Dynamic evolution characteristics of mining-induced fractures in overlying strata detected by radon

<正>For environment protection in mining areas in northwest China,we developed a CTSRM(comprehensive test system by radon measurement) to measure radon radioactivity and detect dynamic evolution characteristics of mining-induced fractures in overlying strata.It was used to simulate the relationship between the dynamic evolution characteristics and radon concentrations of 33201~# coalface at Bulianta coal mine in Inner Mongolia,and feasibility of the method was validate.

油页岩原位开采物理模拟试验研究现状及展望

合理高效地原位开采油页岩资源对缓解常规油气资源枯竭具有重要的战略意义。鉴于目前油页岩现场原位开采的不确定性和工艺复杂性,物理模拟试验成为了研究油页岩原位开采热解及传热机制的有效手段。通过查阅大量文献发现:油页岩原位开采模拟试验装置由毫米(颗粒)尺寸向厘米、米级(现场)大型尺寸迭代升级,各种大型多功能三轴智能化试验系统已研制成功。试验研究了温度、应力和共热物质对油页岩热解的影响,分析了油气产物、孔缝结构和渗透率演化特征,形成了具有我国特色的油页岩原位开采研究体系。针对新形势下油页岩原位开采研究存在的不足,对未来的研究方向提出建议和展望,旨在完善油页岩原位开采研究体系,早日实现油页岩大规模原位开采。

煤矿开采二维物理相似模拟试验平台

提出了一种煤矿开采二维物理相似模拟试验平台。该平台具有可模拟煤矿开采1000 m埋深以内的地应力、可调角度、可做垂向及两侧地应力模拟加载、可模拟煤层开采等功能,并经有限元分析验证了其强度和刚度。该平台可以为煤矿开采的安全和高效提供重要的技术支撑。

基于CATIA建模的导流工程三维数值模拟研究

提出了包括实际工程地形的施工导流工程三维数值模拟的方法.基于CATIA模型设计软件建立了苏丹上阿特巴拉水利枢纽儒米拉大坝分期导流三维模型,实现了实际工程地形与建筑物实体的融合,真实地反映了实际工程的空间布置情况.将模型导入计算水动力学软件Flow-3D中,采用紊流双方程中的RNG模型,用Tru VOF方法进行自由表面的追踪,在1,000,m^3/s、5,380,m^3/s流量下,对溢洪道内部水流流速、流态、水面线、底板压力进行了数值模拟.经过对比分析,证明了模拟结果与试验值吻合较好,从而验证了模型的可靠性.在取得水力学参数的基础上,考虑建筑物附近的河床冲刷,探讨了围堰附近覆盖层冲刷的数值模拟方法.该研究为解决复杂水利工程的三维建模问题及相关数值模拟提供了新的方法,具有一定的参考价值和良好的应用前景.

综放沿空留巷顶板锚杆剪切变形分析与控制

实现综放大断面沿空留巷,对综放开采技术的发展具有十分重要的意义,但综放大断面沿空留巷围岩稳定性控制是一项技术性难题,其支护必定要经受大变形的考验,可能会影响到传统锚杆支护中的锚杆受力状态的改变。应用结构分析软件ANSYS对综放沿空留巷顶板锚杆剪切变形特征进行了数值模拟,着重研究了锚杆的剪切力随老顶回转角度和锚杆布置倾角的变化规律。研究结果表明,采用传统设计的综放大断面沿空留巷顶板锚杆在大变形情况下将发生显著剪切变形,甚至会被剪断,但如果适当调整锚杆支护设计方案,即适当调整顶板锚杆的倾角,就可以显著降低顶板锚杆所承受的剪切力,其效果得到物理模拟试验和井下工业性试验的验证。

