大断层采动“活化”导水特性研究

煤层回采引起的断层“活化”导水是矿井突水的一种重要形式,具有很高的危险性和隐敝性。依托具体的工程背景,建立简化的力学模型和数值模型,根据弹塑性力学和裂隙介质水动力学理论分析不同推进距离时断层面上的主应力和法向应力变化情况,并通过模拟计算得出回采过程中应力变化与塑性破坏特征。研究结果表明,新集矿区F10大型断层在煤层推进至距断层20 m位置时开始有“活化”趋势,断层带岩体位移值陡增到005 m,距10 m时断层面主应力急剧增大,峰值应力向浅部转移,断层带发生明显位移,孔裂隙扩张。为保证生产安全,需预设30 m防水煤柱,避免煤岩体突水通道沟通主干断层及承压含水层,该研究成果可为矿井生产提供一定的参考价值。     

含裂隙岩石裂纹扩展与剪切特性的数值研究*

为研究直剪条件下含交叉裂隙岩石的裂纹扩展模式和剪切特性,基于PFC2D研究直剪条件下含裂隙岩石的裂纹扩展模式和剪切特性。研究结果表明:直剪过程可分4个阶段:Ⅰ初始平静阶段、Ⅱ裂纹单一扩展阶段、Ⅲ裂纹复杂扩展阶段、Ⅳ破坏阶段;法向应力越大,Ⅱ,Ⅲ阶段的裂纹扩展程度受到抑制;岩石中含单裂隙时,随裂隙角度α的增加,抗剪强度的变化趋势基本一致,遵循先降后增的规律;含交叉裂隙时,当主裂隙角度α=120°,150°时,抗剪强度随次裂隙角度β的增加呈先减小后增大的趋势,抗剪强度最小值均出现在β=30°;加固含裂隙岩体时,预防裂隙或者潜在破坏面两侧的岩体产生位移差,使其加固后成为1个稳固整体,是避免岩体产生裂纹导致破坏的重要手段。     

工作面水力卸压防突作用的数值模拟

为进一步摸清水力卸压的防突作用原理,笔者用UDEC软件对张集煤矿7353工作面水力卸压措施进行了数值模拟。先介绍水力卸压技术及模拟工作面概况,后通过确定几何模型及单元划分、边界条件及初始应力场、力学模型、开挖模型、水力卸压后相关参数等环节进行数值模拟和分析,与此同时,通过测定现场水力卸压后的煤体位移并与数值模拟对照,验证数值模拟方法的正确性。从模拟及现场结果看,水力卸压后的煤壁位移量加大,塑性区范围增大,应力集中程度下降,集中应力深移,卸压带加长,降低了工作面前方煤体的弹性潜能,增加了煤层透气系数及煤体颗粒运动的阻力,从而起到预防突出的作用。     

矿山开采对生态环境的影响评价

根据邵新煤矿的地质采矿条件,按照概率积分法和<建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程>预测矿山开采造成的地表移动变形和导水裂隙带高度.预测结果表明,邵新煤矿西北区多煤层重复开采后斜率i=1.273～26.498 mm/m,曲率k=0.006×10-3～1.081×10-3 m-1,水平变形ε=0.729～15.183 mm/m;东南区多煤层重复开采后斜率i=1.273～22.473 mm/m,曲率k=0.006×10-3～1.011×10-3 m-1,水平变形ε=0.729～12.878 mm/m;冒落带高度为3.118～3.274 m,导水裂隙带高度为18.76～20.91 m.受深部煤层采动的影响,矿山开采后地面建筑物破坏等级为I～IV级,结构处理为简单维修～大修;受近距离煤层采动的影响,K21煤层露头线2侧附近居民建筑破坏等级可能达到IV级,结构处理为大修.导水裂隙带最高达到K21煤层以上19.27 m,花石水库出露地层为侏罗系中统下沙溪庙组(J2x),矿井开采不会导致水库漏失,但会对须家河组第2段T3xj2、第4段T3xj4裂隙含水层地下水产生疏降作用.煤矿开采会导致邵新煤矿采空区内煤层浅部坡耕地出现细小地裂缝,但不会改变农业生产的基本格局.     

