加卸载作用下裂隙岩芯渗透性变化规律研究

针对光滑平行板裂隙加载渗流规律难以准确反映实际工程裂隙岩体卸荷渗流特性的问题,利用水力压裂方法制作了天然岩芯裂隙,开展了裂隙试件受轴压、围压加载和卸载作用的渗流试验,并将裂隙试件的CT扫描图像导入ABAQUS软件,对粗糙裂隙受载时的应力和变形规律进行了数值模拟。结果表明:裂隙面的法向应力是影响裂隙渗流的主要因素;在加载阶段,粗糙裂隙面受载产生接触应力致使接触部分产生变形和破坏,裂隙接触刚度增大,裂隙宽度非线性减小,渗透率降低速率越来越小;在卸载阶段,弹性变形逐步恢复,裂隙宽度缓慢增加,渗透率先缓慢增大,当载荷卸到一定值后,在孔隙压力作用下裂隙张开、渗透率突然增大。研究结果表明了粗糙裂隙与光滑平行板裂隙对载荷敏感性不同的机理,反映了实际工程裂隙岩体卸荷渗流特性。     

长壁综采工作面覆岩采动变形破坏时空演化规律研究

回采工作面煤层被采出以后,上覆岩层产生离层、断裂、垮落等运动,形成的冒落带和裂隙带范围对煤矿安全生产影响极大.以顾桥煤矿1116(1)综采工作面为工程背景,采用数值模拟和井下电法测试技术,研究了淮南矿区11-2煤层开采时覆岩移动破坏的规律.结果表明:在垂直方向上,采空区上方覆岩破坏分区特征明显,由下而上依次为双拉应力破坏区、拉伸裂隙区、剪切破坏区和未破坏区域;冒落带最大高度11.5～14.5 m,裂隙带最大高度45～47.5 m;覆岩破坏最终形态类似于马鞍形,破坏在水平方向的范围要比开采区域大.     

采动影响下采场底板岩体渗透性研究

考虑了裂隙倾角对岩体渗透系数的影响,运用断裂力学理论中压剪断裂判据,分析了采动影响下岩体中易破坏的优势角裂隙.在此基础上,建立了采场裂隙岩体优势角应力与渗透性耦合力学模型,计算了采场周围岩体的应力变化,推导了采场平面应力状态下零位破坏带渗透系数方程,分析了渗透系数比及其影响因素的关系.     

饱水作用对锁固型岩体变形特性影响研究

为了研究饱水作用对锁固型岩体力学性质和变形特性的影响,对干燥与饱水状态下的岩体进行单轴压缩试验,利用数字图像相关方法对岩体加载过程进行非接触式实时变形监测。研究结果表明：饱水作用弱化了岩体的单轴抗压强度和弹性模量;应变场演化特征表明饱水作用增大试件的变形量,但未改变试件的裂纹扩展路径和最终破坏模式;岩桥锁固段剪切裂纹起裂和峰值应力时伴随着应变场分异速率突增,可作为锁固型岩体滑动和失稳破坏的前兆信号,饱水作用对应变场分异速率峰值有削弱作用;通过计算预制裂隙两侧的错动位移,定量揭示岩体失稳过程中岩桥的“锁固效应”。研究结果可为涉水环境下锁固型岩体的稳定性问题和灾变监测提供参考。     

减缓地表沉降的覆岩离层注浆新技术的研究

较系统地介绍了覆岩离层产生的力学机理 ,分析了适合离层注浆控制地表沉降的地质采矿条件 ,探讨了充填物在离层空间的力学机理及离层充填注浆设备及注浆系统 ,并对离层注浆的应用效果确定了评价指标     

基于能量理论的冲击地压细观过程研究

为了解冲击地压细观发生过程,从而分析冲击地压不同阶段特点,从能量消耗角度对该过程进行了研究。认为冲击地压是岩体系统由于外界扰动引起的能量释放过程,总释放能量理论上等于岩体形成期间残余弹性势能。由于该弹性势能和岩体形成后裂隙发育的不同,导致岩体受开采扰动后经历的能量释放形式有所不同。大体上能量释放形式可分弹性变形、可产生裂隙的大变形、岩体破碎飞石、广义变形集中区岩体失稳和伴随裂隙产生的机械振动5种。过程可分三部分:初期变形和裂隙、中期飞石-变形-破碎-飞石的循环破坏过程(岩爆)、末期广义应变失稳破坏。使用颗粒流理论的PFC3D对上述过程进行了模拟,结果表明:-120 m、-220 m、-320 m时开采面岩体只发生变形和裂隙;-420 m、-520 m、-620 m岩体先经历变形和裂隙,然后发生岩爆;-720 m和-820 m岩体经历变形和裂隙、岩爆和广义应变区失稳坍塌。     

