平煤十三矿采动覆岩裂隙演化规律研究

当煤矿自矿区采出时,采空区上覆岩层会发生变形破坏,一方面煤矿资源会向裂隙发育部位运移,另一方面则存在一定的矿区安全隐患。为了保证煤矿开采工程的安全性,准确掌握矿产运移分布情况,本文采用了关键层理论和数值模拟的方法,以此分析采动覆岩的裂隙演化规律。研究结果显示,裂隙在走向和倾向上呈现出"梯形台"发育特征,在采空区上方裂隙呈现出中部压实、四周发育的"O"形圈分布;在采空区边缘形成卸压区域,此区域裂隙发育,具有较好的抽采效果。除此之外,采空区中部压实区域宽度范围为175m,裂隙不发育,离层率趋于0;采空区进风巷侧35m、回风巷侧30m范围内离层率较大,最大离层率达到了136mm/m。本文通过数值模拟得到了平煤十三矿采动覆岩的裂隙演化规律,这不仅为煤矿资源抽采提供了理论依据,而且为煤矿安全事故防治工作提供了保障。     

洛河组砂岩含水层下大采高工作面导水断裂带演化规律

针对旬耀矿区厚煤层大采高工作面上覆洛河组砂岩含水层下的安全采煤问题,采用理论分析、相似材料试验和数值模拟研究了某矿1109大采高工作面覆岩破断及裂隙演化规律。研究表明:上覆岩层经历了直接顶破断、基本顶初次破断与周期破断、亚关键层初次破断与周期破断5个阶段,破断发生引起工作面煤壁上方裂隙密度和开度发生跃变,采空区覆岩裂隙经历孕育、产生、张开、闭合、压实5个动态阶段;从开切眼到充分采动过程中,在裂隙带的上部、工作面煤壁上方及开切眼上方裂隙较为发育,裂隙区近似"抛物线"状,采空区中部覆岩裂隙闭合而边界处裂隙不易闭合;工作面充分采动后,导水断裂带发育高度82~85 m,未导通上覆洛河组砂岩。     

基于覆岩特征的卸压瓦斯地面井井位优选

采动卸压瓦斯地面井抽采是煤矿瓦斯治理的有效方法，为了优化卸压瓦斯地面井井位，利用数值模拟方法分析煤层采动卸压条件下上覆岩层的裂隙发育、应力及位移变化，并由此得出了井位部署有利区域。结果表明，煤层采动后，上覆岩层逐渐下沉、垮落，在采空区四周裂隙发育，中部重新压实，剖面上的覆岩裂隙呈现为梯形，裂隙发育区应力释放，在重新压实区应力恢复。沿倾向剖面，水平位移的形态近似为“M”形，垂向位移的形态近似为“U”形。卸压瓦斯地面井适宜布置在沿倾向方向工作面两侧裂隙区内，距巷道40 m左右的区域内是有利部署井位，终孔位置在距煤层底板42 m以上比较合适。     

水体下开采覆岩破断及裂隙演化规律

鉴于水体下开采采动裂隙发育规律对井下安全性评价的重要作用,以水库下综放开采为工程背景,采用关键层理论、组合岩梁理论,并采用相似模拟物理试验手段,研究了覆岩的破断规律,以及在覆岩组合岩层及关键层破断过程中,岩层垂直位移、导水断裂带发育高度以及覆岩裂隙网络的演化规律。研究结果表明:主关键层垮落前后,观测线采空区中部测点的下沉曲线斜率较大,岩层垂直方向上下沉剧烈;导水断裂带发育高度曲线随着覆岩岩层组合周期性垮落呈现出台阶跃升,且两台阶的间距即为覆岩的周期垮落步距;当主关键层垮落后,覆岩导水断裂带发育高度稳定,导水断裂带顶界位于亚关键层Ⅱ下部。裂隙网络的富集区主要集中在前后煤壁,且靠近开切眼侧裂隙区裂隙密度大于停采线侧裂隙密度,由于采空区中部破断岩层在上覆载荷的作用下裂隙压实闭合,造成模型裂隙密度曲线呈偏态"马鞍"状。     

