重复采动下覆岩裂隙发育规律模拟研究

基于内蒙古布尔台矿已有的工程地质资料,采用数值模拟软件RFPA~(2D),建立了双煤层重复采动的数值模型,模拟研究了覆岩破断、裂隙发育和再发育规律,分析了上覆岩层在采动前后垂直应力的变化情况.结果表明:重复采动可引起原有煤层覆岩裂隙的再发育,使得顶板裂隙波及的含水层范围扩大,从而增大采空区的涌水量,甚至会引发突水;采动使得覆岩的垂直应力减小,而重复采动更加剧了这一趋势,这是覆岩裂隙继续发育的重要因素.     

薄基岩近距离煤层开采"水-岩"致灾演变模型及规律研究

为研究薄基岩近距离煤层开采的"水-岩"致灾演变规律,建立了薄基岩覆岩裂隙扩展渐变破坏模型并分析了岩石的3种破坏模式,从平面及空间角度揭示采动覆岩岩体裂隙扩展过程中的渐变失稳破坏发育特征;构建覆岩岩体破坏致灾演变力学模型,从力学角度上解释覆岩破断致含水层突水致灾过程。结合工程实例,采用UDEC及FEFLOW数值模拟软件分别建立数值模型,模拟分析近距离煤层回采覆岩失稳破坏特征及地下水体运移渗流特征,揭示采动条件下地下水体运移致灾演变规律。研究结果表明:开采活动破坏了地下水体原有的渗流规律,近距离煤层的重复采动极大地增加了覆岩岩体内裂隙密度及宽度,裂隙带内的渗透性增加,覆岩裂隙是水的渗流、运移的主要通道,导水通道的拓宽从而导致突水致灾危险性增加。     

重复采动下覆岩变形数值模拟

基于该煤矿的地质资料,采用FLAC~(3D)[1]数值模拟软件建立该煤矿的双煤层重复采动的数值模型,模拟研究覆岩的变形情况,并分析上部覆岩在重复采动过程中垂直应力的变化情况[2]。模拟结果表明:重复采动可重复扰动覆岩稳定,加剧覆岩变形破坏,并引起原覆岩裂隙的再发育,进而可能形成瓦斯和地下水的导通通道,危及煤炭安全生产;另外,重复采动使覆岩的垂直应力减小,变形更加明显,裂隙发育速度更快。     

多煤层重复采动覆岩破坏高度发育规律研究

为了研究多煤层重复采动下覆岩破坏高度的发育规律,以公乌素煤矿三煤层开采为工程背景,通过现场实测、数值模拟研究方法,得到了单层开采和三层重复开采时16煤1604工作面覆岩导水裂缝带高度,采用3DEC数值模拟研究了单煤层开采及重复采动覆岩的破坏特征,理论分析了重复采动覆岩裂隙发育机理及裂缝带高度的计算方法。结果表明：钻孔冲洗液观测与钻孔窥视结合实测法更准确,公乌素16煤重复采动条件下,裂采比15.14,垮采比3.15|模拟显示采空区两侧裂隙发育明显且为离散裂隙,中部裂隙闭合,裂隙高度与实测较为接近|提出了3种不同程度的重复采动裂缝带发育高度的计算方法,为确定重复采动条件下覆岩裂隙发育高度提供理论依据。     

近距离煤层重复采动覆岩破坏规律及“两带”发育高度分析

为研究近距离煤层重复采动下覆岩破坏规律与“两带”发育高度,预防工作面开采过程中由导水漏风通道引起的工作面顶板漏水、采空区自燃等各种安全事故,以鄂尔多斯市某煤矿为工程背景,采用井下窥视法和数值模拟对近距离煤层开采后覆岩破坏规律以及“两带”发育高度进行分析,揭示了规律形成的原因。研究结果表明：在近距离煤层重复采动影响下,“两带”发育高度远超过上煤层开采,下煤层推进80 m时裂隙带最大发育高度为88 m,与地表贯通形成导水漏风通道;初次采动与重复采动时的裂采比分别为19.33、29.33;裂隙带的发育呈台阶式上升,阶段间的变化表现为激跳形式;覆岩的破坏表现为“拱形→帽形→马鞍形→外O内蝶形”;数值模拟及拟合公式所预测的“两带”发育高度与实测值之间误差率为1%左右,验证了预测的准确性,可为相似工作面的开采以及相似工程提供借鉴。     