不同配比下破碎岩体变质量渗透试验研究

为了分析破碎岩体不同骨架-充填物配比条件下的变质量渗透特性,揭示煤矿陷落柱、断层等含破碎岩体地质构造的突水机理,利用自主研制的可考虑颗粒迁移作用的渗透试验系统开展了不同试样配比条件下的变质量渗透试验研究,得到了破碎岩样孔隙率、渗透率、质量流失率等参量随时间的变化规律。并在试验结果的基础上,结合陷落柱突水实例,分析了充填物颗粒迁移作用下的陷落柱突水演化规律。结果表明:1)颗粒迁移作用下破碎岩体的渗透性变化可分为3个阶段,即渗流缓变阶段、渗流突变阶段和渗流稳定阶段;2)试样充填物颗粒在水流冲蚀作用下不断迁移流失,孔隙率快速增大后趋于稳定,质量流失率先快速增加后逐渐减小;3)充填物含量对破碎岩体渗透性具有重要影响,随试样中充填物比例的增加,试样的最大质量流失率不断增加,孔隙率增幅也越大,初始渗透率和渗透率增幅均呈现先增大后减小的变化规律。     

特厚煤层不同开采阶段"弱-弱"结构覆岩破坏高度研究

为了确定老虎台矿特厚煤层不同开采阶段"弱-弱"结构覆岩破坏高度,以63005工作面所在区域为研究对象,构建FLAC3D数值计算模型,对研究区域水砂充填开采阶段和综采放顶煤开采阶段覆岩破坏高度进行分析,确定了覆岩破坏高度与采出厚度的关系.分别采用微震监测、EH-4探测法对研究结果进行了验证.结果表明:无论水砂充填开采阶段还是综采放顶煤开采阶段,老虎台矿"弱-弱"结构覆岩最大破坏高度均约为等效采高的8.5倍;63005工作面开采前后,覆岩破裂最大高度与油母页岩和绿色页岩的分界面密切相关,均被控制在分界面之下;覆岩破坏高度受到F18断层的影响,被约束在断层破碎带沿走向范围内;63005工作面开采后,绿色页岩层中F18断层的下盘出现离层破坏,且破坏范围呈逐步扩大的趋势.     

近浅埋煤层覆岩关键层对综采工作面压力的影响分析

为了研究采场在覆岩运动过程中关键层的缺失与否对综采工作面采场矿压的影响效果,采用相似模拟试验和数值模拟,对大柳塔煤矿活鸡兔井1-2煤21304综采工作面在回采期间出现的2次压架事故进行分析。研究结果表明:上覆岩层的关键层缺失与否对下部煤层的开采影响至关重要,尤其是对上部已采单一关键层的煤层回采影响较大,当上煤层的关键层未缺失时回采后形成稳定的砌体梁结构,其下煤层回采也易形成稳定的砌体梁结构,反之亦然;在冲沟发育较深的地形,关键层的形成也会受到冲沟影响,造成部分关键层缺失,当关键层缺失时工作面向坡开采,随着工作面所承受的荷载逐渐增大,出现动载矿压的几率也随之增加,背坡开采则与之相反。     

基于弹性理论的软弱顺层岩质边坡受采动影响研究

在有软弱顺层边坡地形中进行采矿通常会引起边坡稳定性变化,因而研究此类边坡在受采动沉陷的影响在地质问题中是尤为重要的。首先利用关键层理论概念分析得到,在含有软弱结构层的岩质斜坡受到采动或开挖影响时,软弱结构层将和关键层同步变形而与上部岩质斜坡产生离层,形成悬臂结构。再根据弹性力学理论计算出岩质斜坡的极限悬臂长度以及断裂长度。最后利用实际矿山地质进行稳定性判断。结果表明,随着工作面的不断推进,采动影响下的离层距离变大,岩质坡体最大拉应力将沿着坡表面向前移动并且逐渐增高,最大拉应力点与发生离层点的距离X_(max)却急速减小,当离层距离达到l_(max)时,最大拉应力达将到坡体抗拉强度,岩质坡体断裂,此时岩体断裂长度达到l_(max)+X_(max);通过实际矿山工程算例得到,当坡顶上离层距离达到6.88 m时,若下方采空区继续推进增加,则上方坡体将产生断裂形成滑坡。     