基于颗粒流数值方法的岩石压剪破坏细观特征研究

压剪破坏是影响岩体工程安全的主要因素,基于颗粒流程序的伺服控制原理,采用等效晶质模型模拟了粉砂质板岩的压剪破坏过程,通过与室内试验对比验证了其适用性,并从细观角度揭示了岩石在压剪过程中的破坏机理。结果表明:裂纹增长速率与试件压剪过程中经历的弹性、塑性和破坏3个阶段具有相关性;张拉、剪切裂纹呈同步增长趋势,但峰后张拉裂纹增长速率快于剪切裂纹,即试件峰后以张拉破坏为主;随剪切角增大,由沿晶和穿晶断裂向以沿晶断裂为主转变,裂纹数量减小且扩展方向向断裂面集中;穿晶断裂的扩展更容易导致局部失稳,即在宏观上表现为塑性阶段;穿晶裂纹主要沿断裂面扩展、贯通,一定程度上可以抑制断裂面附近较大破裂块体的产生。     

近距离煤层群工作面采场围岩失稳机制与控制技术

为探讨近距离煤层群工作面采场围岩失稳机制和开发相应的控制技术,采用理论计算、数值模拟和实验室试验综合方法,研究煤层群开采围岩采动应力场分布。阐明松散煤体注水加固的力学机制,并开发现场厚坚硬顶板深孔预裂爆破、深浅孔联合注水、新型采煤工艺综合技术措施。研究结果表明:在煤层群开采条件下,上下工作面相互影响程度剧烈,将下伏煤层工作面布置在上覆煤层开采后的卸压区内,可避免上煤层遗留煤柱高集中应力的影响,降低下伏煤层工作面原始应力水平。用设计的深孔预裂爆破工艺,能避免关键层断裂后对下伏煤层作面的动压冲击。提出的工作面低压短时间浅孔注水和2巷超前长孔预注水工艺,能提高松散煤体抗剪强度,增加煤体稳定性。     

外力作用下管道内表面缺陷处裂纹扩展研究

为提高油气管道安全风险评估的准确性,以含内表面缺陷管道为研究对象,利用ABAQUS软件线弹性及弹塑性分析不同尺寸缺陷对裂纹萌生特征的影响;采用扩展有限元法,建立管道3点弯曲模型与全尺寸静载物理试验,并非线性拟合裂纹扩展尺寸,研究内表面缺陷处裂纹扩展情况。研究结果表明:内表面缺陷中心处极易萌生裂纹,随着缺陷尺寸的增大,裂纹萌生所需外力在缺陷相对长度为0.08、相对深度为0.4时的增长趋势变化较大,且缺陷深度对裂纹萌生的影响更大;对比数值模拟与全尺寸物理试验,发现在小于70 mm位移载荷或147.25 kN外力下裂纹尺寸快速扩展,之后呈变缓的趋势;非线性拟合裂纹尺寸,得到较为准确的裂纹扩展尺寸的预测结果。     

深部开采松软煤层抽采钻孔变形特性研究

为了研究深部开采松软煤层抽采钻孔变形失稳特性,基于有限元理论和统计损伤理论数值模拟了深部开采松软煤层抽采钻孔变形失稳整个过程,分析了钻孔周围煤体应力及形变分布、卸压区演化和渗透特性。研究表明:钻孔破坏形式为上方发生垮塌,形成垮塌区;左右侧发生破坏,形成破碎区;钻孔周围煤体均向钻孔移动,钻孔附近煤体位移量较大,远处煤体位移量相对较小;钻孔形状由开始的圆形逐渐变成“类橄榄球形”,然后钻孔“类橄榄球形”断面逐渐减小至坍塌。钻孔失稳过程中,钻孔附近煤体渗透率逐渐增大,钻孔周围煤体渗透率变化量及变化范围均不断增加;周围煤体渗透率分布均大致呈“V”字型变化规律,即煤体渗透率呈随着距钻孔距离的增加先减小后增加然后趋于稳定的趋势。研究结果可以为我国煤矿深部开采松软煤层瓦斯治理和煤层瓦斯抽采提供理论支撑,具有指导性意义。     