浅埋煤层开采数值模拟及顶板突水危险性分析

为实现伊犁矿首采面煤层安全开采,对其上覆岩层运动特征进行研究,分析其顶板突水危险性。利用UDEC软件进行数值模拟,分析随着工作面的推进,上覆岩层的破裂过程和来压特点。分析物理模拟上覆岩层运动特征,得到裂隙带高度随工作面推进而增大、裂隙带高度与采空区跨度有非线性关系等规律。分析首采面顶板充水条件,结合裂隙带高度发展规律,认为首采面顶板突水危险性较小。研究结果为矿区首采面煤层安全开采提供理论依据,同时,为制定防治水措施提供科学依据。     

特厚煤层开采顶板突水危险性预测及防治措施

在分析朱仙庄矿水文地质条件的基础上,采用经验公式、数值分析、相似模拟等方法,分析了8105特厚煤层工作面覆岩顶板的裂隙发育过程,考虑采动应力与渗流的耦合作用,研究了随工作面的推进上部含水层的渗流演变规律,进而对顶板突水危险性预测。结果表明:随工作面不断推进,8105回采工作面采空区裂隙发育高度为72m,与经验公式法的计算结果基本一致;通过数值模拟分析得到含水层受采动影响发生渗流现象,孔隙水未进入到回采工作面采空区;对相似模拟、数值模拟所得结果进行综合分析,裂隙最大发育高度与岩层孔隙水之间的距离为15m。为保证8105工作面的正常回采,本文提出了"预先打孔监测钻孔涌水量""留设合理防水煤柱""不良钻孔及时封堵"等防治措施,研究结果对类似工程条件下的煤层开采具有一定的借鉴意义。     

松散承压含水层下重复采动对覆岩破断特征的影响研究

以松散承压含水层下压架突水灾害的防治问题为工程背景,结合皖北祁东煤矿7131工作面的开采条件,研究了承压含水层下重复采动对覆岩破坏特征的影响规律。结果表明,当松散承压含水层下某一煤层工作面在初次采动条件下存在压架突水危险时,若其他邻近煤层先开采使得该煤层回采处于重复采动状态,覆岩结构完整性降低,承压含水层的载荷传递作用会受已采煤层的开采扰动而减弱,该煤层工作面回采时覆岩不易发生如初次采动条件下的整体破断,压架突水危险性降低。基于重复采动对覆岩破坏特征的影响规律,提出了松散承压含水层下采煤的"释压开采"方法,即可将不具有压架突水危险的煤层作为"释压层"先开采,弱化承压含水层对下部岩层的载荷传递作用,破坏压架突水灾害的发生条件,从而避免承压含水层下采煤压架突水事故。     

高瓦斯多煤层大采高工作面覆岩裂隙演化规律研究

高瓦斯多煤层矿井运用大采高技术以实现矿井高产高效,开采工艺不同导致工作面瓦斯涌出规律的变化。以沁水煤田15#煤层大采高工作面煤层赋存条件和覆岩分布特征为背景开展采动覆岩裂隙演化规律研究,运用UDEC数值模拟大采高工作面在不同推进距离时覆岩裂隙形态发育及位移量,并提出基于示踪原理的实测覆岩裂隙发育规律的验证方法。研究表明:大采高工作面推进至120m时,煤层上覆岩层裂隙极限发育高度为65m,大采高工作面上邻近层8#煤层处于采动卸压范围,示踪气体法现场测试数据验证了数值模拟的准确性。由于大采高工作面覆岩裂隙发育范围扩展至上邻近层8#煤层,所以工作面回采过程中应增加上邻近层瓦斯抽采工艺。     