深部厚硬顶板综放开采覆岩运移三维物理模拟试验研究

为分析深部厚硬顶板破断对厚煤层安全开采的影响,根据胡家河矿402102工作面工程地质和开采条件,构建了大型真三维相似物理模拟试验(3500 mm×3000 mm×2000 mm),开展了留煤柱双工作面开采的试验研究。利用光栅位移连续监测装置对采动覆岩位移进行实时监测,获得了厚硬顶板条件下厚煤层开采覆岩破断运移规律和"三带"动态演化特征。研究结果表明:厚硬关键层变形破断时,软弱岩层会发生协同运动,位移监测点位移量发生突增,监测点位移曲线随工作面推进呈"台阶式"变化。在一侧临空条件下,402102工作面亚关键层1(粉砂岩)初次破断步距为43 m,周期破断步距为21 m;亚关键层2(含砾粗砂岩)初次破断步距为74 m,周期破断步距为51 m;亚关键层3(中砂岩)初次破断步距为171 m。当亚关键层2发生周期性破断和亚关键层3发生初次破断时,采空区位移监测点位移量均发生增幅,覆岩发生大范围整体性运动,矿压显现较为剧烈;受402103采空区采动覆岩结构的影响,在402102工作面回采时,其回风巷侧覆岩运移较为剧烈,巷道受动压影响较大。根据位移监测点的位移量和覆岩变形碎胀因子max(Ki)的大小,对采动覆岩"三带"发育形态进行了初步判别,亚关键层1(粉砂岩)和亚关键层2(含砾粗砂岩)均处于冒落带中,且随着工作面推进,冒落带和裂隙带高度呈"台阶式"增大。

微型四柱式放顶煤液压支架设计及其适应性

微型液压支架及其测控系统在物理试验中起到至关重要的作用,为更好地结合工程实际,保证试验结果的科学性、准确性和真实性,利用SOLIDWORKS软件对微型支架进行三维建模、运动仿真、强度测试。对液压系统所需元件进行非标设计改造,基于RC模型理念配置完善的液压及测控系统,并对支架力学性能进行了相应的测试。结果表明:微型支架在符合结构和承载特性相似的前提下,通过控制泵站压力并在液压阀的配合作用下可满足试验中可控性以及多变量要求。以MNZF0.2/0.55/0.84微型液压支架及测控系统设计为例,给出了支架结构设计的具体步骤和液压系统的换算公式,阐明了支架设计思路及注意事项。支架强度大,刚度稳定,泵站压力可达到3 MPa以上,远高于试验需求。支架前端梁运动曲线符合双纽线特征,运动轨迹变化范围仅为0.46 mm左右,小于理论上的最优值。支架在初撑、增阻、恒阻和卸压阶段能满足其承载特性及运动要求。经测试,支架工作阻力为168 N,对应的支护强度为0.54 MPa,系统压力仍有较大的富余量。护帮千斤顶采用与立柱相同的液压系统,可对煤壁起到保护作用,其与顶梁组成的支撑体系能够更好地体现支架围岩的耦合特性。研究结果可为支架与围岩耦合相关物理试验单一变量或多变量分析提供借鉴,其与围岩耦合相关试验数据对现场应用具有重要的参考价值。

三维采矿物理模拟实验装置主要设计参数研究

在综合考虑各类采矿物理模拟试验所要求的合理模型尺寸的基础上,以满足模拟三维采场岩层移动物理模型为依据,对被模拟的适宜原型尺寸、模型平面尺寸和最大高度、以及模型表面荷载的加载方式和加载级别等物理模型实验装置的主要设计参数和要素进行了全面论证和分析。

基于AUTODYN、LS-DYNA的救生舱抗爆仿真试验

为了减少矿用可移动式救生舱抗瓦斯爆炸能力物理实验室的建设费用、试验成本,缩短试验周期,用AUTODYN模拟矿井瓦斯在巷道内的冲击压力波传播,用LS-DYNA模拟救生舱在冲击波超压作用下的动态响应,获得了作用时间为300 ms、救生舱迎爆面最大超压为0.6 MPa时,冲击压力波传播到救生舱各舱段相应基本单元面上的超压;将模拟所得超压作用到救生舱上,获得了在巷道内受瓦斯爆炸影响的救生舱的应力历程和变形历程。仿真结果表明,救生舱的强度、刚度和密封等满足标准要求。

