导水分析范文

导水分析范文（精选7篇）

导水分析 第1篇

1工程概况和地质条件

本工程项目生产规模8.0Mt/a,采用走向长壁后退式综采放顶煤采煤法。主采煤层为4煤层,厚度10.1m~13.6m,平均厚度11.5m,结构简单,一般含两层夹矸,赋存较为稳定。工作面煤层无明显的伪顶存在,直接顶为深灰色厚层状泥岩,中间夹粉细砂岩薄层,厚度0.45m~1.9m,一般1.0m左右,老顶下部为浅灰色粉砂岩,中夹灰白色细砂岩,上部为钙质胶结粗砂岩,厚度1.15m~5.70m,平均3.47m。

2数值模拟计算参数

数值模拟结果是否更为接近实际,取决于参数选取的准确性,本次模拟根据地质资料和实验室岩石力学实验结果,煤层及主要岩层物理力学参数,见表1。

3综放开采导水裂隙带高度计算

3.1数值模拟计算

3.1.1数值计算方案

(1)建立数值计算模型,然后生成初始应力场,通过计算得到大佛寺煤矿工作面斜长模型的初始应力场,模型各单元初始应力均达到10-5数量级为初始应力平衡,则地层充分稳定,达到原始开挖条件。

(2)推进工作面,按回采工艺(煤层厚度12m,沿顶板推进,采高4m)开采,工作面宽度为180m,模拟工作面推进长度480m,前180m推进间距10m;180m后工作面推进间距15m,共分38个步骤模拟整个推进过程。

3.1.2计算结果分析

随着工作面推进过程的变化,顶板陆续出现不同程度的位移和应力变化。煤层顶板由下而上,依次出现四个分区,分别为拉伸破坏区、拉伸裂隙区、剪切破坏区和未破坏区域。拉伸破坏区指的是在受到双向拉应力作用下,岩层被拉断并出现垮落的区域。拉伸裂隙区是由于拉应力超过了岩体的抗拉强度,在受拉方向产生拉伸裂隙,这些裂隙宽度和发育情况不同,对岩体破坏程度也不同。拉伸破坏区和拉伸裂隙区主要分布在采空区上方岩层的拉应力区内,据此判断,工作面顶板首先受到剪切破坏,并使顶板裂隙得到发育,进一步发展为拉伸破坏,最终发生断裂和垮落,故直接顶的垮落为拉伸破坏所致。通过对顶板岩层破坏场的分析,可以发现工作面开采后顶板岩层破坏后的区域、采空区前后煤壁上方、采空区上方塑性区分布与垮落带、裂缝带的发育范围基本是相对应的。

(1)回采10m,回采范围相对较小,回采工作面上方的顶煤随采随垮,垮落高度4m左右,工作面周围岩体应力释放使得开切眼上方形成了小范围的应力卸载区,高应力区出现在工作面前方的煤壁,其中回采工作面前方煤壁出现压剪破坏。垂向力场的分布基本上以采空区中心呈轴对称分布,工作面前端5m左右的煤壁处支承压力达到最大值9.8MPa,向前出现应力降低区,在工作面前端10m~15m处垂直应力趋于稳定,垂直应力值在8.5MPa左右。

(2)工作面回采80m时,开采扰动影响趋于稳定,顶板零应力区域进一步扩大,老顶岩层进一步开始破坏,覆岩塑性破坏区发育高度达到75.5m,见图1,煤壁最大支承应力为13MPa左右,出现在工作面前方6m处,煤壁前方50m左右范围内支承应力趋于平衡,其值大小在9.9MPa左右,并在工作面覆岩前方出现拉剪破坏区。

工作面回采90m、100m、120m时和回采80m时应力场分布基本一致,应力值增加较小。煤壁前方应力集中区分区特点明显,沿着工作面推进方向分为三个区:分别为减压区、增压区和稳压区。在工作面推进过程中,三个应力分区的范围随推进过程不断变化,当工作面推进20m时,减压区和增压区影响范围约为15m,工作面推进至40m时,减压区和增压区影响范围约为40m,工作面推进至60m时,减压区和增压区影响范围约为50m,当工作面继续推进,应力区域的范围基本稳定在50m左右。

(3)工作面回采180m时,顶板的塑性破坏区深度达到160m,工作面回采300m时,顶板的塑性破坏区深度达到200m,工作面回采480m时,塑性破坏区的范围增大,顶板的塑性破坏区深度达到210m,高度没有增加,表明塑性破坏区发育高度已经基本稳定,最大导水裂隙带高度为210m。详见图2。

(4)根据数值模拟过程分析,导水裂隙带为采空区上方相互贯通的拉应力塑性区,导水裂隙带发育的最大高度为覆岩塑性区发育的最高点。此外,根据工作面推进过程与覆岩塑性变形演变关系,在达到充分采动前,导水裂隙带发育高度与推进距离基本呈线性关系,推进300m后,不再继续向上发展,曲线趋于平缓,见图3。

3.1.3导水裂隙带数值模拟计算结果

通过综放采场覆岩采动影响下应力场和破坏场的分析,以及岩层垮落、移动形态,根据综放采场采空区上部覆岩层塑性区发育情况,确定本矿井综放采场导水裂隙带的发育高度为210m左右,裂高采厚比为17.50。

3.2工程实测导水裂隙带发育高度

为了探查导水裂隙带实际发育高度,建设单位又分别采取钻液漏失量观测法和钻孔彩色电视窥视法对导水裂隙带发育高度进行了工程实测。通过实测,导水裂隙带发育高度181.08m~205.44m,裂高采厚比15.09~17.12,平均16.02。

3.3数值模拟与工程实测对比分析

在与现场开采实际充分相似情况下,数值模拟计算出裂高采厚比为17.50,工程实测裂高采厚比15.09~17.12,平均16.02。两种方法结果吻合度较高,说明数值模拟参数取值正确,数值计算方案具有借鉴意义。

4结论

(1)通过数值模拟计算,证明综放开采较传统分层开采导水裂隙带发育高度有较大变化。

(2)综合数值模拟和工程实测,本区综放开采导水裂隙带裂高采厚比一般为15.09~17.5,平均16.76,这一结论可为相似条件下导水裂隙带发育高度预计提供参考。

摘要：为了探求综放开采条件下导水裂隙带发育高度与采厚的关系,采用数值模拟方法对综放开采导水裂隙带发育高度进行了模拟计算,通过与工程实测数据的对比分析,获得本区综放开采导水裂隙带裂高采厚比平均值为16.76,综放开采产生的导水裂隙带发育高度比分层开采的大,为相似区域内、相同条件下导水裂隙带发育高度预计提供了参考。

关键词：综放开采,导水裂隙带,数值模拟

参考文献

[1]许海涛,等.综放工作面导水裂隙带发育高度预计[J].煤炭技术,2015,06:10-13.

[2]戴露,等.综放开采条件下导水裂隙带发育规律探测[J].煤矿安全,2009,3:90-92.

[3]余学义,等.机械化开采条件下导水裂隙带发育高度研究[J].煤炭工程,2015,9:86-89.