不同瓦斯压力下煤体力学特性试验研究

为研究瓦斯对煤体力学特性的影响,设计不同瓦斯压力条件下煤体单轴压缩试验,研究煤样力学参数及变形特征随瓦斯压力的变化趋势,探讨瓦斯对煤体力学性质的影响机制,得出单轴压缩下煤样力学参数,并记录煤样的破坏形态。研究结果表明:随瓦斯压力增大,应力-应变曲线压实阶段增大,弹性阶段缩小,失稳破坏后曲线缓慢下降,抗压强度和弹性模量单调减小,峰值应变单调增大;不含瓦斯煤样受载破坏产生的裂纹较为单一,含瓦斯煤样受载破坏后出现明显主裂纹及多向分叉裂纹,并出现局部煤体脱落现象。     

煤体剪切破坏电荷感应规律试验研究

为研究煤体剪切破坏过程中的电荷感应规律,基于变角板法对某矿区煤体在不同剪切角度破坏下进行电荷监测,探究了煤体在剪切破坏过程中的力-电感应变化规律。结果表明:随剪切角增大,煤体发生剪切破坏的强度逐渐减弱,失稳破坏形式由压剪破坏向张拉破坏过渡;煤体剪切破坏过程中有显著电荷感应信号产生,电荷信号异常区域对应于剪应力突变阶段;随剪切角增大,煤体应力峰值前电荷信号逐渐减少并不断向剪应力峰值附近集中,剪应力峰值前累计的电荷量也逐渐减少;提出了煤体剪切破坏过程中产生电荷的机理主要为摩擦作用的观点;电荷感应信号峰值在剪应力达到极限强度之前出现,电荷信号峰值比剪应力峰值提前出现时间随剪切角度增加有减短趋势;在首次出现电荷峰值信号之后短时间内煤体将发生较大幅度的应力跌落过程;可以以电荷信号峰值的出现为基点来预测煤体将要发生变形破坏及通过电荷信号的整体分布特征来揭示煤体剪切破坏规律。     

浅埋厚煤层井田边界煤柱稳定性研究

针对神府矿区部分煤矿受采煤工艺变化和多次采动影响边界煤柱的稳定性难以保证的问题,本文以相邻的海湾煤矿三号井2206综采工作面和王才伙盘煤矿2201综采工作面为例,采用理论计算、数值模拟方法对常规开采时和卸压开采时边界煤柱的稳定性进行研究分析。研究结果表明:2206工作面和2201工作面边界煤柱的承载强度分别为9. 2、9. 99MPa,稳定性系数分别为0. 54、0. 58,常规开采后均处于失稳和残余变形状态;切顶卸压处理时,工作面前方边界煤柱有足够的弹性区,边界煤柱垂向应力最大为8. 0MPa,较大缓解了煤柱承载,对保障工作面安全生产有较好的作用。     

真三轴应力条件下破断煤体力学响应及渗流特性试验研究

为探究煤炭深部开采过程中破断区域煤体的力学及渗流特性,利用多功能真三轴流固耦合试验系统,结合计算机断层扫描(CT)技术分析破断煤体破坏后的内部裂隙分布情况,获得不同中间主应力下破断煤体的强度特征、渗透率演化及破坏模式。研究结果表明：真三轴应力条件下破断煤体呈现出脆-延性破坏特征,随着中间主应力的增大,峰值强度呈现先增大后减小的变化趋势;破断煤体的渗透率在临近破坏前并未出现大幅增长,在进入峰后阶段总体呈下降趋势,且在峰前阶段变化更为明显;破断煤体破坏后的裂隙形式以剪切裂隙为主,宏观剪切破裂面呈现非对称分布特征。应根据现场煤层破断区域构造应力和裂隙结构的变化,调整煤层破断区域瓦斯抽采或破碎煤岩巷道注浆加固方案,保障深部煤炭安全开采。     