分流挡渣堤体型优化研究

在高山峡谷地带修建水电工程时,采用修建分流挡渣堤方法来满足工程施工和环境保护的要求.以某实际工程为例,为了减少挡渣堤工程量和保证其过水安全,用CATIA建立了三维几何模型,并将模型导入Flow-3D中,采用RNG k-ε紊流模型,用TruVOF方法进行自由表面的追踪,针对101,m、78,m、67,m 3种平台长度进行了三维数值模拟,初步确定平台长度78,m;对优化设计方案进行了详细的物理模型试验,计算与试验结果对比表明,计算对分流挡渣堤的模拟具有较高参考价值,优化方案的填筑总量约43×104,m^3,比平台长度101,m方案减少约5×104,m^3,降低了分流挡渣堤的施工风险;试验表明,分流挡渣堤虽出现局部冲刷,但整体稳定性良好;进一步的试验表明,采用综合护面措施后,可以保证分流挡渣堤的过水安全.该研究为分流挡渣堤体型优化提供了新的方法,具有一定的参考价值和良好的应用前景.

矿山采动裂隙岩体地球物理场特征研究及工程应用

地下矿床开采引起采场围岩变形破坏产生采动裂隙,采动裂隙是矿山一系列灾害的根源,研究矿山采动裂隙岩体的地球物理场特征,提出可行的地球物理方法对裂隙岩体实施高精度高分辨率探测,对于防治矿山灾害发生,保障矿山安全,具有重要的理论意义和实际应用价值.本文通过理论分析、数值和物理模拟以及现场试验等技术途径,全面系统地研究了矿山采动裂隙岩体的地球物理场特征.主要研究内容、方法、结论及发现点如下：1）根据覆岩变形破坏产生冒落带和裂隙带这一特征,建立煤层开采前和开采后电性数学模型，利用高精度有限单元法进行电场数值模拟．计算结果表明：采动裂隙引起煤层上覆地层的视电阻率变化，其影响范围较实际破裂范围大得多，基本上是覆岩冒裂带范围的两倍，其视电阻率值最大影响区为冒落带，变化率可达19％；在裂隙发育带，视电阻率的变化率可达10％～12％．2）通过建立与实际采矿活动对应的相似材料物理模型，实施直流电阻率法的动态数据采集及反演计算，获得了覆岩采动裂隙的电场响应特征．选择采矿活动引起覆岩采动裂隙的4个关键时段，进行代表性的电场观测和计算分析．物理模拟结果表明：在覆岩变形破坏产生的裂隙带中，电场特征变化表现为正常场电阻率值升高2～3倍；而在冒落带中，电阻率值增加4～6倍；在弯曲变形带，采动过程中电性特征有一定的变化，主要表现为电阻率值略有增大．3）利用相似材料物理模拟进行覆岩变形破坏的弹性波速度场响应特征研究，获得了覆岩采动裂隙的波场响应特征．建立与实际采矿活动对应的相似材料物理模型，进行煤层开采之前和开采之后两个不同时段对所模拟的岩层进行声波CT测量，反演计算所模拟岩层的波速场的分布．实验结果表明：在所模拟的覆岩破坏产生的裂隙带中，速度场变化表现为正常场值降低约10％～20％；而在冒落带中，采后很难接收到弹性波穿透的有效信号．在受开采影响但未破坏的采空边缘区，波速的升高是主要特征．4）结合含完整采空区的采区三维地震资料，全面分析了在煤层采空区、裂隙带及采动影响边界的地震波场特征．研究表明：对应采空区的位置，煤层反射波消失或能量变弱，覆岩层中出现波组零乱的反射波，能量弱，连续性差；对应支撑压力区，反射波组能量明显增强；对应采动影响带，包括上倾和下倾方向边界角范围内岩层的反射波能量明显减弱，局部出现反射空白带．根据这些特征可以划分采空区范围、采动裂隙发育高度、裂隙”天窗”、采动影响范围，为水体下煤炭资源开采以及岩层沉陷控制提供了可靠的地质依据和监测技术．5）建立煤层开采前以及开采后生成离层（离层充水、离层充气）的波场数学模型，利用有限差分法进行波场数值模拟．结合现场利用地震技术探测离层层位，分析了离层发育的具体位置及注浆充填离层带的效果，理论与实际相结合，并经实际检测．6）结合煤层开采底板岩体采动裂隙的动态弹性波CT现场实测试验，研究采动过程中采动裂隙产生过程与弹性波场的响应关系．探讨了动态探测方法的观测方案，确定关键观测时段和观测系统，根据CT反演的速度场特征，全面分析了底板岩体产生采动裂隙的速度场响应特征，在此基础上确定底板破坏裂隙最大发育深度，探测效果明显，为承压水上安全开采底板破坏监测提供了新的技术途径和地质保障．7）综合分析采动裂隙岩体的电性特征和波场特征，结合现场试验的结论和效果分析，提出了采动裂隙岩体地球物理方法监测初步技术体系．