导水分析 第2篇

1 导水机构漏水所带来的损失

导水机构的漏水造成了很多的负面影响, 给水电厂的日常工作增加了困难, 极大地影响到机组的安全运行, 工作人员的检修工作也比较困难, 这是大多数的水电厂均感到棘手的问题。

1.1 水电厂经济效益下降

导水机构漏水直接造成了水能资源的流失, 进而使得水电厂的发电量下降, 从而造成了水电厂的经济效益损失。但是相关工作人员经常忽略掉这一方面的经济损失。水电厂的发电机在每次停止转动时, 就会损失大量的水能。当停机的时间越长, 就会造成漏水量越多, 水电厂的利润损失就会越大。

1.2 空蚀现象恶化

间隙存在, 会导致间隙射流的发生, 水压骤然而起的变化导致间隙空蚀, 进而使得过流部件遭到破坏, 这个结果会使得漏水量增加。

1.3 漏水导致烧瓦

在发动机组停止转动之后, 导水机构的大量漏水很可能会造成机组出现慢慢的空转现象, 尤其是使用弹性塑料推进瓦的机组更可能出现这种状况。空转比较容易使得推进瓦以及导轴瓦被烧坏。在许多的水电厂中都发生过这种事故。在机组停止转动的过程中, 会持续一段很长时间的低转速转动, 造成瓦面润滑被损坏, 也有可能使瓦面受到磨损。

1.4 漏水造成机组停机困难

当机组停机时, 造成的漏水会有很大的射流速度, 将会使工作人员难以操控机组使之速度减慢, 进而加闸制动。尤其是目前大多数的水电厂都使用弹性塑料推进瓦, 比之以前的推进瓦, 摩擦系数小, 使得机组更加无法停下。即使强制性的加闸制动, 机组仍然需要一段很长的时间才可以达到完全停机的状态。在一般的情况下, 这个过程需要十多分钟。

2 导水机构漏水原因分析

2.1 导叶关闭造成的间隙漏水

此处要介绍的间隙漏水, 都是在导叶关闭之后才出现的。首先介绍第一种间隙漏水, 导叶与导叶之间存在立面间隙, 在工作要求上, 要保证这个间隙用0.05毫米的塞尺检查不能通过。但是在实际的工作当中, 水电厂导叶之间的间隙有很少的一部分可以满足这个要求。其次是端面间隙, 即导叶的上端面, 导叶的下端面, 和顶盖底环产生的间隙。这个要根据相关的技术要求, 保证导叶上端面和导叶下端面的总间隙需要在导叶高度的百分之0.1之下, 并且在总间隙比0.2毫米小的时候, 要取0.2毫米。最后一个间隙是导叶的各个轴颈处产生的间隙。

2.2 其他原因造成的间隙漏水

首先, 导叶以及顶盖由于单侧水压产生的间隙, 在单侧水压的大力作用之下, 再加上导叶本身的刚度就不是很大, 就会出现弯曲的现象, 使立面间隙增加, 造成顶盖往上面抬, 进而使得端面间隙增加, 这些都会导致导水机构的漏水量增加, 更会造成导叶快速的被破坏。其次, 发动机停机, 压紧行程发生漂移造成间隙。当发电机停机之后, 水电站一般的处理措施是使调速器上面的主供油阀处于关闭的状态, 机械锁锭会产生间隙, 在油压没有之后, 压紧行程就会慢慢的出现漂移的现象, 同时导叶由于水压的作用, 将会些微的开启, 使得立面间隙的漏水量大大的上升。在实际的工作中, 压紧行程在调整好的状态下, 经过长时间的工作, 还是会慢慢的出现漂移。然后是导叶加工以及安装导致的间隙, 在一些水电站, 导叶的立面是要依靠金属接触面研磨。在导叶加工时产生误差, 会导致波浪度很大, 再加上导叶安装时发生的变形, 将会使得间隙增大, 从而造成漏水量的上升。最后是调速轴扭矩发生变形导致的间隙, 在中小型发动机组中, 一般情况下, 调速器对于导叶的控制并不是利用接力器来实现直接控制, 而是通过调速轴来控制导叶。

3 导水机构漏水之后的处理

3.1 减小端面间隙的措施

端面间隙和工作水头, 以及转轮的直径等有关。假如, 端面间隙都比较大, 工作人员可以在底环上加垫, 相反情况, 就在顶盖上加垫, 假如导叶上下的端面间隙不是很合理, 可以通过调节螺钉以及止推压板进行调节, 实现间隙的重新分配。

3.2 减小立面间隙的措施

导叶的立面一般是密封的, 大多数是直接性的依赖附近的导叶头与尾之间进行搭接研合来达到封水的效果, 同时刚性平面之间的接触可以形成密封。这就要求导叶的刚性程度比较高, 耐磨, 并且接触面比较光洁, 具有较高的精度, 较小的波浪度, 尤其是尾部, 更应该注意这些要求。为了尽可能的减少导叶的磨损以及间隙空蚀, 在制作导叶时要注意选用抗磨性比较好的材料。出现了立面间隙之后, 有以下几种处理的措施:首先是补焊, 对于立面间隙比较大的地方, 可以补焊, 进而磨得平滑一些。其次是调整连杆, 当只存在极少数的立面间隙比较大的情况下, 可以观察其他导叶的间隙情况, 对连杆的长度进行合理的调整。然后是捆绑调整导叶, 当导叶出现很多处没有达到要求的情况时, 可以拆除该导叶的传动部分, 便于捆绑调整。捆绑是在导叶的中间部分进行, 在捆绑的过程中, 需要使用铜锤不断地敲打导叶来调整导叶, 在捆绑结束之后, 对立面间隙进行测量, 还是不满足条件的, 需要进行焊补。

3.3 对轴颈以及轴套的定期检修

水电厂的轴颈总会有深浅不一, 面积大小不定的被锈蚀了的坑, 这就促使轴套以及密封被损坏, 使得漏水量上升。应对锈蚀轴颈的措施有根据尺寸大小的需求, 把锈蚀产生的坑全都削掉, 加上不锈钢套, 然后在保证是同心的前提下, 精细的加工, 以满足对轴颈的尺寸要求以及加工精度的要求。轴套会因为受力的不均出现偏心磨损的现象, 使得内孔变为椭圆形, 间隙增大。选择合适材质的轴套, 在安装轴套时需要注意尺寸, 安装的标准是轴套不能够发生转动, 和轴颈的配合不是很紧, 要保留合适的间隙, 在压入时, 要保证受力是均匀的, 不会出现偏卡的现象。

总而言之, 导水机构漏水给水电厂带来了不小的损失, 应该高度重视起来, 对导叶进行改造, 不断地创新, 提高新技术以及新材料的应用, 减少导水机构的漏水, 减少水电厂的经济损失。

摘要：本文从导水机构漏水造成的损失以及对机器的破坏入手, 分析造成导水机构漏水的原因, 然后再对这个问题提出解决的方案。

关键词：导水机构,漏水,影响原因分析及处理

参考文献

[1]梁东汉.分析我国水轮机导水机构密封结构特点及选择方向[J].大科技:科技天地, 2011.

[2]熊朝明, 张洪, 邹龙军.水轮机导水机构漏水影响原因分析及处理[J].中国水能及电气化, 2009.

