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...     

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。     

大采高采场覆岩破断演化过程及支架阻力的确定

基于煤岩体"强度参数-应力环境-节理弱面"破坏控制条件研究了大采高采场覆岩变形破断特征,并通过室内试验再现采动引起覆岩破断后运动演化过程,最后根据顶板结构形态对支架工作阻力确定方法进行了理论分析。研究表明:覆岩薄弱岩层冒落取决于层间离层裂隙的发育范围,基本顶表现出固支梁变形破坏特征,断裂线位置则取决于剪切错动裂隙的发育范围;软弱岩层中受拉应力区贯通分布,坚硬岩层中呈孤岛式分布,分布形态同离层和剪切错动裂隙的发育范围相关;层间拉伸张开型裂缝则呈小范围正梯形滞后工作面发育,剪切闭合型裂缝呈大范围倒梯形超前工作面发育;大采高采场下位基本顶破断后形成单关键块结构,更高位基本顶可形成静定三铰拱结构,采场顶板控制关键为前者的稳定性;以单关键块结构形成条件为基础给出直接顶范围确定方法,基于能量守恒原理、直接顶性质提出顶板压力确定公式,直接顶力学参数对其影响程度依次为:黏聚力塑性模量内摩擦角。     

准东大井矿区巨厚煤层开采覆岩裂隙分布特征

针对准东巨厚煤层典型赋存特征,选取大井矿区为研究对象,构建了巨厚煤层开采力学模型,模拟研究不同开采方式采场覆岩裂隙分布特征。结果表明:在采场应力的控制下,工作面前方覆岩裂隙由原岩裂隙区依次演化为原岩裂隙闭合区、微裂隙发育区、裂隙快速发育区、破断裂隙发育区、离层裂隙发育区、裂隙逐渐闭合区;覆岩主关键层是覆岩裂隙发育程度高低的分界线,其也会控制覆岩裂隙发育高度;巨厚煤层开采覆岩裂隙主要分布于采空区两侧,且沿岩层破断线呈"八"字形分布,并随工作面推进呈现周期演化,其是覆岩含水层水体向采场渗流的关键通道,对矿井的安全生产至关重要;从保水采煤角度考虑,放顶煤分层开采对覆岩含水层扰动影响较大采高分层开采小。     

浅部条采老采空区受荷载影响的模拟研究

采用相似材料模拟试验研究了建筑荷载影响下的条采老采空区覆岩和煤柱失稳破坏过程。研究表明:随着荷载增大,老采空区覆岩和煤柱在附加应力作用下变形破坏,在采空区上方地表加载时,覆岩呈"鼓形"破坏形态,而后岩层断裂垮落;在煤柱上方地表加载时,煤柱受压缩在边界上方发育高角度纵向裂缝,而后采空区覆岩垮落失稳,沿发育的裂缝切冒至地表。     

高位硬厚岩层下采动裂隙和支承应力演化特征及其对瓦斯运移的影响

针对上覆高位硬厚岩层的结构特征和受力状态,建立了均布载荷和体积力共同作用的力学模型,得到了硬厚岩层破断形式的力学判据。采用相似材料模拟试验及离散元数值模拟,研究了高位主关键层下覆岩采动裂隙和支承应力的演化规律及其对瓦斯运移的影响,并采用工程实例验证了研究结果。研究表明:高位主关键层条件下,覆岩采动裂隙发育、煤岩体支承应力分布、卸压效果都发生了明显变异,主关键层阻隔了向上发育或传递。主关键层下方形成中部梯形压实区和两侧平行四边形破裂区,破断裂隙呈类"马鞍"形分布,其底部离层量分布按照"单谷"、"倒梯形"、"双谷"形态演化;煤岩体支承应力集中程度较高,影响范围较大,主关键层破断运移后明显下降。主关键层下方存在采空区卸压裂隙发育区,游离瓦斯可通过破断裂隙运移至主关键层底部的负压离层空间,主关键层运移时可能诱发地面钻孔瓦斯动力现象。     