煤与瓦斯突出机理和模拟试验研究现状及发展趋势

总结了煤与瓦斯突出机理的理论研究现状,分析了国内外对含瓦斯煤体相似材料和煤与瓦斯突出模拟试验装置研究的典型范例。指出了煤与瓦斯突出机理及模拟试验研究方面存在的不足之处:目前煤与瓦斯突出机理的理论研究多是定性描述,缺乏定量、统一、完整的理论体系;已有模拟试验系统和装置还无法准确地对综合考虑地质构造、地应力、煤体强度、瓦斯含量及施工过程等影响因素下的突出现象进行定量模拟,试验装置的力学加载、瓦斯充填和测试系统的精度有待进一步提高;试验仪器的试验操作与便利性不足,试验的可重复性有待提高;试验仪器的数据分析系统不完善。分析了煤与瓦斯突出机理研究与模拟试验的发展趋势,认为煤与瓦斯突出模拟试验必须符合相似理论,煤与瓦斯突出模拟试验仪器研究是机理研究突破的迫切需求。

大流量进水工况下主隧系统水气运动特性

为给深层隧道排水系统工程的主隧系统结构设计和工况控制提供依据,采用数值模拟与物理模型试验相结合的方法,建立与物理模型体型结构相同,包含两竖井和相连主隧段的主隧系统三维数值模型,利用该数值模型对两种大流量极端工况下的进水过程进行三维动态数值模拟。结果表明:主隧系统在大流量下的进水过程可归纳为水流从两端竖井进入主隧,水流碰撞形成液面波并在主隧内相互碰撞叠加,主隧下游、上游侧端口先后被封堵,以及进流停止这4个阶段;进水流量主要影响主隧系统端口封堵程度、滞气现象和进水各阶段进程时间,流量越大,主隧端口的水流封堵、滞气现象越严重,进水过程各阶段进程时间也大幅缩短。

三维瞬变电磁超前探测技术在隧道探水中的应用

富水隧道开挖过程中,隧道掌子面面临突水、突泥等风险,对安全施工威胁很大。目前的地质超前预报技术在探测掌子面前方水害方面仍存在一些问题。鉴于此,文章开展掌子面前方含水构造物理模拟试验,总结瞬变电磁响应规律。试验和实际应用表明:使用多匝小线圈瞬变电磁法探测技术,能够较准确地探测出不同距离上的异常体位置。采用多方向、多角度的三维瞬变电磁数据采集技术,将解释成果三维立体显示,克服了传统瞬变电磁探测成果无法显示异常体空间范围的弊端,有效提高了成果解释的形象性和直观性,为该技术在隧道中的应用和发展提供了新的思路。

厚土层区煤层开采红土隔水稳定性评价

为评价薄基岩厚土层地质结构下煤层开采后红土层隔水稳定性,以某综采工作面为研究对象,通过钻探法和物理相似模拟研究了导水裂隙带高度,采用孔组抽水和水化学分析法评价了上覆红土层隔水稳定性。结果表明,综采放顶煤采煤条件下采厚9.57 m时,实测导水裂隙带高度为92.01~101.17 m,裂采比9.61~10.57,与临近矿区实测值相比,明显偏小。物理相似模拟预测结果为136.61 m,导水裂隙带高度位于红土层顶界,与实测值相比结果偏大。抽水试验和水质评价表明,采空区第四系松散含水层和直罗组风化基岩之间水力联系较弱,煤层开采对红土层的隔水稳定性影响较小。红土层对导水裂隙发育存在抑制作用,是薄基岩区保水开采的重要保障。