导水裂隙带研究现状浅析 第3篇

煤炭资源开采引起的生态环境及矿井涌水、突水、溃沙等安全问题的发生都与开采后造成的岩层运动有关 (岩体不破坏上述问题都不会发生) [1][2]。结合西部地区煤炭资源的开采必须要保护好水资源这一前提要求, 深入研究煤层开采后导水裂隙带的高度和空间形态, 掌握覆岩的移动破坏规律及导水裂隙带与上覆水体之间的关系, 从而合理确定煤层的安全开采上限和采煤方法, 对于实现矿井的安全生产、保水采煤及地面生态环境保护, 将具有十分重要的理论意义与实际价值。

1、国外研究现状

国外对导水裂隙带理论进行了长期的研究, 而且, 有的国家还根据本国实际制定了一些相关的规程和规定。尔哈西 (1982) 的“自然斜面理论”;法国人Fayol (1885) 的“圆拱理论”;豪斯 (1889) 的“分带理论”;Halbaum (1903) 将采空区上方的岩层看做是悬臂梁;Fckardt (1913) 把岩层移动过程视为各岩层逐渐弯曲的结论;西德学者克拉茨 (1961) 总结概括了煤矿开采沉陷的预计方法, 并发表《采动损害及其防护》;英国矿业局于1968年就颁布了海下采煤条例, 对覆岩的组成、厚度、煤层采厚以及采煤方法等都作了相应的具体规定;日本曾经有11个矿井进行过海下采煤, 海下的水患防治措施严密, 安全规程针对冲积层的组成与赋存厚度作出了允许与禁止开采规定;俄罗斯于1973年出版了确定导水裂隙带高度方法指南, 1981年颁布了有关水体下开采的规程, 根据覆岩中黏土层厚度、煤厚、重复采动等条件的变化来确定安全采深, 但这些规定与规程大多是统计经验而没有深入的理论和方法研究[2]。

2、国内研究现状

纵观国内外导水裂隙带发育规律研究的历史, 大致可分为三个阶段:

(1) 上世纪70年代以前, 煤炭资源开采的重点多集中在开采技术条件较好地区, 因此, 对导水裂隙带高度的研究基本上处于认识性阶段。主要是从岩层移动造成的地质灾害出发, 定性分析煤岩层的地质环境条件, 进而利用类比法对导水裂隙带高度进行初步预计。其特点为:①以煤岩层赋存条件为主要研究内容;②研究方法主要为定性描述和分析。

(2) 70年代至80年代, 为适应水体下采煤技术的迫切需要, 开展了大量的裂高孔现场观测和试验性研究工作 (相似材料模拟技术) 。许多矿区在裂高孔现场观测资料和试验性研究的基础上, 结合煤层的采出厚度、岩体的强度类型等, 总结出不同覆岩类型条件下, 煤层采出厚度与冒高、裂高的相关关系式, 并以此来指导实际生产。总体上说该阶段仍处在经验积累阶段。如刘天泉 (1981) 等对水平煤层、缓倾斜煤层、急倾斜煤层开采引起的覆岩破坏与地表移动规律作了深入的研究, 提出了导水裂隙带概念, 建立了垮落带与导水裂隙带计算公式, 为提高煤层开采上限, 减少煤炭资源损失作出了很大贡献;李增琪 (1983) 应用积分变换法推导出层状岩层移动的解析解[8];杨伦、于广明 (1 987) 的岩层二次压缩理论, 将地表沉陷与岩层的物理力学性质联系起来;张玉卓 (1989) 应用边界元法研究了断层影响下地表移动规律及提出了岩层移动的错位理论等。其研究特点为:①以覆岩体工程地质环境和岩体力学环境为主要研究内容;②以导水裂隙带高度与岩体强度类型之间的关系为研究重点;③研究方法虽然仍以定性描述和分析为主, 但已向定量化研究迈出了可喜的一步。

(3) 90年代至今, 我国开展了许多水体下采煤的专题研究, 取得了不少突破性进展。邓喀中 (1993) 提出了开采沉陷的结构效应;吴立新、王金庄 (1994) 建立了条带开采覆岩破坏的托板理论;杨硕 (1990) 建立了开采沉陷的力学模式;麻凤海 (1996) 应用离散元法研究了岩层移动的时空过程[15];赵经彻等 (1997) 应用内外应力场理论对分层开采、网下综放、全厚综放三种不同开采条件下冒落岩层厚度、导水裂隙高度、地表沉陷特征以及支承压力大小及分布特点进行分析和探讨, 建立了相应的计算模型;崔希民、陈至达 (1997～1999) 利用平均整旋角概念和裂纹产生与扩张的几何准则, 建立了确定实时位形上, 水下采煤导水裂隙带高度的方法;钱鸣高等 (1997～2004) 应用模型实验、图像分析、离散元模拟等方法, 对上覆岩层采动裂隙分布特征进行了研究, 揭示了长壁工作面覆岩采动裂隙的两阶段发展规律与“0”形圈分布特征, 并将其用于指导生产实践, 取得了显著效果;梁运培、文光才 (2000) 通过综合运用组合岩梁理论、顶板岩层破断裂隙计算以及有限元数值分析, 对顶板岩层“三带”进行了定量划分;黄庆享 (2000) 运用特制的相似材料立体精细模拟实验系统, 对浅埋煤层开采引起顶板的空间结构特征和裂缝分布规律进行了研究;张永波等 (2004) 利用相似材料实验模拟采动岩体裂隙的形成过程和分布状态, 运用分形几何理论研究采空区冒落带、裂隙带和弯沉带岩体裂隙分布的分形规律;涂敏等 (2004) 通过对厚松散层及超薄覆岩的含、隔水层及基岩风氧化带工程岩组性质的分析, 采用相似模拟试验与数值模拟等手段研究不同采放比条件下覆岩最大冒高和有效导水高度。其研究特点为[4]:①理论上更先进。开始引入现代统计数学、损伤力学、断裂力学、弹塑性力学、流变力学等理论和现代测试技术及计算机技术。②研究内容更广泛。重点研究地质构造、地层岩性、水文地质特征、岩体结构等地质条件外, 还广泛研究了与覆岩移动变形有关的原岩应力场。在深入研究岩体力学特性、时间效应的基础上, 对裂隙带的演变过程进行动态分析。③研究方法更先进。广泛应用物理模拟和数值模拟方法, 使研究的深度不仅仅局限于覆岩移动变形、破坏现象, 而且从覆岩变形破坏过程、影响因素等方面去探讨导水裂隙带的形成机制, 在此基础上进行有效的预计。

3、不足与方向

从总体上看, 无疑这些研究成果将会对导水裂隙带发育规律的研究奠定一定的基础, 但是还存在一些方面的不足, 也必将是今后重要的研究方向之一:

(1) 煤层开采是一个动态过程。随着工作面的推进, 上覆岩层的受力状态将会不断地发生变化, 而传统的岩层分析中把其上的垂直压力简化为均布载荷, 且以静载处理。

(2) 准确地预计导水裂隙带高度既可据此留设合理的防水煤 (岩) 柱尺寸来保证矿区的安全生产, 又可减少对矿区宝贵地下水资源的破坏, 而现有的高度预计方法大多数都是通过实际观测资料建立经验公式或者通过神经网络、分形理论等进行预计以及凭借数值模拟、相似材料模拟等实验手段进行预计, 真正从导水裂隙带形成机理角度的研究却较少。因此, 从机理角度研究导水裂隙带高度的预计新方法具有十分重要的理论与实用价值。

(3) 神东矿区煤层大部分埋深在100m以内的浅部。埋深浅、基岩薄、上覆松散层厚是该区煤层的典型赋存特征。在这样的条件下开采, 采动覆岩中导水裂隙带的形成过程及机理具有一定的特殊性, 而现有的常埋深条件下导水裂隙带理论已不能很好解释这一现象和机理。因此, 神东矿区导水裂隙带的形成过程及机理是目前急需解决的新课题。

参考文献

[1]钱鸣高, 许家林, 缪协兴.煤矿绿色开采技术[J].中国矿业大学学报, 2003, 32 (4) :343~348.

[2]钱鸣高, 许家林, 缪协兴.煤矿绿色开采技术的研究与实践[J].能源技术与管理, 2004, (1) :1~4.

[3]煤炭科学研究院北京开采研究所.煤矿地表移动与覆岩破坏规律及其应用[M].北京:煤炭工业出版社, 1981.