采空区下煤层开采覆岩破坏规律数值模拟

基于古书院矿煤层的实际地质资料,利用RFPA2D分析软件对采空区下15#煤层开采覆岩破坏进行了模拟,观察开采后15#煤层坚硬顶板的裂隙发育状况,研究采动覆岩中三带的发育高度,并对结果从采场上覆岩层移动破坏规律、15#煤层顶板位移及应力变化特征方面进行了分析。通过对15#煤层三带分布研究,编制矿井冒落带和导水裂隙带高度的等值线图,确定15#煤层的导水裂隙带最大发育高度,预测在15#煤层回采过程中,9#煤层采空区积水下渗的可能性。根据裂隙发育情况,结合顶板岩性,为15#煤建立抽放系统、治理瓦斯的论证提供依据。     

煤层群双重卸压开采覆岩移动及裂隙动态演化的实验研究

近距离煤层群双重卸压开采时,顶底板煤岩层反复破坏,形成了不同于单层煤层开采的裂隙通道,对瓦斯抽采造成了较大影响。采用相似材料模拟实验研究了单层开采和双重卸压开采覆岩位移、裂隙及应力分布与演化规律。研究表明：在双重卸压开采作用下,一些覆岩裂隙经历了生成、扩展、压实、张拉、再压实等复杂的过程;覆岩中形成了裂隙趋于闭合的“压实区”和裂隙趋于张开的“裂隙区”,这些裂隙形成了立体交错的瓦斯运移通道,并随双重卸压开采工作面推进而变化。提出了近距离煤层群重复卸压开采瓦斯立体抽采模式,实现上覆煤岩层和下伏煤岩层裂隙通道瓦斯的全面抽采,并在贵州盘江精煤股份有限公司金佳煤矿成功应用。     

深部新区煤炭资源赋存规律及其勘探模式

深部新区类型是指覆盖层巨厚、主采煤层埋深大(800~1000m)的区域。由于煤层赋存较深,这些地区以前通常没有或很少进行过煤炭勘查和开采,煤炭地质工作程度低,煤层赋存状况的资料缺乏,几近于空白勘查区,深部煤炭资源勘查难度较高。通过对高家堡勘探区勘探历程的分析总结,探讨了深部新区类型煤炭资源的赋存规律及其勘探模式。     

“上柱-下垮”复合残采区中部残煤开采可行性评价

针对白家庄煤矿"上柱-下垮"复合残采区中部残煤的安全开采问题,采用实验手段研究了多重采动影响下中部残煤采场岩层的垮落特征、应力分布规律及塑性区分布范围,结合弹塑性力学理论分析了上下煤层开采造成的损伤破坏范围,对中部残煤开采可行性进行了研究。研究表明:(1)上下煤层的采动影响并未破坏中部残煤的宏观连续性,且在中部残煤开采过程中,上覆岩层结构相对稳定;(2)采场岩层的支承压力与塑性区的分布范围基本一致,二者皆可以评价上下煤层开采后层间岩层的损伤破坏范围,其损伤范围包含整个上位层间岩层和下位层间岩层的局部范围;(3)中部残煤主要受上部煤层开采影响,处于上部煤层开采损伤破坏范围之内,因此在中部7号残煤开采过程中,其采场顶板稳定性较差,应采取合理有效的顶板控制措施保证安全生产。     

Practice and adaptable conditions classification of aquifer-protective mining in longwall coalface for shallow seam with thin bedrock

A set of adaptable conditions classification of aquifer-protective mining in the longwall coalface for shallow coal seams with thin bedrock was put forward to deal with the conflict between water protection and high efficiency for the mining field in west China. This classification was suitable for shallow coal seams with different thickness and was beneficial to the local environmental protection. Using the 3-Universal Distinct Element Code (3DEC) numerical software, the height of the fractured zones for shallow coal seams with thin bedrock was calculated and analyzed, and its predicting formula was achieved. Meanwhile, according to the lithology and the weathering degree of the shallow coal seam, the thickness of the protective layer was determined as 10 m and the overlying water body of loose water-bearing sand for shallow coal seams with thin bedrock was divided into three types, namely, weak, medium and strong. Based on these, the necessary bedrock thickness of the longwall coalface for shallow coal seams with thin bedrock was confined according to the different mining height and water yield nature of the overlying loose water-bearing sand. Combined with the present mining status, a set of new methods of adaptable conditions classification of aquifer-protective mining technology in the longwall coalface for shallow coal seams with thin bedrock was put forward.     

