基于RFPA数值模拟的煤层水力压裂技术研究

瓦斯灾害严重制约着煤炭工业的发展,为了保障煤矿安全生产,利用水力压裂技术对煤层瓦斯进行抽排。采用理论分析与RFPA数值模拟的研究方法,研究了不同侧应力系数对水力压裂的拓展规律以及裂纹拓展长度分析。研究得出:当λ<1时(垂直地应力大于水平地应力),裂隙的拓展方向为垂直方向;当λ=1时(垂直地应力与水平地应力相近),裂隙的拓展方向杂乱无章;当λ>1时(垂直地应力小于水平地应力),裂隙的拓展方向为水平方向;随着地应力差值的逐渐增大,起裂压力逐渐变小,因此可以提前对压裂钻孔进行预处理,使得钻孔应力重新分布,来达到降低起裂压力的目的。

煤岩组合体破坏过程RFPA^(2D)数值模拟

为研究不同组合条件下煤岩组合体的力学特性及破坏过程,使用RFPA^(2D)软件,采用位移加载方式,对不同倾角、围压下的煤岩组合体进行数值模拟,研究单轴和三轴条件下不同煤岩组合体的破坏机制,分析了围压、倾角对煤岩组合体强度的影响.研究表明:单轴压缩时煤岩组合体的强度接近煤体的单轴破坏强度.三轴压缩时煤岩组合体的强度随着倾角的增大先缓慢降低后迅速降低.围压越大组合体强度越高,但强度提高值随着围压的增大降低.煤岩组合体的内摩擦角随着倾角的增大减小,内聚力随着倾角的增大均先增大后减小.组合体单轴压缩破裂情况基本相同,破坏基元主要分布于煤体中,三轴压缩时组合体的破裂出现了3种情况.

动压巷道围岩破坏机理及支护的数值模拟

针对鲁西煤矿3上107沿空轨巷受采动影响后破坏严重的问题，采用岩石破裂过程数值分析软件（RFPA^2D）模拟及现场实测相结合的方法，对巷道围岩变形破坏机理及主要影响因素进行分析；针对巷道围岩变形破坏特点，提出“卸压与整体支护”的新思路及相应支护方案和措施，并成功进行了现场工业性试验．研究结果表明：导致巷道严重破坏的主要因素为12m保护煤柱使巷道位于高应力条件下；距采空区一侧边缘5～8m为该条件下巷道布置的合理位置．在巷道受采动压力作用时，采用“卸压与整体支护”的思路所设计的锚固方案是较成功的支护形式．

高应力软岩巷道全断面锚注支护数值模拟分析

采用RFPA2D数值模拟方法,分析巷道在无支护、锚网索+钢棚支护和全断面锚注支护3种形式下巷道围岩的变形破坏和裂隙演化过程。对RFPA2D数值模拟过程研究分析表明,采用全断面锚注支护时,在较高应力作用下巷道围岩仍能保持较好的完整性,基本无明显破坏现象,对软岩巷道稳定性的维护具有显著意义。

基于RFPA2D的岩石尺寸效应试验

研究高径比不同变化趋势对岩石尺寸效应的影响,考虑到岩石材料的非均质性,应用岩石破裂过程分析系统RFPA2D,对不同变化趋势下的岩石样本,进行了单轴压缩下的数值模拟研究,并对数值模拟结果进行试验验证.结果表明:岩石的变形模量和弹性模量随高径比的增大而呈现非线性减小;在小高径比时岩石的破裂形式较复杂,在大高径比时,呈劈裂破坏和剪切破坏;岩石抗压强度随高径比的增大呈增大趋势.该成果对岩石尺寸效应有一定指导意义,便于为工程提供可靠岩石信息.