大断层采动“活化”导水特性研究 第4篇

大型地下工程的开挖特别是在矿业工程中, 通常都将开挖区周围岩体视为均质体, 此类的岩移形变规律研究较为丰富[1,2]。但是, 当有断层存在时, 基于均质体的研究在这里显得不适用, 在断层及附近范围呈现出特殊的岩移规律, 并涉及断层“活化”问题[3]。断层受扰动影响产生“活化”效应, 使原始状态下不导水或弱透水的性质发生改变, 致使导水性增强而形成突水通道[4]。据统计, 我国矿井突水量大于600 m3/h的突水案例中, 导水断层引起的占38.7%, 其中, 采动断层“活化”导水引起的突水事故占20%[5]。该类型的导突水具有较大的不可预测性, 是地下工程特别是煤矿开采过程中的重大威胁。为此, 科研人员进行了大量深入的研究, 其中具有代表性的有:高延法等研究得出断层面平行于断面的切应力大于等于断面的抗剪强度时, 断层两盘会产生相对运动, 促使断层导水的论断[6];武强等提出了煤层底板断裂构造突水时间弱化效应的新概念[7];谢和平等利用分形理论研究了断层活化的问题[8]。本文以新集井田F10大型断层为研究对象, 结合水文地质与工程地质条件通过理论分析与模拟计算, 综合评判F10断层的“活化”效应及煤柱留设尺寸[9,10], 也为今后该矿区类似条件下工程施工设计提供参考。

1 断层“活化”导水理论研究

1.1 F10断层含、导水性分析

F10断层是新集井田内切割煤层最多、落差最大、延伸最长的煤系内正断层, 横跨新集一、二矿, 东西走向长约13 km, 断层走向N70°W, 倾向SW, 倾角为70°~40°, 落差20m~400m, 断距5 m, 该断层上与推覆体相接, 下切割太灰、奥灰。在新集一矿区内共有22个钻孔控制, 为更清楚的探明断层的含、导水性, 又先后对-700 m中央行人下山掘进前方岩层的含水性进行物探, -700 m中央皮带暗斜井处和-580西三回风石门联巷处各施工两个钻孔进行验证, 区内过断层的13条巷道揭露情况等综合显示F10断层为不含水或弱含水断层。同时, 对断层两盘的岩性进行含水性分析也显示出不含水。通过对断层面得力学性质、规模、断层带充填物质及构造分析均得出该断层为不导水型。煤层回采过程中主要受底板砂岩承压水及因开采扰动引起的断层活化导突水威胁。

1.2 采动“活化”导水力学分析

断层导水与否关键在于断层带的渗透性, 而渗透系数的大小又主要取决于断层的张开度和断层带充填物质性质。受采动影响, 断层带附近形成一定的影响范围称为断层影响带, 该范围内伴随着复杂的应力变化, 极有可能改变断层性质引起导水。

据许进鹏等[11]研究认为, 在天然状态下, 底板水压力p与断层面的法应力σ构成有效应力q=p-σ, 断层张开度增量为:

式中:Δe为张开度增量;E为岩体弹模;γ为泊松比;a为断层长度。

根据裂隙介质水动力学的理论相关研究可知[12], 断层的渗透系数可表示为:

将式 (1) 变量代入式 (2) , 得出:

综合分析断层的张开度Δe和渗透系数Kf可知, 当且仅当底板水压p大于等于断层面发应力σ时, Δe>0;不导水断层渗透系数Kf变大, 因此, p>σ是断层“活化”导水的必要条件。

如图1所示, 煤层回采时, 工作面底板应力状态先后经历应力升高 (采面煤壁处) 、应力降低 (采空区) 、应力恢复 (采空区压实处) 的过程, 在应力升高区, 若断层面的层面切应力大于断层面的抗剪强度, 则断层发生错动, 出现活化现象。煤壁距断层面为a, 峰值应力传播角为θ, 与倾角为α的断层交于A点, z为交点距煤层底板的深度, 以A为顶点, 煤壁前方弹性区长度x3为底的三角形面积S为:

其中:

将式 (5) 代入式 (4) 中, 得出:

沿底板峰值应力线的倾向方向, 受支承压力峰值压缩的底板一旦遭到破坏, 相应地底板峰值应力线也向深部移动;而未遭压缩破坏的底板在峰值应力线与断层之间的岩层仍具有原始的隔水能力。在回采面后方, 支承压力降低, 煤层底板由峰值应力值时的压缩状态转为膨胀状态丧失了原始的隔水性能, 有可能发育成导水通道。综合分析可知, 采动“活化”断层导水的充分条件为:煤层回采底板破坏深度h不小于峰值应力线与断层交点的深度z值。

2 采动“活化”模拟分析

2.1 模型建立

下文以新集一矿南中央采区1307工作面13-1煤层及其顶底板岩体为具体对象, 并在综合考虑影响断层防水煤柱留设各因素的前提下, 建立缩小的F10大断层的合适力学模型。考虑到地质体的复杂性, 对模型进行必要地简化, 将物理力学性质相近的岩层合并为等效性质的岩层, 具体见表1所示。

从勘探资料显示, 矿区内上盘13-1煤层受F10断层切割影响强烈, 两盘错断深度达170 m, 在下盘相同深度处几乎与6-1煤对接, 断层带宽度约为5m, 倾角70°。受断层切割影响, 13-1煤层下错至-600m深度位置, 地表高程为+23.1m。在断层上盘共分为6个岩组, 自上而下分为粉砂岩组14 m、砂岩组6 m、13-1煤4 m、泥岩组21 m、砂泥岩互层组10 m、泥岩组23 m;下盘煤岩层分为5组, 包含砂岩组15 m、砂质泥岩5 m、1煤3 m、细砂岩组15 m、砂岩组40 m。依据模型范围内岩层性质与结构, 建立符合研究区组合特征的计算模型, 如图2所示。采用FLAC3D软件, 模拟计算煤层回填式开采引起断层“活化”效应, 从而对断层导水性进行分析评价。

2.2 模型初始与计算

在模拟中设置的边界条件为位移边界与速度边界条件, 模型XY方向采用水平固定、垂直自由的边界, 底面为垂直约束, 顶面受上覆岩层等效均布自重应力荷载。据研究区生产资料, F10大断层附近主要受底板1.64MPa~3.04MPa的砂岩裂隙水影响, 取底板含水层为定水头边界条件。为消除边界效应, 设计模型尺寸为200m100m78 m, 上覆自重取12.5MPa (γH) , 由于F10断层主要以断面倾向方向的挤压应力作用为主, 故取模型走向侧压系数为1.3。模型划分为409500个单元网格, 427074个节点, 布置10 m一个开挖步距, 逐渐向断层带逼近, 共6步开挖, 并在推进过程中记录断层面位移、应力变化值。

2.3 模拟结果分析

2.3.1 断层位移变化

取断层倾角α=70°的断层开挖过程中断层面位置位移变化值记录如图3所示, 图中清晰的显示出随开挖步距的加大, 与断煤交处距离的缩短, 监测点的位移变化值。实验研究及理论分析认为, 岩土体发生原位错动规模达0.05 m以上即可视为塑性破坏, 在断层受采动影响引起“活化”效应中同样遵循该规律。由图可知, 在开挖至50 m之前, 设置在断层带内监测点的位移值都小于0.05 m, 表明在此之前断层“活化”效应不明显, 此时回采迎头距断层面尚有20 m, 结合前文的地质条件分析可得出在该回采阶段前不会导致断层的导突水发生;自50 m之后, 断层发生明显的位移错动, 且变化幅度较大, 当至60 m步距时又基本维持在一个水平上, 位移值不发生改变, 由此说明, 在开挖至50 m~60 m范围内时是断层“活化”效应最强烈阶段, 随后形成稳定的孔裂隙, 此时距离断层面还有10 m。