露天矿边坡岩体裂隙测量与卸荷破坏的数值模拟研究*

为探究露天矿不同高度边坡卸荷破坏模式的异同,以辽宁鞍山大孤山铁矿某岩质边坡为背景,利用边坡岩体内优势裂隙组产状、迹长和密度等随机分布参数,构建与边坡结构面具有相似分布规律的二维网络模型,借助PFC数值计算软件,探讨不同开采水平下坡体位移场和裂隙发展的时空演化规律以及边坡的破坏模式。研究结果表明:在边坡开挖过程中,出现的裂隙以张拉裂隙为主;裂隙主要出现在靠近坡面一定范围内,从坡面向里,裂隙数量减小,裂隙初始出现在坡脚区域,而后向坡顶发展;边坡开挖后,水平位移由负变为正,且突然增大,而后呈现阶跃型增长;边坡水平和竖向位移最大值发生在坡脚区域和靠近坡面位置,远离坡面,位移逐渐减小。     

受载含层理煤体裂隙演化与渗流特性模拟研究

为揭示层理构造对煤体裂隙演化与瓦斯渗流特性的影响机制,优化基于层理构造的瓦斯抽采设计,保障煤矿安全高效生产,利用RFPA2D-Flow软件,在煤体中预制斜交、垂直和平行层理裂隙面的基础上,分别对不同层理煤体的裂隙演化特征、声发射分布规律及瓦斯渗流压力场进行模拟研究,并与试验结果对比。结果表明:不同层理煤样均以剪切破坏为主,但最终破坏形态有明显差别;斜交层理煤样在3条预制层理的中间1条处破坏最明显,而垂直、平行层理煤样的抗压/拉破坏主要在预制层理裂隙面两端和周围;不同层理煤样的瓦斯渗流压力场梯度曲线均在裂隙出现的区域有明显变化,且呈波浪状分布;斜交层理煤样的模拟结果与试验结果基本吻合,验证了模拟的有效性。     

榆阳煤矿2301工作面导水裂隙带高度的数值模拟

在分析榆阳煤矿覆岩赋存特征的基础上,建立了采动岩体力学模型,利用有限差分程序(FLAC)对采动引起的覆岩破坏进行了数值模拟,得出了导水裂隙带发育高度最大值为50m；采用WSD-2数字声波仪测定岩样的物理力学性能,分析得知覆岩中泥岩强度大于砂岩,且抗压与抗拉强度的比值较高,使得岩层呈脆性材料特征,对导水裂隙带的发育有利,这样给保水开采增加了难度.     

边坡爆破高度对边坡稳定性的影响

为了解爆破后由急倾斜且具有水平裂隙发育岩体组成的边坡稳定性及其内部破坏规律,最终总结出爆破高度对边坡稳定性的影响特征,使用基于颗粒流理论的PFC3D进行该工况模拟。利用PFC3D中的JSET和Bonds模拟非连续和连续性的岩体构造形式,以对实际的岩体中岩块和裂隙发育进行模拟。针对存在该类型构造发育边坡的实际工况,设置了13个爆破点的6个爆破方案进行模拟。研究了模拟结果表现出的边坡内部裂隙和位移随爆破高度的变化规律。其表明了对于同时起爆各爆破点而言,爆破高度越高爆破后边坡越稳定的结论,并分析了出现该现象的原因。说明了结论的普适性,同时该边坡实际的爆破情况也支持了该结论。     

基于岩体扰动参数的边坡结构优化

为了研究岩体扰动参数对边坡稳定性的影响,根据某露天边坡岩体物理性质及坡体钻孔勘探结果,分析了边坡体各岩组在不同扰动参数下的强度弱化过程;考虑由扰动产生的节理裂隙对边坡稳定性的影响,通过Phase^2软件对仿真计算模型进行了不同扰动程度的区域划分;同时提出了一种用于直观表征露天整天边坡稳定性的安全系数“玫瑰花”图。结果表明:各边帮受节理切割和爆破扰动的影响,稳定性差异较大,部分边帮安全储备充足,仍存在优化空间;节理裂隙几何位置对边坡失稳滑移面具有控制作用,对于近乎顺层岩质边坡,其破坏主要沿节理面剪切滑移;对于具有浅埋倾覆节理面边坡,由于岩体强度较高易发生倾倒破坏,所绘制的边坡安全系数“玫瑰花”图可直观表征露天边坡整体稳定性,考虑局部扰动影响对边坡稳定性分析进行精细化表征,为矿山边坡角度的进一步优化提供了一定的参考指标。     