岩石断裂混合矩张量反演与数值分析

通过室内岩石声发射试验研究在不同断裂情况下声发射信号的时空演化特征,对岩石工程的监测预警具有一定的指导意义。通过岩石的张拉和剪切试验,利用Geiger定位法和混合矩张量理论分析了岩石不同断裂类型的时空演化特征,并利用数值模拟软件RFPA2D进行验证。试验结果表明:在张拉破坏时,岩石在弯矩最大处首先开裂,并以张拉信号源为主;剪切破坏时,岩石在主裂隙中部首先开裂,并出现零星的张拉信号源,但随着荷载的增加,其绝大部分的信号源为剪切信号源。

空区顶板安全厚度和临界跨度确定的数值模拟

为了确定空区上方顶板厚度和临界跨度之间的关系,本文以某露天铁矿采空区群为工程实例,通过现场取样测定的岩石力学参数为基础获得顶板岩体力学参数,采用K.B.鲁别涅依他公式法、厚跨比法、结构力学梁理论、平板梁理论法对其进行计算。同时,作者利用RFPA数值模拟方法对空区顶板的损伤及垮塌过程进行数值模拟,计算空区顶板发生初始损伤和失稳垮塌时顶板安全厚度与临界跨度之间的关系。K.B.鲁别涅依他公式法所得结果与RFPA计算的顶板发生初始损伤时的数值结果最为接近,两者的比值可认为是从数值模拟获得的安全系数。由此可见,由K.B.鲁别涅依他公式法计算的顶板临界厚度保留了很大的安全系数,基于RFPA的数值模拟可以计算该安全系数,具有更为广泛的适用性。

富水软岩异形巷道支护技术

以某矿10022工作面回采巷道为例,针对富水软岩巷道难支护的实际情况,通过RFPA数值模拟软件对原支护方案进行模拟,分析了不同载荷下巷道围岩应力以及渗流的变化情况,总结出巷道围岩变形的规律,并据此提出了加强锚索桁架支护方式,在现场进行了成功应用,取得了良好的效应。

爆破卸压技术在深部煤层防治冲击地压中的应用

以唐山矿Y484工作面为例,采用爆破卸压技术对巷道进行了冲击地压防治技术的研究。在对工作面具体地质条件及冲击倾向性分析的基础上,研究了爆破前后工作面上覆岩层的应力分布情况,并结合RFPA数值模拟对比爆破卸压前后煤体的集中应力分布和能量转移范围。试验证明爆破卸压使煤体应力峰值向煤体深部转移了10 m左右,降低了巷道煤壁侧的冲击地压危险。并在工作面成功应用了爆破卸压技术,取得了较好的卸压效果。

大断面巷道软弱厚煤层顶板稳定性控制与对策研究

以王家岭煤矿20322胶带巷受小断层构造影响发生冒顶事故为工程背景,现场调研了冒顶区垮落前顶板变形破坏特征,以及顶板垮落后垮落带高度特征,在此基础上应用RFPA数值模拟软件分析了不同岩性顶板的离层情况。分析结果表明:随着顶板强度和刚度增大,顶板稳定性显著增强。提出利用高预应力多锚索桁架系统控制顶板结构稳定性技术,并从力学角度分析了其控制效果与合理的支护参数。现场实施"多锚索—钢筋组合圈梁"对称支护方案后,选取顶板较为破碎的6个地点进行矿压观测,结果表明顶板控制效果良好。

多锚索桁架系统控制破碎顶板机理及工程实践

某矿20322工作面带式输送机平巷掘进期间受到断层构造影响易发生冒顶事故,通过现场调研发现断层构造区多处锚索断裂而对顶板支护失效,在此基础上通过RFPA软件模拟了不同强度和刚度条件下顶板垮冒情况。结果表明随着顶板强度和刚度增大,顶板稳定性显著增强;高预应力多锚索桁架系统与顶板协同作用能有效地提高顶板的强度和刚度,控制顶板小结构的完整和稳定性。

薄基岩条件矿震诱发煤与瓦斯突出研究

以赵楼煤矿3303工作面为研究对象,建立了厚表土层薄基岩地质条件下矿震诱发煤与瓦斯突出的发生机制,采用RFPA数值模拟探讨了表土层厚度对矿震诱发煤与瓦斯突出的影响。对不同危险区域采用顶板深孔爆破断定、预先瓦斯抽放和煤层注水的措施进行防治,并采用钻屑法对冲击地压实时监测,有效地预防了矿震诱发煤与瓦斯突出的危险。

厚煤层综放开采技术的动压控制机理

鉴于冲击地压对深部厚煤层工作面安全高效生产具有严重的影响性,采用RFPA2D数值模拟软件研究综放工作面采场周围支承压力的分布规律,分析综放开采对于有冲击危险性厚煤层的动压控制机理。研究表明,对于具有冲击危险性的厚煤层采用综放开采是有利于冲击地压防治的[1],在采用放顶煤开采方法时形成的"高位结构"改变了支承压力在煤层上的分布形态,支承压力的范围明显扩大,从而达到对采场周围动压显现的控制目的。