邕宁水利枢纽一期临时土石围堰数值模拟研究

南宁市邕宁水利枢纽工程位于邕江干流,一期临时土石围堰施工是保证右岸一期全年土石围堰工程施工的关键重点工程。为了解决临时土石围堰的合龙位置、束窄河床通航等问题,采用三维数值模拟和物理模型试验方法对其施工期水流进行了深入研究。首先,用CATIA建立了河道地形和围堰三维几何模型,基于RNGκ-ε紊流模型及TruVOF追踪水流自由表面的方法,用FLOW3D计算了设计挡水流量下围堰中间合龙和围堰挡水典型工况的水流特性,并与物理模型试验成果进行了对比,验证了计算方案的正确性;其次,计算了设计挡水流量下靠上游合龙、靠下游合龙其他工况的水流特性,并进行了综合比较,提出了最佳合龙位置为纵向围堰中部;第三,选取四种流量进行了水流特性计算,分析了束窄河床关键通航水力学指标,结果表明,在一期临时土石围堰挡水期内满足通航要求。

原位开采油页岩三维井网装置设计

文章基于对现有辐射加热开采油页岩方法的分析,设计了一种新型原位开页采油页岩的三维井网装置。装置整体由反应釜体和转动倾斜机构组成,反应釜体置于转动倾斜机构之上。反应釜体由外及内依次包括箱壁、保温层、强微波吸收介质层和模拟井网以及温度压力测点等构成。充分考虑重力作用下的地层倾角情况,模拟了真实地层,而且可以灵活地调整模拟井位置和个数组成不同井网布局。由此模型所得实验数据更具准确性和科学性。

大型LNG接收站取水泵池自动冲淤系统

大型LNG接收站取水系统泥沙淤积问题已经越来越受到各个LNG接收站运营单位关注。目前多数LNG接收站采用二维数学模型和三维紊流模型进行泵站前池流态及其改造措施研究,虽然能够通过计算得知各粒径的含沙量分布和底床淤积厚度、床沙级配,以此来预测池中泥沙淤积分布情况,但仍然不能从根本上解决取水海水中的泥沙在取水池中淤积问题。本文通过多座大型LNG接收站运营经验,借助FLUENT数值模拟技术和物理模型试验,模拟试验各种流态情况,设计出一套符合现实运营安全的取水泵房池自动冲淤系统,减少淤积泥沙对取水系统运行安全的影响。

公路选线中回采率对房柱式采空区上覆地层变形的影响

以某高速公路沿线穿越的房柱式小窑采空区为研究对象,运用相似原理建立物理模型,分析了回采率对采空区上覆地层变形的影响,并对房柱式采空区的变形机制进行了探讨,研究结果可为穿越房柱式采空区公路选线和采空区治理提供理论基础。

矿井巷道系统突(涌)水蔓延过程物理仿真试验模拟与应用

为弥补矿井突(涌)水蔓延过程试验研究空白,科学揭示矿井巷道系统中水流蔓延规律,提出了矿井巷道系统突(涌)水蔓延过程物理仿真试验方法,并深入探讨了突(涌)水蔓延范围演变规律、巷道水深分布规律、水速影响特征以及巷道局部水流流动效应.基于巷道类型、布置方式、几何和结构特征,设计了矿井巷道系统试验原型,并依据重力相似准则按1∶10的比尺建立了矿井巷道系统突(涌)水蔓延过程正态试验模型.根据突(涌)水位置分布及其流量曲线演变特征分析,建立了多组试验工况,采用重力式循环供排水系统实现了不同工况下突(涌)水蔓延过程.研究结果表明:巷道水流蔓延具有以突(涌)水点为中心按高程分布的分区分级演变特性;巷道水深时变关系与突(涌)水流量呈正相关,正相关性下蔓型水深比上涨型水深显著;巷道整体水速与突(涌)水流量曲线增长幅度有关,增幅越大蔓延水速越快,累积突(涌)水量越多.单流程水速与突(涌)水量、水深和巷道坡度呈正相关,与巷道断面宽度呈负相关,其中水速对水深和巷道坡度变化最敏感;巷道局部结构突变位置下蔓水流会发生偏转效应,沿程或沿断面呈现水深和流速双值分布特性.试验结果与实际井下涌水数据相吻合,在水害智能防控与应急救援工程实践中具有广泛的应用价值.