关键层对煤层群开采瓦斯卸压运移“三带” 范围的影响

采用相似模拟、数值模拟和理论分析的方法,就覆岩关键层对煤层群开采瓦斯卸压运移“三带”范围的影响进行深入研究。研究结果表明：覆岩导气裂隙带内是否存在关键层将对覆岩瓦斯卸压抽采范围起到十分明显的影响作用。在相同开采条件下,覆岩裂隙带内存在关键层时,该关键层的破断将引起导气裂隙带高度突增,其高度明显高于经验公式计算高度并止于该关键层上方另一层关键层之下;卸压解吸带高度止于覆岩中尚未发生破断且下方存在离层空间的关键层之下,其最大高度止于主关键层之下。     

西部缺水矿区地下水库保水的库容研究

利用井下采空区进行水源蓄存和循环利用的地下水库技术是实现西部矿区保水采煤的有效措施,研究确定采空区的合理储水容量对于地下水库技术的安全高效实施至关重要。综合采用理论分析、模拟实验与现场实测等手段,就地下水库储水容量计算、以及极限库容与合理库容的确定等问题进行了研究,结果表明：地下水库的储水容量即为储水范围内覆岩垮落带破碎岩块间自由空隙量与裂隙带断裂岩层离层裂隙量的总和;基于覆岩垮落带类抛物空间形态模型的构建,得到了考虑煤层倾角条件下垮落带岩体空隙量的计算公式;利用覆岩采动裂隙分布的“O”形圈理论模型,获得了覆岩各层关键层底界面及相邻关键层间断裂岩层的离层空隙量确定方法;由此根据储水水位在覆岩垮裂带内的不同位置,建立了地下水库储水容量的数学表达式,形成了地下水库极限库容与合理库容的确定方法,指导了李家壕煤矿地下水库工程实践。     

倾斜煤层群覆岩“三场”非对称特征及靶向抽采机制

倾斜煤层群“三场”（应力场、位移场和裂隙场）演化规律较为复杂,对卸压瓦斯运移和储集具有重要意义。为了探究倾斜煤层群“三场”演化规律,研究以新疆1930煤矿为对象,开展了倾斜煤层群多重采动相似模拟实验。分析了上覆岩层垮落形态,获得了覆岩应力演化特征,分析了覆岩位移分布和移动方向特征,阐明了采动裂隙分布特征。进而探究了三场演化规律对瓦斯运移的影响,并开展了定向钻孔瓦斯抽采现场试验进行验证。研究结果表明：倾斜煤层群多重采动下,采动裂隙矩形梯台呈现明显的非对称特征。低位侧覆岩应力变化较大,随开采次数增加,卸压效应更为明显,而高位侧覆岩应力变化较小;结合重力-倾角效应,高位侧覆岩更易破坏,垮落次序优先,呈非对称特征。覆岩位移分布呈非对称特征,高位侧位移显著且移动方向变化较大。高位侧裂隙区网格内采动裂隙频数明显高于低位侧;高位侧裂隙区破断裂隙分布更多,且开度较大;采动裂隙呈“高位扩展-低位压缩”的非对称特征。多重采动使得“三场”非对称特征更为显著。此外,覆岩贯通度存在“慢速减小-快速减小”的现象。基于“三场”演化特征和瓦斯运移的关系,揭示了瓦斯抽采靶向优选机制。结合试验结果,构建了基于“三场”演化...     