2.3.2 围岩应力变化

断层对底板岩层的应力重分布及变形破坏与断层距工作面的距离密切相关;工作面前方岩体因受超前支承压力与底板水压共同作用, 煤壁附近由于反向移动变形而受到剪切作用, 逐渐在岩体内部产生裂纹、裂隙, 甚至变形破裂, 这种应力-应变作用具有明显的不均一性, 靠近断层部位最易发生。如工作面推进50 m时, 采空区煤壁前方至断层带范围内应力值增大到16MPa~19.3MPa, 迎头前方3.5 m位置应力值最大, 从图4 (a) 上看此时断层面应力值变化不明显, 影响较小;当推进到60 m, 也即与断层距离10 m时 (图4 (b) ) , 工作面前方应力值较上一步开挖时变大, 且向断层带及下盘岩层有明显的传递, 峰值应力传播角θ也陡然增大, 应力峰值线也逐渐向浅部转移, 致使断层“活化”趋势明显加大。

该区F10大断层为张性断层, 力学强度很低, 加之该类断层往往容易发育次生结构面, 回采迎头愈靠近断层, 其对采空区底板及前方的应力分布影响愈大, 而这些位置应力差大, 应力集中, 在矿压和水压共同作用下, 岩层发生变形破坏可能性激增。受回采扰动影响, 断层“活化”触发两盘岩层相对移动加剧, 断层带附近岩体原有的孔隙和裂隙很可能进一步扩展, 容易与主干断层导通, 致使断层带附近岩体阻水性能降低;一般砂岩裂隙水压不是很大, 但不排除局部区域水压异常情况, 一旦该区域底板隔水层较薄、承压较大, 地下水就会沿着通道向采空区或工作面运移, 引发突水事故。故在承压水体上采煤且有大型断层存在时, 底板突水部位易出现在工作面煤壁附近和采空区底部及工作面前、后方5m~20m区域内, 使高水压下采动断层突水危害性增大。

3 结论

1) 通过建立承压底板煤层回采在断层存在下的力学模型, 并对其进行解析, 认为:纵向上采动对断层浅部影响较大, 断层深部活动较为平稳;水平向上, 随着工作面向断层推进, 断层面上的应力变化越来越剧烈, 峰值应力也逐渐向浅部转移。

2) 采动影响下断层易发生“活化”效应, 加剧了断层带附近次级结构面的进一步发育与扩张, 工作面底板及其围岩裂纹、裂隙的扩展;在矿压和水压的联动下, 岩层受力超出其极限强度时, 发生破坏;地下水容易沟通主干断层, 导致突水事故发生。

3) 该区F10大断层本身不含水, 导水能力较弱, 受底板承压水及煤层回采影响, 开采至距断层20 m左右位置, 集中应力急剧变化, 有向对盘传递的趋势, 综合考虑底板有效隔水层厚度因素, 为预防断层导突水, 保障采煤面安全回采, 需预留断层防水煤柱30 m。

摘要：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F10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。

关键词：断层“活化”导水,力学分析,数值计算,防水煤柱

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水轮发电机导水机构装配工艺研究 第5篇

对于该设备来讲, 最易于出现的不利现象是导叶立面间隙、导叶端面间隙超差。导致问题发生的关键缘由有如下的一些:顶盖、底环导叶轴孔同轴度、尺寸及轴孔和抗磨板平面垂直度超差;导叶密封面直线度、轴径的相对位置及轴径、瓣体端面垂直度和中、下轴径同轴度、轴径尺寸超差;顶盖、底环抗磨板平面的平面度超差。在处理的时候要结合具体的缘由来采取应对措施, 在这些问题中顶盖、底环导叶轴孔同轴度超差比较典型, 由于导叶自身的不利现象导致的立面等的间隙不达标也是时常会遇到的。下图能够精准的体现所有的部件的装配和关联等。

2 顶盖、底环轴孔不同心案例

由于机床的使用频率增加了, 此时使得倒水体系里的顶盖等的导叶轴孔及抗磨板平面一个工位在数控车镗床全部加工到位的措施成为了目前的关键发展点, 同时还是今后生产领域的关键发展方向。此类措施的优势是, 精确处理之后零件不动直接的开展精导叶轴孔序, 与顶盖等的技术比对来看, 此时找正活动可以更为精准的开展。其对于顶盖等的竖直性的维护来讲是非常合理的。不过, 如果个别的零件大于或是不具有相关的制作条件的话, 零件要进入到镗床进行二次的找正活动。由于零件竖直放置导致的塌陷问题十分的恶劣, 处理之后的方位无法精准的保障, 此时就发生了顶盖以及底环的同轴度不一样的问题。例如, 越南宣光混流式机组顶盖、底环导叶轴孔不同心的具体处理工艺方案及过程, 规划中积极的运用了电脑开展验算活动, 提升了运算的精准性以及功效等, 可以被当成是相同情况的处理方法。

3 别的缘由导致的不达标问题和一般的处理措施

3.1 对于顶盖等的平面度不精准的现象, 一般是结合修车高点相关的措施来设置。

3.2 导叶瓣体端面与轴径垂直度超差, 导叶上卧车通常采用反刀架统一长度修车或手工抛修的处理方法。

3.3 导叶密封面直线度超差, 可以采用手工研磨和数控铣床修铣两种方案。

3.4 该项装配比对于别的来讲有着非常多的优点, 比如它的精确性非常严苛, 而且规定多等, 下表中分析了一些装配中规定分析的内容信息。

接下来的内容分析的是伊朗卡伦I设备在装配的时候存在的不利现象和处理措施。其中的很多内容都是非常优秀的。其面对的不利现象有如下的两点。第一, 导叶不能够整个的关闭, 在整体开放的时候无法升高到全开的方位之中, 而且其不能够连接偏心。其次, 轴孔的里径的规格不达标。经过分析得知其问题有如下的一些。

通过分析最近一些时间之中导水装配的相关知识, 得知在开展装配工作的时候, 因为误差的存在, 全部零件的差异能够体现为导叶全部闭合时期的立面间隙和偏心量的使用上。通过分析装配之前的情况得知如下的内容。立面间隙不达标的问题是无法防止的, 全部的结构在最初的预装的时候就应该分析该项内容而且提出应对规划。对于偏心量来讲在预装的时候通常只是用二分之一, 其意义是为了在安装的时候调节余量。针对轴瓦压入后内径尺寸不合格的原因, 分析发现在顶盖加工的时候轴孔的内径超差, 处理之后其数值还是处在偏差的区域之中, 该项现象是因为没有做好部件的制作工作。只有掌控好单件的制作范围的偏差, 即能够确保装配活动开展合理。