煤系地层覆盖下铝土矿采矿方法研究

随着我国浅地表的铝土矿储量消耗殆尽,煤下铝开采成为铝资源开发的必然选择和趋势。煤下铝的开采需要控制覆岩移动,保证上覆煤层的完整性,同时地下铝土矿顶板破碎不稳固,地压管理困难,回采率低。本文提出协同充填覆岩控制技术,房柱法点柱不作为永久矿柱支撑顶板,将采矿方法研究聚焦在采矿作业过程的地压控制,提出小矿房、宽矿柱充填分区分步退采房柱法,实现了煤下铝采场地压管理、岩移层位控制和回采率的提高。     

复合煤层分层开采自然发火防治技术的探讨与实践

针对复合煤层分层开采自然发火治理困难的问题,提出了骨架充填式防火技术,在红阳二矿进行了现场应用.结果表明,该技术有效地克服了由于再生顶板不完整性造成漏风通路多的难题,减少向上覆采空区漏风和煤炭的氧化,降低了工作面的温度,改善了下分层工作面生产环境,消除了工作面自然发火隐患,实现了下分层工作面的安全开采.     

保护层开采过程中煤岩损伤与瓦斯渗透性的变化研究

针对煤岩体损伤破坏特征,定义了煤岩体结构损伤变量,建立了相应的弹塑性损伤本构方程,并完成了有限元源程序的二次开发,利用此程序对乌兰煤矿双保护层开采实例进行了计算分析,给出了被保护层损伤程度和渗透性系数的变化规律,计算结果表明：7、8号煤层开采后,被保护2、3号煤层出现张拉损伤,煤层应力显著释放,煤岩体的渗透性急剧提高,有利于瓦斯运移和煤层瓦斯抽采,这与工程实际相吻合。     

浅埋煤层工作面的UDEC数值模拟研究

利用UDEC数值模拟软件对山西焦煤集团东曲矿浅埋煤层工作面开采导致的覆岩移动及裂隙发育过程进行数值模拟研究,真实反映了在工作面推进过程中覆岩移动及裂隙发育规律,得出浅埋煤层开采后直接顶和老顶的垮落步距以及上覆岩层移动规律.     

永盛煤矿南井主采煤层煤与瓦斯突出危险性评估

选用永盛煤矿南井主采2#和9#煤层作为研究对象,根据该煤层最大瓦斯压力和煤样瓦斯基本参数测试结果,评估其突出危险性。测试结果表明:永盛煤矿南井2#和9#煤层突出危险性单项指标和综合指标均超过了《防治煤与瓦斯突出规定》规定的临界值;该井田范围内无明显直达地面的断裂构造,瓦斯难以从构造带释放;煤层埋藏较深且上覆岩层大多为透气性差的岩层,瓦斯保存条件较好。分析确定永盛煤矿南井2#、9#煤层为具有煤与瓦斯突出危险性煤层。     

半承压煤层瓦斯流动的数学模型

煤层作为富含孔隙和裂隙的多孔介质,其中赋存的瓦斯流动符合多孔介质中的流体渗流规律,即达西定律。当煤层上覆岩层和底部岩层为致密岩层、透气性极小时,可以认为完全不透气,则含瓦斯煤层为承压煤层;当煤层上覆岩层和底部含有一定的裂隙,其渗透系数与含瓦斯煤层相比虽然很小,但仍然有少量瓦斯通过透气性较低的上下岩层流入或流出含瓦斯煤层,此时含瓦斯煤层为半承压煤层。在承压煤层瓦斯流动的基础上,考虑半承压煤层瓦斯流动的特性,分别推导了渗透率各向同性和各向异性条件下半承压煤层瓦斯流动的微分方程,从而建立了半承压煤层瓦斯流动的数学模型。