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。     

采动覆岩应力变化规律分析

为了研究采动覆岩应力变化规律,采用理论研究和数值模拟,理论分析了采场底板岩体支承压力分布、采动裂隙场的空间形态;采用FLAC^3D数值模拟了不同推进距离下水平剖面的应力分布和塑性破坏分布。研究得出,采动覆岩裂隙圈呈现典型的直接顶破断“O-X”型特征,采动塑性破坏区呈中间低和两端高的马鞍分布状态;底板和上覆岩层应力呈3个不同应力区域。     

巨厚火成岩下采动覆岩应力场-裂隙场耦合演化机制

针对杨柳煤矿主采10煤层诱导上覆巨厚火成岩运移破断引发剧烈地表沉陷、瓦斯喷井以及工作面压架等动力灾害的难题,基于巨厚火成岩破断特征,采用物理模拟、数值模拟与理论分析相结合的方法研究了巨厚火成岩下覆岩裂隙发育规律与采动应力分布规律,得到火成岩破断前后裂隙发育高度、支承压力峰值和应力集中区最大高度等指标随工作面推进的变化特征,从而揭示了巨厚火成岩下采动应力场-裂隙场耦合演化致灾机制,即煤层采动→应力重新分布→应力集中→裂隙发育→覆岩破断→应力转移→裂隙扩展→"弧形"离层→火成岩破断→动力灾害。从控制应力集中与裂隙发育两方面提出了"采空区充填技术—离层注浆充填技术—保护层开采技术"的防灾技术体系。     

再论采场“三带”的划分方法及工程应用

为解决现有导水裂隙带发育高度确定方法存在的不足展开了研究,研究基于采场覆岩“三带”的划分展开。采用相似模拟实验、理论分析及现场验证等方法和手段,通过理论分析并结合相似模拟实验发现,一次采出煤层厚度、工作面开采范围、覆岩残余碎胀系数、关键层与煤层之间的距离以及关键层自身的运动特点均是影响采场覆岩“三带”分布的影响因素。在此基础上,提出了基于关键层稳定及断裂后运动特点的采场覆岩“三带”划分的新方法及其适用条件。应用所提方法对祁东煤矿7₁30工作面、6₁30工作面、7₁21工作面、补连塔煤矿41301工作面、潞安煤矿6206工作面实际地质与开采情况进行划分结果的验证,结果表明,新方法更接近实测数据。     

浅埋煤层保水开采岩层控制研究

我国西部浅埋煤层保水开采的核心理念是保护生态水位,保水开采岩层控制的理论基础是隔水层的稳定性。基于陕北浅埋煤层煤水赋存条件,通过物理模拟和地裂缝实测分析,揭示了浅埋煤层隔水岩组的"上行裂隙"和"下行裂隙"发育规律,发现了"上行裂隙"和"下行裂隙"的导通性决定着隔水岩组的隔水性。通过理论分析,给出了"上行裂隙带"发育高度和"下行裂隙带"发育深度的计算公式,建立了以隔水岩组厚度与采高之比(隔采比)为指标的隔水岩组隔水性判据。据此,提出了保水开采分类方法,基于神府矿区条件给出了分类指标范围。     

基于颗粒离散元的薄基岩裂隙扩展规律

采动影响下的薄基岩产生导水裂隙通道,贯通厚风积沙层,容易产生突水溃沙灾害。为研究薄基岩导水裂隙通道发育规律,借助于颗粒离散元理论,建立考虑复杂应力作用的薄基岩模型,分析了原生裂隙长度、覆岩压力和水沙两相作用对裂隙在薄基岩平面横向发育规律的影响。研究发现颗粒离散元理论可以较好的揭示薄基岩的破坏机理;扩展裂隙在原生裂隙尖端呈“Y”和“X”型发育,且发育形态与薄基岩受到覆岩压力大小和原生裂隙长度有关。研究了不同原生裂隙长度、覆岩压力和水沙作用下裂隙扩展发育的4个阶段并给出了破坏曲线,分析了不同条件的改变对薄基岩裂隙扩展影响的定量关系。     