截齿截割煤体变形破坏过程数值模拟研究

采用应变软化的模型,使用连续介质快速拉格朗日分析法(FLAC,FastLagrangianAnaly-sisofContinue)进行数值模拟计算;研究截齿截割作用下煤体变形破坏过程;分析各种工况下不同参数对煤体塑性区、最大位移、最大主应力、最大剪应力的影响。研究表明:截割力与塑性区大小成正比,位移、剪应力、主应力随截割力增大而增大;截深与塑性区大小成反比;截割角度与塑性区面积关系密切,试验用煤体最佳截割角度为5°左右;截割速度增加,塑性区面积减小;通过分析截割动态过程,得到位移矢量图及剪应变等值线图,发现截割过程中煤体的破坏是拉、剪联合作用的结果,以剪破坏为主。     

高瓦斯低透气性煤层水力压裂数值模拟研究

针对高瓦斯低透气性煤层,采用RFPA2D-Flow软件,对水力压裂进行了数值模拟研究,再现了水力压裂过程中压裂孔周围裂纹的生成和扩展、渗透性和应力的变化。模拟结果表明：压裂过程中,裂纹规模和剪应力随着注水压力的不断增加而增大,并且剪应力的增加随着钻孔周围裂纹的扩展不断远离压裂孔,压裂孔周围的渗透性有了很大程度的提高,最大主应力和最小主应力随着注水压力的增加而减小。水力压裂的模拟结果对煤矿高瓦斯低透气性煤层的瓦斯抽采工作具有很重要的指导意义。     

叠加应力作用下急倾斜煤层区段防水煤柱留设研究

以急倾斜开采防水隔离煤柱留设为工程背景,采用理论分析和数值模拟作为主要手段,对急倾斜煤层上部覆岩运动规律进行了研究,认为煤层开采过后上覆岩层运动与水平煤层有较大差异,呈现岩层运动不对称垮落,煤柱裂隙发育度应该为左高右低,急倾斜煤层隔水煤柱上部塑性区宽度大于下部塑性区宽度,呈非对称分布。通过数值模拟得出,35 m保护煤柱下,上工作面裂隙发育高度大于下工作面,两工作面断裂拱发育不对称;煤柱中间区域位移量较小,可以满足生产要求;煤柱在上下两工作面作用下,压力峰值较高,达到18 MPa,上工作面靠近煤柱侧压力也较高,整个支承压力曲线呈现多个波峰波谷。     

煤壁应力峰值动态移动诱发封孔漏气机理研究

基于有效应力原理分析了煤体吸附瓦斯对煤体强度的影响,提出应用煤体单轴抗压强度衰减比k_σ表征瓦斯压力变化对煤体强度的影响;应用数值分析方法研究了煤体瓦斯抽采前后煤壁前方煤体应力、屈服破坏范围的变化。结果表明,抽采期间,煤壁前方煤体应力峰值处于"动态移动"状态,致使煤壁前方的屈服破坏区间同时发生移动,水泥封孔段由受压转为应力卸载状态而发生膨胀破坏,在封孔段水泥与煤壁之间形成松动漏气通道,孔外空气将沿该漏气通道进入孔内,使抽采浓度降低。为提高带压封孔方法的封孔效果,应科学判定抽采前期煤体应力峰值区间,并考虑抽采期间煤体"应力峰值移动"的影响,在应力峰值区间适当向两侧延伸封孔段长度,注重封孔器材和封孔材料的研制和选择。     