弱胶结地层重复采动覆岩渗透性演化规律研究北大核心

为研究西部地区弱胶结地层煤层群开采过程中覆岩渗透性演化规律,以伊犁矿区伊新煤业开采地质条件为基础,通过构建弱胶结采动地层数值计算模型,分析了重复开采扰动下弱胶结煤系地层覆岩的应力分布特征、塑性破坏区发育及渗透性演化规律。结果表明:近距离上位煤层开采时,采动支承压力峰值的应力集中系数达到1.81,采空区覆岩最大拉应力值达到0.9MPa;上位煤层工作面推进距离达到300 m时,采空区上行破坏区和下行破坏区相互导通;重复开采扰动下,弱胶结地层采动覆岩的孔隙压力大幅下降,采动渗流场呈现采空区四周渗流速度大于采空区中部渗流速度、采空区煤壁侧的渗流速度大于两侧和切眼侧渗流速度,当上行和下行破坏区连通时渗流速度大幅增大;近距离下位煤层开采,当煤层间岩层破坏区初次贯通时,上下煤层间岩层形成中间渗流速度大、两边渗流速度小的扇形渗流场,随着工作面持续推进,最大渗流速度位于工作面前方。     

近距离煤层重复采动覆岩裂隙形态及其演化规律实验研究

采用物理相似模拟实验及理论分析,研究单层开采和重复采动条件下覆岩移动、裂隙分布与演化规律、支承压力分布特征及采动裂隙椭抛带形态。研究结果表明,上覆岩层在重复采动条件下,形成破断裂隙和离层裂隙,两者联通后在空间形成不同于单层煤开采的覆岩裂隙椭抛带展布;下层煤回采期间,随工作面的推进,工作面附近的应力峰值与煤壁距离保持相对稳定的状态;在重复采动双重卸压条件下,覆岩裂隙经历了产生、扩张、压实、再扩张、再压实等5个动态变化阶段。最后在实验分析基础上,建立近距离煤层重复采动裂隙椭抛带的空间分布数学模型。     

覆岩采动裂隙空间形态反演方法及在瓦斯抽采中的应用

如何实现工作面采空区瓦斯的高效抽采一直是煤矿安全领域亟待解决的重要难题。覆岩采动裂隙作为采空区瓦斯储运的主要空间,其演化过程与覆岩运动密切相关。通过掌握采动覆岩运动演化特征,反演出覆岩采动裂隙空间形态,从而提出精准的瓦斯抽采技术方案,是解决上述难题的根本途径。为此,结合山西某矿深部高强度开采条件,采用地面钻孔全柱状原位监测方法,研究了工作面开采过程中覆岩运动的演化过程,揭示了覆岩关键层运动的分段特征;在此基础上,反演得到了覆岩采动裂隙空间形态发育特征,即采动覆岩瓦斯卸压运移“三带”、“O”形圈裂隙区、覆岩移动“横三区”的具体范围,提出了包括钻孔布置层位、伸入工作面水平距离和抽采最优时段的顶板定向长钻孔抽采瓦斯技术方案。试验结果表明,深部开采条件下覆岩运动经历了煤壁支撑影响阶段、低位岩层破断运动阶段、破断覆岩快速回转阶段、上部覆岩向下重新压实阶段、采动影响衰减的整体运动平稳阶段等变化过程,其中,在低位岩层破断运动阶段和破断覆岩快速回转阶段内,覆岩的离层空间与破断裂隙快速发育并相互贯通而形成导气裂隙带,为采空区瓦斯的聚集与运移提供了空间,是抽采采空区瓦斯的有利时机;基于采动裂隙空间形态反演...     

