断层产状延伸的交点,或者多数交点是对分支断层向下延伸到底板断层的限制交点,通过定量测量分支断层向下延伸的交点,我们可以对底板断层的深度有定量的估算,这种方法的原理是基于自然界岩石变形的几何形态是相互限制的,岩石在地应力作用下形成不同规模的断块,逆冲推覆构造的马石,岩席之间的断层发育在一个地区存在一定的几何规律,同地区岩席大小,分枝断层间距和断层带宽度,断层岩特征有一定的相似性,经过解析对比,我们可以发现在某地区叠瓦状逆冲构造区域,存在断层相对高角度和相对中角度的发育规律,这些相邻高角度断层之间的间距就是该区域断层发育规律的几何规律的波长;断层之间相互限制,在同一个波长内对断层进行详细测量,作图分析就可以估算出该带的底板断层深度。

综放工作面在地质构造复杂地段过底板断层施工技术

工作面采到断层位置时,既没有只为了躲石包而盲目地漂起工作面,造成不必要的底煤丢失,又没有大面积回采底板石包而造成停产状态。采取有效防治措施,保证综采工作面遇断层期间顺利回采,为南山矿创高产高效工作面做出了贡献。

煤层底板隐伏断层承压水导升机制研究

煤层底板隐伏断层活化突水是矿井水害防治技术中的关键问题。根据底板隐伏断层的发育形式,运用FLAC3D数值模拟软件建立了底板隐伏正断层与逆断层模型,探究采动应力作用下2种断层模型的塑性区与渗流场发育特征。结果表明:正、逆断层类型对采动塑性区的发育形式具有主导作用,当底板为正断层时,采动过程中的底板破坏形式为“V”形向“W”形的演变;当底板为逆断层时,底板将会在隔水层中间位置出现对称原位张裂区,采动应力对正断层的活化作用高于逆断层,揭示了隐伏断层突水机制。

数字矿图中遇断层煤层底板等值线的绘制

遇断层煤层底板等值线的绘制一直是数字矿图绘制中的一个难点,利用三角网法绘制等值线的原理,将断层信息融合到三角网中,能较好地处理等值线与断层之间的关系。基本思路是:先绘制断层实体,将断层类型和落差存入图形实体中。在组网时自动访问断层实体,将断层结点作为离散点参与组网,并由断层信息求得断层各结点高程,然后根据三角网追踪等值线。程序需要断层信息量少、思路简单、设计方便、自动化程度高。

含隐伏断层煤层底板承压水采动导升机制研究

根据裂隙岩体水力学分析了承压水导升运动过程中的水压变化与导升位置的变化规律,推导了二者之间的数学关系;通过分析底板采动应力场空间分布规律,构建含隐伏断层底板承压水导升力学模型,基于半无限体理论推导了采动影响在底板空间的应力传递规律表达式;结合断裂力学理论推导了矿山压力-水压力联合作用下的裂隙扩展的临界水压及承压水导升高度计算公式;采用单因素分析法对其影响因素进行了分析,并通过FLAC3D重点模拟分析了隐伏断层倾角对承压水采动导升规律的影响。研究结果表明:承压水导升高度受初始水压力、隐伏断层倾角增大而增大,而随着动水流速、岩体断裂韧度增加而减小;采动承压水导升高度还与其导升过程中的能量损失系数结构岩体的力学性质、原始地应力等相关联;模拟结果也表明受隐伏断层倾角影响,采动渗流场表现出随着隐伏断层倾角增大而导升强度越剧烈和强渗流区范围更大的现象。