厚煤层综放开采冲击地压防治及工程实践

基于东滩煤矿43上13综放工作面冲击地压显现强烈,采用RFPA软件对工作面回采过程冲击地压进行数值模拟,并制定了钻孔卸压、深孔爆破等技术措施,有效降低了工作面发生冲击地压的可能性。实践表明:大采深、煤层结构、顶板特性、地质构造复杂是导致43上13工作面发生冲击地压的主要因素。

仰坡隧道开挖技术研究

仰坡隧道开挖在隧道施工中具有典型性的代表,存在着较大的施工难度。为对该结构隧道开挖技术进行研究,从开挖围岩失稳机理以及开挖工法模拟分析两个方面进行了论证,得出采用台阶法开挖是仰坡隧道开挖较好的方法。通过研究分析得出的结论,为其他类似工程施工提供了较大的参考价值。

HME-V混凝土抗裂剂在水泥砂浆中的力学特性研究

城市地下隧道在投入使用后出现诸如开裂、渗漏乃至坍塌等因混凝土裂缝引起的隧道常见病害,使得对补偿收缩混凝土技术的深入研究成为解决地下工程混凝土裂缝问题的一项重要措施。该文从砂浆着手研究HME-V膨胀剂应用于补偿收缩砂浆技术的可行性,对水泥砂浆的基本性能进行研讨。对0.45水灰比条件下、不同HME-V膨胀剂掺量(0%、4%、8%、12%、16%)和不同粉煤灰掺量(15%、20%、25%)的水泥砂浆试块进行抗压、抗折试验与稠度试验。试验结果表明:少量膨胀剂与粉煤灰掺量的增加能够得到高达40%的早期强度增量,过高的掺量导致水泥胶结作用下降带来微小裂隙的发展。当膨胀剂掺量为8%、粉煤灰掺量为20%时强度达到峰值,该掺量下的砂浆兼备良好的和易性,28 d抗压强度能够超过55 MPa。最后,对水泥砂浆试块进行Realistic Failure Process Analysis (RFPA)数值模拟,模拟结果与实际试验破坏过程不尽相同,揭示裂缝发展至试件破坏的全过程。

毛坪铅锌矿矿岩接触处进路稳定性分析

由于开挖引起应力场的转移造成边界矿体应力集中,开挖难度大。采用RFPA2D模拟软件,研究毛坪铅锌矿3 m×3 m矩形断面进路和3 m×5 m×5 m六角形断面进路在矿岩接触处高应力区的进路顶板及矿柱的破坏分析。同时,选取矿岩接触处的进路建立数值模拟模型,采用RFPA标准模式中的侧压压缩进行加载,得出矩形断面最大能承受水平应力为1 MPa,六角形断面为0.6 MPa。

神东矿区短壁单翼旺采矿压规律的研究

针对神东矿区各煤矿不同地质条件、上覆岩层组成情况及煤层赋存情况,运用RFPA2D数值模拟软件,分析了不同上覆岩层结构(松散层厚度、基岩厚度、直接顶厚度)对短壁单翼旺采工作面岩层运动和矿山压力的影响规律,为神东单翼旺采工作面安全高效开采提供了理论依据。

常兴煤业5^(#)煤层顶板炭质泥岩力学性质测试及分析

为了进一步分析常兴煤业5#煤层顶板岩石力学性质,在52辅助运输大巷设置2个钻孔取芯点进行岩石力学实验,以获取更为准确的地质资料。以顶板炭质泥岩为例,通过RFPA2D软件进行数值建模模拟,与岩石力学实验进行相互对比分析,为矿方提供更为精准有力的地质依据。

高压磨料射流割缝技术在“三软”不稳定煤层中的应用

为了解决"三软"煤层的突出问题,从理论上分析了高压磨料射流在卸压增透方面的可行性,并结合RFPA2D-Flow软件分析了割缝7.5m时煤层内瓦斯压力变化和流动情况。在大平矿工作面进行的试验结果表明,高压磨料射流技术能够有效增加瓦斯释放通道,提高单循环掘进速度,降低煤体瓦斯压力,提高煤层透气性系数。