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。     

岩体声发射技术在金川二矿区的应用

岩体声发射技术是利用岩体变形破坏过程中产生应力波的强弱,来监测岩体的安全状态。针对金川二矿区地压大、岩体破碎的特点,金川公司先后在二矿区１１５０ｍ水平二期快进巷道、８０１采场、１４３８ｍ水平１２＃采场进路等处进行了应用岩体声发射预报矿岩体和充填体安全状态的试验。在对试验过程和监测结果进行分析的基础上,初步建立了金川二矿区矿岩体和充填体安全状态与声发射参数的近似关系,为实现金川二矿区安全管理的定量化进行了有益探索。     

考虑质量流失的破碎岩体渗透试验系统研制及应用

随着煤矿开采向深部延伸,陷落柱、断层等含破碎岩体地质构造突水成为威胁煤矿安全生产的重大灾害之一。近年来虽有学者从破碎岩体流固耦合动力失稳的角度研究地质构造突水机理,但没有考虑质量流失对破碎岩体渗透特性的影响。展示了自主研制的一套可实现质量流失的破碎岩体渗透试验系统,包括加载系统、数据采集系统、水压供给系统及特制渗透仪装置,并利用该渗透试验系统,通过改变破碎岩体的配比、应力状态等条件,计算并分析充填物质量流失率、渗透率、流量等参数的变化规律,初步研究了破碎岩体的变质量渗透特性。结果表明:1)自主研制的破碎岩体变质量流固耦合试验系统通过渗透仪蜂窝状的活塞、带有缺口的溢水筒等的独特设计,实现了渗流作用下充填物颗粒的自由迁移,具有较好的开放性。2)质量流失条件下破碎岩体的渗透性变化可分为3个阶段,即初始渗流阶段、渗流突变阶段和渗流稳定阶段。在初始渗流阶段,破碎岩体渗透率缓慢变化,孔隙率逐渐增大;在渗流突变阶段,渗透率在极短时间内增大数倍甚至几十倍,孔隙率快速增大;在渗流稳定阶段,渗透率和孔隙率随时间基本保持不变。3)随渗透时间增加,破碎岩体充填物颗粒不断迁移流失,渗透性不断增强并最终发生渗流突变,这表明充填物颗粒迁移流失是引起破碎岩体渗流突变的重要原因。     

倾斜特厚煤层采空区孔隙率分布规律研究*

为了研究倾斜特厚煤层综放开采采空区孔隙率分布规律,确定采空区高位钻孔位置,有效治理采空区瓦斯灾害,以硫磺沟煤矿9-15（06）工作面为例,采用UDEC数值模拟软件研究采空区覆岩垮落和裂隙演化规律,根据采空区覆岩下沉量,计算得到采空区孔隙率三维分布规律。研究结果表明:倾斜特厚煤层采空区覆岩位移云图在垂直方向呈3段分布,以距离工作面底板23 m和80 m为分界线,位移矢量密度显著降低,冒落带高度为23 m,与经验公式25 m基本一致,大于薄、中厚和厚煤层;受倾角影响,垮落矸石滑移、充填采空区下端,覆岩下沉量呈非对称椭圆形,中上部下沉量最大;冒落带孔隙率在上、下隅角处最大,中上部最小,随着覆岩高度增加,采空区边缘处和深部孔隙率差值逐渐减小。研究结果为倾斜特厚煤层采空区瓦斯抽采高位钻孔的布置提供了理论基础。     

Y型通风沿空留巷巷道围岩活动规律研究

为掌握沿空留巷围岩活动规律,以谢桥矿12418工作面轨道顺槽为工程背景,采用多点位移计及钻孔窥视仪等设备进行实测研究,并结合数值模拟对其进行分析.结果表明:沿空留巷巷道表面围岩变形具有典型的近场效应,留巷前距工作面60 m以外的巷道基本无表面位移,随工作面的推进,巷道表面位移逐渐增大,距工作面10～15m范围内,表面位移变化速率显著增加,留巷后巷道表面位移与留巷前变形趋势类似,但表面位移量较留巷前有明显增加;从顶板钻孔窥视结果可以看出,留巷前仅在孔深2 m处发育单一离层裂隙,留巷后在孔深1.2m、2.4 m、3.8m和5.3m处发育多层离层裂隙,且随滞后工作面距离增加裂隙逐渐增大;尾巷充填体应力在充填材料固结后逐渐升高,并一直维持较高应力状态,因此,巷旁充填体既要确保有一定的强度和刚度,又要有一定的适应变形能力.