泰安煤矿8101工作面导水裂隙演化规律

为研究泰安煤矿8101工作面采空区上覆岩层导水裂隙演化规律,采用UDEC建立力学模型,模拟工作面自切眼至充分采动过程中上覆岩层导水裂隙的发育过程,并利用单端堵水试验法对导水裂隙发育高度进行现场实测。研究结果表明:工作面推进过程中,采空区导水裂隙的发育有一定范围,达到充分采动后不会随着工作面的推进向上发展。同时,随着工作面推进,在工作面前方和切眼后方形成存在应力增高区,应力峰值出现在距离煤壁4~10 m范围内;在工作面和切眼煤壁附近上方形成应力降低区,该区域内存在丰富的次生裂隙,也是导水裂隙发育最高的区域。此外,利用单端堵水试验法实测采空区导水裂隙高度与数值模拟结果基本吻合,是一种有效可行的方法。     

采场顶板坚硬条件下覆岩裂隙发育规律试验

为研究坚硬顶板条件煤层开采后覆岩裂隙发育规律,利用相似模拟试验,对东胜煤田某矿区典型工作面进行试验研究.研究结果表明,采场推进过程中,离层裂隙较断裂裂隙发育要快,并且断裂裂隙总是位于采空区两端和开切眼上方,呈梯形分布;冒落带与裂隙带的分界点高度在50～60 m处;开采工作面推进至65 m时,基本顶初次来压;推进至85、...     

浅埋煤层开采覆岩裂隙发育规律的数值模拟

煤层开采引起的覆岩变形移动,造成顶板水突入井下,严重威胁煤矿生产安全。以榆阳矿区某矿一工作面为背景,基于离散单元数值模拟软件UDEC2D,模拟了浅埋煤层开采时上覆岩体中的位移、应力和裂隙的演化规律。研究表明:随着工作面的推进,采空区中部的裂隙部分被压实,裂隙主要富集于开切眼和工作面附近的上覆岩层中,并与裂隙带顶部的裂隙分布区构成了一个类梯形形状区域;工作面推进至140m时,裂隙发育到最大高度94.5m。研究成果为水下安全开采提供了依据。     

采场上覆岩层采动裂隙演化规律相似模拟研究

为得到薄基岩厚风积沙地区采场裂隙带发育高度及演化特征,基于采场覆岩"三带"的划分,对薄基岩地区厚风积沙煤层采动过程中裂隙发育特征进行相似材料模拟试验研究,得到开采过程中上覆岩层垮落破坏特征及运移规律,岩层内部压力分布规律,分析采动裂隙带发育高度及存在形态与工作面推进速度的关系。结果表明:补连塔煤矿12406工作面周期来压步距为22.5~30.0 m;上覆岩层的破断角在采空区侧为64°,在煤壁侧为61°;裂隙带高度为157.1 m,为工作面采高的26.18倍;工作面上覆岩层下沉趋势呈非线性曲线,移动形态具有非对称性。     

高位钻孔瓦斯抽采参数优化技术

为确保高位钻孔稳定高效抽采瓦斯,采用相似模拟试验和数值模拟研究了煤层走向开采和倾向开采过程中上覆岩层采动裂隙场、瓦斯场分布特征,查明了在采空区四周采动裂隙发育的分布特征,沿工作面分别将顶板垮落范围划分为3个区域,从而确定了高位钻孔最佳区域。在此基础上,建立了高位钻孔优化设计的流程及体系,通过理论分析得出各参数的确定方法。     

特厚煤层富水覆岩采动裂隙动态分布特征模拟研究

以矿区煤田地质勘探水文地质资料为基础,结合具体工程地质条件分析了彬长矿区地层结构及其含水性;利用物理模拟方法研究了复合型水体下综放工作面采动过程中覆岩冒落带与裂隙带裂隙、导水通道形成、分布特征。结果表明,覆岩周期破坏形成离层和垂向破断裂隙,随工作面的推进岩层运移裂隙挤压闭合,在沿走向方向上形成局部闭合区、裂隙发育区,在开切眼及工作面附近易形成贯通导水裂隙成为透水通道,特厚煤层综放开采导水裂隙带发展高度约为采高的17～18倍,为工作面顶板控制及水害防治提供依据。     