卡伦I水轮机导水机构中的导叶采用的是以前的二滩结构, 出水边厚度有0~3mm公差, 导叶背面存在00-30公差, 见图2。

与二滩机组不同的是厂内惯用的先加工分瓣键结构。二滩机组导叶加工公差较大, 但是装配时可以通过转动导叶臂与连接板, 改变连接板与导叶的夹角使偏心销处于偏心量为零的位置, 然后加工六个锥销定位并传递扭矩, 这样所有偏心量都可用于工地装配调整时使用。同时二滩机组还规定了偏心销的零点位置。对于卡伦I机组这种先加工分瓣键后连接偏心销的结构, 此时连接板和导叶之间的角早已明确, 此时假如制作的公差非常大的话, 实际的密封点节圆将不在理论节圆上。假如临近的导叶之间的差值不是很多, 其就等同于旋转了一定的度数, 此时具体的中心间距就出现了改变。就卡伦I机组而言, 如果相邻的两个导叶中一个导叶是理论值, 另一个导叶是最大公差, 此时就需要近6mm偏心量来补偿连接板和连杆的中心距变化。这一补偿量已经超过了偏心量。偏心销安装时存在两个零点位置, 偏心销处于不同的零点位置, 它调整偏心距的方向也不同。而且偏心销分别处于两个零点上将使连接板和连杆之间的夹角产生1.7的变化, 这将影响导叶的全开、全关位置线能否与理论线重合。这也是二滩机组规定零点位置的原因。

4 关于应对规划

为确保实现品质攻关目的, 设置了方法表, 所有的步骤都得以有效的实现。

4.1 对于如上的内容, 细致的分析图纸以及有关的制作情况, 对于顶盖之类的两件, 使用的是数控模式, 它的精确性合乎图纸规定。对于分瓣键销孔, 使用的是我们单位非常显著的工艺措施和机械, 它的角度失误不大。在排除如上的不利现象之后, 把问题聚集在导叶上。导叶出水边厚度存在的公差导致导叶瓣体尺寸偏厚而且不均匀, 由此引起偏心销无法连接, 最后决定研磨导叶出水边立面间隙同时转动偏心销到t80。方向后再次旋转偏心销调整导叶开口使立面间隙均匀。经过三个昼夜的努力, 导叶立面间隙最终达到了0.05mm以内, 偏心销的偏心量也都在合适范围之内。在研磨导叶立面间隙的同时, 随着所用偏心量的不断合理 (2~3mm) , 每一次开关导叶都使导叶的全关、全开位置不断接近理论位置。最终符合了图纸要求。

4.2 针对那些内径不达标的轴孔, 因为使用的是镶嵌式铜瓦, 当修理的时候只可以使用如下的两类措施。第一类是在机床之中顺着所有的孔一次找正分析, 它的优势是数值很精确, 放到其中的碳棒不会掉下, 表层的粗糙性非常优秀。其次是因为装配的时间很是紧张, 而且因为分析到机床的生产资金很高, 因此决定试着用砂布带抛修了一个内孔, 以此来分析表层的粗糙性是不是达标, 分析碳棒会不会掉下。控制砂布带与铜瓦的接触面积, 小面积、小切削最抛修控制温度的变化, 严格执行操作工艺后, 进而确保它合乎图纸的规定, 而且确保间隙是达标的。除了上面讲到的这些内容以外, 我们将尚未装配的上套筒的20件轴套在车床上重新加工内圆, 确保它合乎装配规定, 确保了品质和速率等达标。

4.3 针对没有料的轴瓦来讲, 制作了四十年钢套, 将其当成是在暂时性的代替品, 而且在装配的时候结合单件的数值来配置, 抛修钢套外径使每个钢套都具有一定的紧量, 发挥定位的意义。

5 结束语

导水分析 第6篇

1 导水裂隙带的空间形态

导水裂隙带发育高度影响因素众多, 主要包括:煤层开采厚度、顶板岩层的力学性质、覆岩的结构类型、采煤方法及采空区处理方法、开采深度和煤层倾角等。岩层破坏后形成的空间形态主要与煤层倾角有关, 研究一般认为[2,3]:

倾角为0°~35°的煤层, 垮落带的边界在采空区上方开采边界之内, 裂隙带两端边界超出开采边界, 中间较低, 两端较高, 呈“马鞍形”, 最高点位于采空区斜上方, 见图1 (a) 。

倾角为36°~54°的煤层, 由于倾角增大, 采空区上部垮落的岩石下滑充填采空区下部, 致使裂隙带的上部边缘增高, 其上部边界大体呈抛物线形状, 见图1 (b) 。

倾角为55°~90°的煤层, 垮落岩石滚动下滑加剧, 充填采空区下部空间, 限制了裂隙带下缘的发展。在采空区上部的边界煤柱悬空, 产生片帮、碎裂、抽冒, 使导水裂隙带上缘急剧向上发展, 大大超出采空区上边界, 呈耳形或上大下小的不对称拱形, 见图1 (c) 。

2 导水裂隙带高度的研究方法

根据研究方法原理的不同, 可以分为四大类, 确定性预测法, 统计学预测法, 非线性预测法和现场实测法。

(1) 确定性预测方法包括力学解析方法、数值模拟方法和相似材料模拟实验。

力学解析方法是把影响导水裂隙带发育的各个参数用确定的数值量表示, 分析煤层开采后覆岩变形移动破坏内在的力学机制及演化过程, 用明确的函数来严格表达导水裂隙带发育高度和各个影响参量之间的数学关系。

数值模拟方法的实质是将带有边界条件的常微分方程或偏微分方程离散为线形代数方程组, 利用适当的方法求解方程组, 获得基本的未知量。根据几何方程和物理方程, 求出研究范围内的所有未知量[4]。具体分析过程是:依据地层、覆岩结构等情况, 结合工程规模的大小, 附以边界条件, 建立数值模型。模拟煤层开采求解计算后进行应力及应变分析, 依据一定的界定准则, 确定导水裂隙带高度。

相似材料模拟实验是采用与原物理力学性质相似的材料, 按一定的几何相似常数缩制成实验模型进行相应目的研究的一种方法。建立煤层开采模型, 模拟开采过程中覆岩变形破坏, 进行导水裂隙带高度的观测研究[5]。

(2) 从数学的角度看, 导水裂隙带的发育高度问题是一个多变量的函数, 这些变量之间不相关。统计预测法是从以往调查统计获得的导水裂隙带发育高度的数据出发, 分析获得导水裂隙带发育高度与相关影响因素之间的统计规律, 对导水裂隙带形成过程的内在作用机理只是定性说明, 不用严格的数学表达。

(3) 20世纪70年代以来, 非线性科学开始发展, 至今方兴未艾, 成为研究复杂现实世界的有力工具, 出现了众多的非线性方法, 如分形理论, 灰色理论, 人工神经网络方法, 突变论等[6]。可以认为, 煤层开采后, 覆岩的变形破坏体系是一个开放系统, 具有确定性与随机性, 平衡与非平衡, 有序与无序等对立与统一的系统, 可以采用非线性科学中合适的理论进行研究。

(4) 现场实测法是通过钻孔或者地球物理方法, 利用仪器设备, 实际观测覆岩的破坏范围, 确定导水裂隙带的发育高度。

2.1 确定性预测方法

2.1.1 力学解析方法

刘治国利用覆岩的临界水平拉伸变形值确定导水裂隙带顶点位置, 得到导水裂隙带发育的最大高度[7]。刘同彬根据相似模拟实验, 推导了考虑开采深度、工作面长度、开采高度及覆岩结构特征等因素的导水裂隙带高度理论计算公式, 结合实例, 验证了公式的适用性[8]。施龙青基于采场顶板“上四带”理论, 推导了考虑采厚、采深、工作面跨度、岩石的力学性质、岩层的组合特征和含水层水压等因素的导水裂隙带理论计算公式, 并通过工程实例进行了验证[9]。王占盛和王连国等从不同岩性岩层破坏特征出发, 结合岩层承载能力、变形能力, 及采动中覆岩相关物理量的变化, 提出了一种预测导水裂隙带高度的计算模型, 通过现场实测与数值模拟验证, 效果良好[10,11]。许家林提出通过覆岩关键层位置来预测导水裂隙带高度的新方法[12]。王志强以关键层理论为基础, 提出划分采场导水裂隙带的新方法, 并用相似模拟实验、理论分析及现场实测等方法进行了验正[13,14]。刘腾飞分析了导水裂隙带高度与开采厚度、覆岩性质等因素的关系, 明确了导水裂缝高度与采厚的平方根存在正比关系[15]。