辛置煤矿水力压裂卸压增透影响半径数值模拟研究

随着开采深度的增加,辛置煤矿瓦斯涌出量显著增大。为了提高瓦斯抽采效率,拟采用水力压裂卸压增透技术。理论分析了水力压裂对煤层的卸压增透作用,基于此利用RFPA模拟软件对辛置煤矿2-559回采工作面水力压裂卸压增透进行了数值模拟。研究表明,水力压裂主要在以下3个方面对煤体起到增透作用:使煤体卸压、提高煤层透气性;湿润煤体,增加塑性;改善瓦斯抽放环境。辛置煤矿2-559回采工作面水力压裂所需压力约为15MPa,压裂半径为5-6m,以此可以初步确定现场施工过程中水力压裂钻孔间距以不大于10m为宜。     

基于近场动力学的煤体单轴压缩全过程损伤演化规律研究*

为了研究煤体受压变形破坏情况,采用近场动力学理论、室内单轴压缩实验及数值模拟相结合的方式,演绎推导PD损伤本构力函数,分别在宏、微观2个方面对煤体损伤规律进行研究。研究结果表明:以近场动力学所推导的本构力函数对于复杂裂隙演化过程的研究具有独特优势,煤体受到外荷载作用后内部微结构会产生不同程度的损伤,损伤过程可分为:压密阶段、微裂纹的萌生扩展阶段、断裂破坏阶段;压密阶段后均伴随键的断裂,至破坏阶段时,键几乎完全断裂,导致煤样宏观失稳破坏;模拟模型在受到外载荷作用下,内部能量开始聚集,随着压力的增大,内部能量散开,最终呈“X”型分布,这与实验加载后煤样的损伤效果基本一致,以此来反演煤体内部微结构变化从而得到煤体损伤规律切实可行。     

复合坚硬顶板水压裂缝扩展过程研究

为研究复合坚硬顶板的水压裂缝扩展过程,建立相应扩展模型,对水压裂缝的扩展机制和扩展模式进行理论分析,以大同矿区复合坚硬顶板为研究对象,采用岩石损伤破裂过程渗流-应力耦合分析系统(RFPA~(2D)-Flow)数值模拟软件,研究水压裂缝的扩展过程及不同因素下的影响,并用相似模型试验方法验证数值模拟结果。结果表明,水压裂缝的扩展主要受到顶板岩石的力学性质、主应力差、层理面倾角和层理面力学性质等因素的影响。大同矿区的复合坚硬顶板中的水压裂缝优先扩展进入强度最低的泥岩层,随主应力差增大,水压裂缝向不同岩性岩层扩展过程的差异性减弱。随着层理面倾角增大,水压裂缝由穿过粗粒砂岩层扩展逐渐转为沿层理面和限制在压裂层内扩展。而层理面弹性模量的增大,有利于水压裂缝直接扩展进入粗粒砂岩层。     

煤层赋存条件对煤与瓦斯突出危险性的影响研究

为研究煤层赋存条件对煤与瓦斯突出危险性的影响,模拟分析不同条件(埋藏深度、煤层厚度和煤体强度)下的应力、瓦斯压力和煤体塑性变形区的分布及变化。结果表明,随埋藏深度的增加,工作面前方应力峰值及应力梯度、瓦斯压力梯度、塑性变形区及塑性应变量等随之增大,煤与瓦斯突出的危险性越来越高;随煤层厚度的增加,工作面应力峰值、应力梯度逐渐减小,出现应力峰值的位置越远离工作面,瓦斯卸压带、瓦斯排放带、塑性变形区越逐渐增大,煤与瓦斯突出的危险性越来越小;随煤体强度的升高,工作面前方应力梯度、瓦斯压力梯度随之增大,塑性变形区和塑性应变值随之减小,煤与瓦斯突出危险性越来越小。