重复采动覆岩裂隙率空间分布相似模拟研究 ——以陕北矿区为例

由于水资源短缺,陕北矿区利用采空区储存矿井水进行再利用,采空区储水量与采动裂隙空间分布密切相关,为准确预测采空区储水量,基于工作面上覆岩层断裂分带划分结果,确定煤矿地下水库的主要储水空间为垮落带与断裂带的裂隙空间,建立了采动覆岩裂隙率空间分布的计算方法,采用相似模拟试验得出了柠条塔矿1-2煤和2-2煤重复采动后上覆岩层...     

综采工作面垮落带注浆充填开采覆岩采动裂隙定量表征试验研究

为定量表征冒落区注浆充填对覆岩采动损伤程度的影响,以任家庄煤矿110903工作面为研究背景,开展垮落法开采和垮落带充填法开采物理相似模拟实验,运用分形理论研究两者覆岩裂隙演化特征,并对其覆岩运移规律进行对比分析。研究结果表明,垮落法开采后采动裂隙分形维数变化规律为迅速上升-缓慢下降-缓慢上升-急剧上升,注浆充填开采后变化规律呈迅速上升-迅速下降-缓慢下降-缓慢上升;将采动裂隙发育网络划分为离层裂隙区、离层压实区、垮落裂隙区、竖向破断裂隙区四个区域,对比垮落法开采和垮落带充填法开采,充填后采场覆岩裂隙不发育,离层压实区范围较小,发育高度仅为21.96 m;注浆充填开采后各关键层下沉量显著减小,关键层2最大下沉量出现在顶板初次破断处,垮落法开采后关键层2最大下沉量出现在采空区中部。垮落带注浆充填开采能有效改善覆岩裂隙损伤、控制覆岩裂隙发育、减缓覆岩下沉,该成果可以为任家庄煤矿充填开采控制地表沉降提供一定的理论依据。     

浅埋煤层群重复采动覆岩运移及裂隙演化规律研究北大核心

为了准确掌握单一煤层和煤层群开采覆岩裂隙演化规律及分布形态特征,通过物理相似模拟实验、现场钻孔勘探、理论计算等方法分析煤层开采过程中覆岩运移破断特征及采动裂隙的分布形态。结果表明:在重复采动条件下,覆岩出现离层裂隙和纵向裂隙并伴随超前裂隙的产生,形成“采空区-工作面”和“采空区-采空区-工作面”结构时,覆岩裂隙经历产生、扩张、闭合、再产生、贯通、再闭合等6个动态循环变化阶段;煤层群在一次采动时形成“梯形”裂隙区,二次及多次采动下,覆岩受上覆载荷作用,裂隙区向工作面两侧煤柱扩展,上煤层受本煤层边界煤柱和下煤层开采形成的“悬臂岩梁”支撑影响,使工作面两侧裂隙明显高于工作面中部,覆岩形成“M”形裂隙分布形态;覆岩受采动影响产生周期性破断,以单岩层或多岩层同时产生变形、运移、破断垮落,由此可见,覆岩中存在控制上部岩层的硬岩层和其控制岩层以组合梁的形式同步运移、破断。根据覆岩破断特征建立了基于Winkler弹性地基煤层群重复采动覆岩破断特征的组合岩梁力学模型,由模型计算得到覆岩裂隙演化高度和相似模拟实验及现场所测高度相近,由此表明,该模型可作为浅埋煤层群重复采动覆岩裂隙演化高度计算的依据。     