力学解析法的研究方法主要有:基于“关键层位置”的导水裂隙带高度确定;基于“上四带”理论的导水裂隙带高度确定和“变形分析法”确定。这些方法是基于材料力学或结构力学的基本理论, 对矿山特定条件下进行的力学简化分析。

2.1.2 数值模拟方法

桂和荣建立了“大采高FEM-NTA耦合模型”, 在淮南矿务局新集矿进行验证, 获得较为理想预测精度[16]。邹海将显式拉格朗日差分应用于综采放顶煤条件下导水裂隙带高度的预测, 对新集矿1303综放工作面进行了模拟分析, 确定出导水裂隙带高度[17]。王经明建立了FCBP-2D不抗拉力学模型, 以补连塔煤矿为例进行了计算[18]。涂敏在对淮南潘谢矿区具体情况分析的基础上, 建立了采动岩体力学计算模型, 对不同的采高下采动岩体裂隙的演化规律进行分析, 推导了导水裂隙带高度的理论计算式[19]。陈荣华利用RFPA软件, 通过对覆岩变形移动的模拟, 确定了导水裂隙带高度, 并用经验公式对导水裂隙带高度进行了计算, 用简易水文观测法进行了实测[20]。黄志安提出了数值模拟方法的“三带”的界定准则:将应力超过屈服强度或抗剪强度的岩层高度定为裂隙带的上限, 将双向拉应力都超过抗拉强度的岩层高度定为裂隙带的下限[21]。武雄采用不同的数值模拟软件对导水裂隙带发育规律进行了大量计算和分析, 认为:ANSYS-2D宜采用主应变指标来确定;FLAC-2D宜采用塑性区范围来确定;FLAC-3D宜采用应变增量 (曲率) 指标来确定[22]。曾先贵等[23—28]众多学者也都利用数值模拟对特定开采条件下导水裂隙带发育高度进行了研究。

目前在导水裂隙带发育高度预测中使用比较成熟的数值模拟方法主要有限单元法、边界单元法、离散单元法和快速拉格朗日法等。数值模拟方法的优点在于, 操作方便, 易于实现, 模拟成本小。

2.1.3 相似材料模拟实验

刘新河采用相似材料模拟技术, 对水下矿床开采时覆岩的变形、移动进行模拟, 对导水裂隙带的高度进行观测与分析, 论证了在一定地质条件下进行水下矿床开采的可行性[29]。李常文通过相似材料模拟对高头窑煤矿水多湖川河下浅埋煤层开采时导水裂隙带高度进行了研究[30]。张文忠和黄庆享利用走向长壁局部充填开采的物理相似模拟实验, 建立了特殊保水开采区局部充填隔水岩组稳定性力学模型, 确定了上行裂隙发育高度的计算公式[31]。伍永平以胡家河矿首采面为背景, 采用相似模拟实验, 通过三次不同采高的设计, 研究工作面推进到180m时覆岩在不同采高下的破坏状况[32]。张军和王建鹏采用相似材料模拟实验, 对杜儿坪矿68303工作面覆岩“三带”进行了研究;采用仰斜钻孔分段注水法实测了导水裂隙带高度, 与相似模拟实验结果进行了对比, 表明相似模拟实验研究结果合理、可靠[33]。余学义采用物理相似材料模拟和RFPA2D数值模拟, 研究了采后覆岩破坏规律及导水裂隙带高度[34]。

2.2 统计预测方法

1984年5月原煤炭工业部颁布的《矿井水文地质规程》 (试行) , 2000年6月煤炭工业局发布的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》, 2003年1月煤炭工业出版社的《采矿工程设计手册》等相关的规程规范等提供的经验公式是目前国内应用最广的统计预测方法。刘立民运用二元统计模型辨识方法, 得出了导水裂隙带高度与煤层累计采厚及顶板岩层单向抗压强度之间的最佳回归模型和相应的回归系数[35]。马志伟对上横山多层含钒页岩矿床开采进行了离散元数值模拟, 利用正交试验方法, 建立了多因素的导水裂隙带发育高度的预测函数[36]。胡戈采用简易水文观测法对淮南煤田综放开采导水裂隙带高度进行了实测。通过对实测数据回归分析, 得到了软弱顶板导水裂隙带发育高度计算公式[37]。许延春以现场实测成果为基础, 运用数理统计回归分析的方法, 建立了适用于中硬、软弱覆岩条件下综采工作面的导水裂隙带高度的经验计算公式[38]。胡小娟采用多元回归分析, 得到综采导水裂隙带高度与煤层采高、硬岩岩性系数、工作面斜长、采深、开采推进速度多因素之间的非线性统计关系式, 并用于淮南谢桥矿首采面的导水裂隙带高度预计[39]。丁鑫品通过对国内多个综放工作面实测“两带”高度数据的统计分析, 归纳出了中硬或软弱覆岩条件下综放开采“两带”高度预计的经验公式[40]。滕永海利用回归分析, 研究了综采放顶煤导水裂隙带最大高度的计算公式[41]。陈凯根据趋势面分析理论建立了导水裂隙带发育高度的趋势面预测模型[42]。尹尚先用SAS软件对国内大量实测数据进行回归分析, 通过不同回归方法对比, 优选出综采条件下较为精确的计算公式[43]。

《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中推荐的经验公式是在单一煤层或厚煤层分层开采时在当时的开采条件下总结出来的, 开采深度及覆岩的组合特征等条件没有考虑, 对目前广泛采用的综采放顶煤开采技术也不适用, 需要进行重新修正, 以增强其适用性。统计分析法主要有:线性回归法, 多元非线性回归法, 多项式回归法和趋势面分析法。

2.3 非线性预测方法

丁德馨将自适应神经模糊推理方法应用于康家湾矿Ⅲ—1号矿体14采场的导水裂隙带高度的预测[44]。陈佩佩将人工神经网络技术用于覆岩破坏高度预测, 选择采高、基岩厚度、煤层倾角、顶板单轴抗压强度、泥岩比例和覆岩结构等六种因素作为主要的影响因素, 建立导水裂隙带高度预测模型[45]。马亚杰基于BP人工神经网络技术建立了预测模型, 提出工作面倾向长度和埋藏深度对裂高影响较大的结论[46]。孙云普建立了遗传-支持向量机模型, 反映了采空区长度、抗压强度和采厚等因素与导水裂隙带高度的非线性关系[47]。王正帅针采用模糊聚类分析和加权支持向量机相结合的方法, 建立了导水裂隙带高度预测的模糊支持向量机模型[48]。藺哲渊建立了基于支持向量机的长壁自然垮落开采条件下采空区顶板导水裂隙带高度非线性预测模型[49]。张宏伟采用改进的果蝇优化算法优化参数, 建立了改进支持向量机导水裂隙带高度预计模型[50]。李波对收集的实测数据进行因果模糊聚类分类, 建立了模糊预测模型, 通过工程实例验证, 精度满足工程应用的要求[51]。赵德深以大平矿区实测数据作为样本, 基于熵权-层次分析预测模型, 通过Matlab编程获得导水裂隙带高度的预测值及各影响因素的权重[52]。

非线性方法主要有:神经网络方法, 支持向量机方法, 模糊聚类分析法和熵权层次分析法。同统计分析方法一样, 神经网络方法中是基于学习样本的进行研究的, 样本主要来源现场实测数据, 要保证样本是在相同条件下获得的, 同时样本要满足一定的数量。