厚冲积层薄基岩采场围岩三维力学特征

采用相似条件采场类比、现场实测和数值分析综合研究方法,研究了厚冲积层薄基岩采场围岩三维力学特征,研究表明：厚冲积层薄基岩采场矿压显现与基采比密切相关,随着基采比增大,采场矿压趋于缓和。按基采比大小可将采场划分为“有板有壳”、“有板无壳”和“无板无壳”3种类型。“有板有壳”类型采场,应力壳为采场第1掩体,其下位的断裂带板（梁）结构为第2掩体,采场矿压显现缓和;“有板无壳”类型采场,断裂带板（梁）结构为采场惟一掩体,其上位无“应力壳”承载,板（梁）结构失稳后采场矿压显现剧烈;“无板无壳”类型采场,无板（梁）结构和“应力壳”的掩护,冲积层荷载直接传递在液压支架上,该类采场易发生压架事故。“无板无壳”类型采场的覆岩结构沿竖向划分为两带,即“垮落带”和“弯曲下沉带”。并对形成3种类型采场的力学机理进行分析。     

大采高综采采场关键层运动型式及对工作面矿压的影响

掌握大采高综采采场关键层结构形态及运动型式是分析工作面矿压显现规律的基础。采用理论分析方法,得出了大采高综采采场关键层存在2种结构形态和6种运动型式,并给出了各结构形态和运动型式的形成条件,2种结构形态为垮落带关键层"悬臂梁"结构形态和断裂带关键层稳定"铰接"结构形态,6种运动型式为"悬臂梁"直接垮落式、"悬臂梁"双向回转垮落式、"悬臂梁"二次回转垮落式、"悬臂梁-铰接"结构交替式、"砌体梁"结构运动型式和"短砌体梁"结构运动型式。采用UDEC数值模拟方法验证了各形成条件下的关键层的运动型式,揭示了6种关键层运动型式对采场矿压的影响规律,最后得到了现场实测数据的验证。     

近水平煤层综放面导水裂缝带最大高度分析及其研究

在近水平煤层条件下,利用离散元模拟的方法,分析了综放采场上覆岩层的运动特征,根据覆岩位移及应力变化规律,确定了覆岩的导水裂缝带高度.通过现场实测验证表明,数值模拟所得的裂缝带高度与实测结果相吻合,说明利用数值模拟的方法确定综放面覆岩导水裂缝带高度是可行的.     

薄基岩风氧化带附近防水煤岩柱的合理留设

为了合理确定鲁西煤矿的开采上限,依据已有的钻孔资料以及水文地质补充勘探资料,对第四系下部隔水层情况、基岩厚度、基岩岩石力学参数、基岩风氧化带等条件进行综合分析,然后对比鲁西煤矿实测资料、“三下”规程经验公式以及兴隆庄矿薄基岩条件下的经验公式分别得出的导水裂缝带发育高度,确定应用“三下”规程中的经验公式预计3111_II工作面开采后覆岩裂缝带发育高度,选取覆岩岩性为“中硬”,取中误差为0。结果表明：利用该方法确定3煤分叉区只开采下分层,留设防水安全煤岩柱高度为38 m,3煤合并区按照2个分层开采,留设的防水安全煤岩柱高度为49 m。     

深部煤巷顶板冲击裂变失稳机制及其动力表现型式

冲击矿压85%发生在巷道中,随着开采深度的增加,冲击矿压发生的频次和灾害烈度都急剧增加,深部煤巷冲击矿压灾害防治已经成为一个亟待解决的技术难题。针对深部煤巷顶板冲击裂变失稳机制进行研究,基于弹塑性及断裂力学原理,分析了巷道顶板岩层集力聚能破断失稳机理,推导了巷道顶板冲击裂变失稳的承载、形变及能量条件,阐述了冲击动载作用下复合顶板"层间离层-岩梁开裂-动力震裂"的裂变失稳演化规律。深部煤巷顶板冲击失稳模式与顶板岩梁宏观主控裂隙的发育扩展关联密切,在高静载和强动压的叠加作用下,巷道顶板呈"一横五纵"6条主控裂隙展布发育,各横纵裂隙协同扩展直至汇合贯通,最终形成"门式"震裂块体瞬间推入巷道空间发生冲击破坏。最后揭示了深部煤巷顶板岩层动力破坏失稳的6种表现型式,提出了"顶部桁架锚索+跨中长锚索+顶角斜锚杆"强力联控支护对策。