采空区上覆岩层裂隙发育及瓦斯流动规律分析

针对煤矿采空区上覆岩层裂隙发育,采动裂隙瓦斯流动规律等对合理确定高位钻孔抽采区域的重要性,对采空区上覆岩层的裂隙发育规律和采动裂隙场的瓦斯流动规律进行分析,从采空区覆岩"竖三带"裂隙分布特征、采动裂隙"O"形圈以及U型通风采动裂隙瓦斯流动规律出发,找出采空区对工作面上隅角瓦斯超限影响较大的区域,得出高位钻孔的理论最佳抽采区域大致为工作面后方50 m区域,这个区域的覆岩裂隙发育情况是高位钻孔层位优化设计的关键,为高位钻孔抽采参数优化提供了理论基础。     

关键层结构对保护层卸压开采效应影响分析

由于保护层卸压开采,导致覆岩结构的运动,致使上覆煤层变形,产生卸压效应,改变被卸压煤层的透气特性,为卸压瓦斯抽采创造有利条件.采用RFPA2D-Flow数值模拟软件,分析了上覆煤岩层采动裂隙演化、卸压煤层采动应力及位移分布、瓦斯参数变化等规律,结果表明:1)下保护层开采引起的上覆煤岩层采动裂隙集中分布在采场两端部,并呈竖向偏采空区方向发育,离层裂隙发育至被卸压煤层上方;2)开切眼和停采线附近区域顶板裂隙明显发育,卸压开采导致上覆煤层产生膨胀变形,透气性明显增加;3)由于被卸压煤层和保护层之间关键层结构的力学效应,使被卸压煤层透气系数增加幅度不显著,导致抽采孔瓦斯压力降低速度放缓.无关键层结构时,采动影响区内抽采孔瓦斯压力降低较快.     

近距离煤层群下行开采过切眼岩层变形机理研究

张家峁煤矿进入煤层群联合开采阶段，上、下工作面层间距较小。受2个工作面采动共同影响，覆岩应力及位移变化规律区别于单一煤层开采。通过理论建模、数值模拟及现场实测等方法，分析了上煤层采动影响底板应力分布及位移变形规律，论证了上工作面过下工作面切眼时液压支架支护阻力未异常增大，上工作面推进经过下工作面切眼整个过程中，间隔岩层发生弹性形变，下工作面顶板离层出现短暂的愈合期。     

长壁工作面采动覆岩层理开裂机理及侧向裂隙发育规律

长壁开采煤层覆岩下沉变形过程中,岩层内部形成弯曲应力,并可能沿抗拉和抗剪强度较小的层理开裂形成侧向导水通道。针对相邻采空区积水侧向渗漏引起的工作面突水问题,研究了长壁开采覆岩层理开裂机理,分析了侧向裂隙发育规律。首先基于Winkler弹性地基梁理论建立采动覆岩弯曲下沉挠度方程,考虑煤柱和采空区上覆岩层不同支承压力与破坏程度确定对应的上覆载荷和地基系数,给出各层位岩层的下沉、转角、弯矩和剪力曲线计算公式。在此基础上,将采动覆岩层理裂隙分为张拉离层裂隙和剪切错动裂隙,并根据岩层非同步弯曲下沉特征与组合梁理论计算岩层内部弯曲应力分布情况,提出了张拉离层裂隙和剪切错动裂隙发育判断依据,给出了覆岩任意层理面上侧向裂隙发育位置、长度和隙宽等参数的计算方法。最后以凌志达煤矿15102工作面工程地质条件为依据,计算了上覆各岩层的挠度曲线和弯曲应力分布,分析了采动覆岩层理裂隙发育规律。结果表明,15102工作面在区段煤柱上方发育有超过50 m的剪切错动裂隙,超过了15101和15102工作面之间区段煤柱最大宽度;采空区边界上覆岩层中剪切错动裂隙和张拉离层裂隙共同发育;采空区中部上覆岩层中主要为张拉离层裂...