2.4 综合分析法

邹海提出了覆岩体地质环境、覆岩体力学环境和数值模拟技术三位一体的综合预测评价方法[53]。孙景武利用规程经验公式计算、数值模拟计算以及临近矿的实测资料, 综合确定了导水裂隙带的发育高度[54]。田玉新对实测数据进行回归分析, 结合经验公式, 获得了淮南矿区的导水裂隙发育高度的预测公式, 并与物理探测法和数值模拟法进行比较, 确定了合理的导水裂隙带高度[55]。刘玥以榆阳区三台界煤矿3#煤层为例, 采用理论计算和数值模拟方法对导水裂隙带发育规律及高度进行了研究[56]。高保彬采用传统经验公式、井下封堵钻孔分段注 (放) 液裂隙测量系统及钻孔电视探测系统分别对工作面回采前后覆岩导水裂隙带的发育高度进行了理论计算、定量探测和定性分析[57]。王琳琳结合新安煤矿的条件, 分别采用“三下开采规程”法、类比法、经验公式法和数值模拟法对16煤开采后导水裂隙带高度进行了综合对比研究[58]。张贵彬采用公式计算、类比分析及数值模拟方法, 分别计算了研究区域内中硬偏软特殊结构覆岩下的“两带”高度。通过与现场实测结果的对比分析, 综合研究了浅部区域中硬偏软覆岩条件下“两带”发育高度计算方法[59]。张宏伟以同忻煤矿特厚煤层为实例, 对8100工作面回采过程的覆岩破坏情况进行研究, 应用EH-4大地电磁法和数值模拟法, 综合确定了覆岩破坏高度[60]。陈蓥以大同矿区同忻煤矿为例, 利用关键层理论、物理探测技术和数值模拟, 分析双系煤层开采形成的覆岩破坏规律[61]。许武等[62—65]也都对多种方法综合确定导水裂隙带发育高度展开了研究。

近几年, 采用不同手段, 应用先进仪器设备, 通过理论计算, 统计分析, 数值模拟和现场实测等多种方法, 取长补短, 综合对比确定导水裂隙带高度已经成为研究趋势[66—69]。

2.5 现场实测

现场实测方法主要有:地面钻孔冲洗液漏失量法[70,71,74], 钻孔电视法[57,70,71], 瞬变电磁法[72,73], EH-4连续电导率剖面仪法[60,74,75], 高密度电阻率法[76], 声波CT方法[77], 超声波扫描成像技术[78], 井下仰孔分段注水法[33,57,79,80]。现场实测法中地面钻孔冲洗液漏失量法, 井下仰孔分段注水法和钻孔电视法最为常用, 一般是多种实测方法结合使用。

3 存在问题及研究趋势

(1) 力学解析法是对现场情况进行力学模型的简化, 在特定开采技术及地质的条件下, 有较好的效果。但针对不同的现场情况, 需要进行不同的模型简化计算, 通用性不强, 不能广泛适用。

(2) 由于覆岩基本力学参数不确定, 边界条件不确定, 建立的数值模型不能完全与现场的情况相符合。数值模拟的结果现在只是能作为一种定性的趋势分析, 而不能作为定量的精确分析。

(3) 相似材料模拟实验的模型主要有平面应力模型和平面应变模型, 目前平面模型还不能准确模拟原型的力学特征, 同时在模拟煤层开采及应力和位移的测量方面需要改进。相似模拟实验方法一般不单独使用, 大都结合其他方法使用。

(4) 《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中推荐的经验公式是在特定条件下总结出来的, 对目前广泛采用的综采放顶煤技术也不适用, 需要进行重新修正。

(5) 统计分析方法和神经网络方法是基于统计样本或学习样本的进行研究的, 样本主要来源现场实测数据或数值模拟试验, 要保证样本是在相同条件下获得的, 同时样本要满足一定的数量。

(6) 现场实测的方法最可靠, 但基本上都要钻孔, 投入大, 成本高。地面钻孔冲洗液漏失量法, 井下仰孔分段注水法和钻孔电视法最为常用, 一般是多种实测方法结合使用。

(7) 近几年, 采用不同手段, 应用先进仪器设备, 通过理论计算, 统计分析, 数值模拟和现场实测等多种方法, 取长补短, 综合对比确定导水裂隙带高度已经成为研究趋势。

4 结语

导水裂隙带发育高度研究是一个重要的课题, 在广泛搜集阅读文献资料的基础上, 通过对研究方法的回顾与分析, 明确了目前的研究现状, 研究热点, 存在的问题及研究趋势, 为后续的研究奠定了基础, 具有重要的意义。

摘要：导水裂隙带发育高度研究在矿井水灾防治、水体下采煤及保护层开采中具有重要的意义。在系统总结前人研究成果的基础上, 分析了导水裂隙带高度不同研究方法的基本原理, 对研究方法进行了总结分类。综述了力学解析法、数值模拟法、相似材料模拟实验、统计预测法、非线性预测法、综合确定法及现场实测法的研究现状及进展, 分析了不同预测方法的不足和发展趋势。

导水分析 第7篇

1导水裂隙带发育高度影响因素

导水裂隙带发育高度的影响因素如下:

(1)采高,该指标反映了地下开挖垂向高度大小对开挖后顶板岩体应力重分布、变形和破裂范围的影响[2]。

(2)硬岩岩性比例系数。

(3)工作面斜长,属开采空间尺寸对导水高度影响的指标[2]。

(4)采深。

(5)推进速度。

2 SVM分类的基本原理

对于分类指标的非线性数据,SVM的核心就是引入核函数的概念

相应的决策函数为

本文选用SVM中常用的径向积RBF核函数进行计算:

3导水裂隙带发育高度预测方法分析

3.1样本采集

本文收集了24组导水裂隙带发育高度样本,如表1,前面18组作为模型的训练样本,后面6组作为测试样本。

3.2样本数据预处理

应用WEKA对这五个指标进行归一化处理,为了方便,我们记采高为A1、硬岩岩性比例系数为A2、斜长为A3、采深为A4、推进速度为A5、发育高度结果为C,高表示为3、中表示为2、低表示为1。然后对归一化的原始数据进行离散化处理,离散化处理后,去掉数据中的重复记录,然后通过粗糙集进行属性约简,发现5个属性都是不可缺少的。

3.3模型预测

为了便于预测,假设8组待测样本类别属性皆为3(即发育高度为高)。

RBF核函数最优参数:-c=21.1121,-g=0.4353。

通过MATLAB程序编写相应的SVM算法,核函数默认为RBF核函数,预测结果为:2,2,2,3,2,2。

3.4结果分析

由预测结果可知,预测准确率为5/6,如表2所示,总体来说SVM分类器预测较准确。

4结论

(1)本文通过支持向量分类机,对影响导水裂隙带发育高度的五个因素进行了训练和分类,由16组数据验证了五个指标对导水裂隙带发育高度的影响。

(2)利用WEKA、MATLAB等软件,结合粗糙集理论,对8组待测样本进行了基于LIBSVM的训练和预测,预测结果准确率为5/6。

(3)建立了导水裂隙带发育高度的支持向量机多分类模型,通过计算证明其预测结果在一定程度上优于理论公式法和经验公式法,大大提高了预测的准确度。可见利用SVM对导水裂隙带发育高度进行分类是可行的。

参考文献

[1]吴广竹,徐智敏.基于BP神经网络的导水裂隙带高度预测研究[J].能源技术与管理,2008,01:90-92.