近距离煤层群上位煤层开采底板破坏特征分析

针对高瓦斯近距离煤层群下伏煤层回采巷道变形、破坏严重并影响工作面安全高效开采的难题,通过实验室试验对近距离煤层及其顶底板力学参数进行了测试,结合底板滑移线理论给出了上位煤层开采后底板破坏带分区,应用离散元数值软件计算分析了上位煤层开采对底板造成的破坏程度,得到了底板最大集中应力沿底板水平及垂直方向的分布曲线。结果表明:近距离煤层群上位煤层开采后,沿底板岩体垂直方向底板破坏岩层厚度呈线性增长,沿水平方向岩层塑性破坏以扇形方式扩展且其最大厚度在工作面边缘。     

近距离煤层群多重采动覆岩破坏特征及应力传递规律研究

近距离煤层群开采覆岩破坏特征不同于单层煤开采,同时存在层间相互影响的问题。以晋能控股煤业集团燕子山煤矿11~#煤层、14-2~#煤层、14-3~#煤层三层近距离煤层为研究对象,通过进行物理相似模拟实验和数值模拟计算,研究分析了近距离煤层群开采时顶底板围岩的覆岩破坏特征及应力传递规律。研究结果表明：近距离煤层群下行开采过程中,随着采动次数增加,顶板横向裂隙超前发育和纵向裂隙穿层效果更为明显,垮落块度明显减小,来压规律不明显;煤层顶板覆岩因采动产生的应力峰值随采动次数增加而降低;初次采动影响下,稳定后的覆岩应力要明显小于原岩应力,而多次采动稳定后的覆岩应力与该次采动前相近;上覆岩层在多重采动影响下,破坏更彻底,形成台阶式的岩层切落。研究结果可为条件相似的近距离煤层群开采顶底板围岩控制、采空区积水及瓦斯防治提供参考依据。     

井工矿开采致覆岩层移动变形预测计算模型及工程应用

长壁工作面开采强度大、速度快，煤层上覆岩层的原始应力平衡在短时间内遭到破坏，导致从直接顶到地面产生不同程度的位移变形，对井下开采活动及地面基础设施造成严重的影响和破坏。掌握由开采导致的岩层移动、变形的时间及空间特性，有助于对相关灾害进行防治。以预测地表沉陷的影响函数法为基础，通过相关参数的改造与理论推导，将其用于对地下岩层移动及变形的计算与预测，建立水平煤层工作面上覆岩层终态二维开采沉陷预计模型和动态二维开采沉陷预计模型。并使用该模型进行工作面保护煤柱上覆岩层破坏影响的预测评估、水体下采煤安全性评价、瓦斯抽采巷道层位优化等方面，实践表明该模型具有良好的实用性。     

新近系煤层开采沉陷与覆岩移动规律研究

新近系煤层开采沉陷及覆岩移动规律国内研究较少,依兰第三煤矿开采新近系近距离煤层群、顶底板岩性偏软、采深较大,为研究该条件下地表沉陷及覆岩破坏规律,首先通过钻探进一步查明地层构成,并对岩芯进行物理力学试验,计算得出覆岩综合评价系数P,求得地表沉陷预计参数;其次采用相似材料模拟试验,模拟研究了多煤层开采过程中的覆岩破坏与地表移动变形特征。     

基于Schwarz交替法求解分析浅埋近距离煤层开采覆岩结构演化规律

我国西部地区有着丰富的浅埋近距离赋存条件的煤炭资源,其特点是煤层埋藏较浅,上覆基岩厚度较薄,覆盖层为含水砂层.该类型矿井工作面开采一旦波及到含水砂层,工作面将产生涌水溃砂等灾害事故.为了预防此类矿山灾害问题,通过弹性力学和复变函数理论建立了近距离煤层开采扰动的"无限平面双矩形孔口"理论力学模型,并对其覆岩结构演化规律进行了深入研究.主要研究结果为:① 基于弹性力学和Schwarz交替法推导了煤层重复开采扰动覆岩应力场理论公式,并采用理论解析方法对不同中间岩层厚度下覆岩应力场分布规律和破坏范围进行了分析研究.研究表明:覆岩内水平应力σx整体呈"X"型分布,顶底板岩层处于拉应力状态,左右两侧呈椭圆形分布;当中间岩层厚度为20 m时,工作面上方岩层处于拉应力状态,极值拉应力为0.82 MPa,覆岩破坏区达到58 m.与上煤层开采引起的32 m裂缝带高度相比,下煤层开采引起的覆岩破坏范围明显增大;② 灵露煤矿Ⅱ2-1和Ⅱ3煤层开采相似材料模拟结果表明:整个中间岩层发生破坏,与上煤层开采引起的35 m裂缝带高度相比,下煤层开采引起的裂缝带发育高度明显增大,达到61 m.下煤层采动造成了原上覆岩层裂缝带的二次发育.相似材料模拟试验验证了该理论解析方法的可行性.研究成果对浅埋煤层安全高效开采和可持续性发展具有一定的理论指导意义.     

采空区下伏煤层开采覆岩破坏规律研究

基于山西阳泉五矿8#煤层的实际资料,对采空区下伏煤层开采覆岩破坏进行了研究,对覆岩破坏高度进行了计算,对主要影响8#煤层开采的K7砂岩进行了涌水量预测,同时进行了覆岩数值模拟,并对结果从采场上覆岩层移动规律、采场上覆岩层应力变化特征方面进行了分析,验证了计算结果的正确性。     

采空区及煤柱下回采巷道合理布置位置研究

针对多煤层开采上覆煤层后采空区及遗留煤柱引起底板应力变化,对寺河二号井94313综采工作面回采巷道位置进行相似模拟研究,分析上覆岩层变形破坏对下部煤层应力的影响,为下煤层回采巷道布置位置提供理论依据。结果表明:残留煤柱下9号煤层垂直应力呈单峰值分布,距离煤柱边缘30 m以外垂直应力趋于稳定。     

下伏煤层开采对上方运输大巷的采动影响研究

因下伏煤层开采对上覆煤层开采的运输大巷造成不利影响,为了确定采动影响下运输大巷的破坏范围及程度,以便制定下伏煤层开采方案的设计和大巷加固措施,采用FLAC3D软件对采后运输大巷的移动变形情况及所处位置岩层的应力分布情况进行了模拟,结合极限平衡理论与大巷围岩及其支护体的自身特点,分析了大巷变形破坏的原因。研究结果表明:21040工作面的回采不会影响大巷的稳定,21060工作面回采结束,在大巷的280—500 m段,巷道砌体受到不同程度的损坏,其中240—440 m段破坏会较为严重。大巷围岩强度较低、完整性差,巷道砌体的损坏导致其支护阻力降低以及大巷所在位置岩层应力高是导致其变形破坏较为严重的原因。     

近距离煤层群采动影响下煤层顶底板复合破坏特征研究

关家崖矿8#煤层8101工作面对应的上煤层7#和下煤层11#均已回采,对8#煤层的顶底板岩层造成一定破坏,同时8#煤层采动过程中,将会对顶底板围岩造成二次破坏。为研究采动期间8#煤层顶底板围岩复合破坏特征,对上覆岩层"三带"分布、底板破坏深度及顶底板垂直应力和塑性区分布规律几个方面进行了分析,得出7#煤层部分区域处于8#煤层垮落带内,8#煤层工作面过7#、11#煤层煤柱时应力集中现象明显,回采时应采取相应的安全开采技术措施,以保证本煤层的安全高效开采。     

近距离煤层开采遗留边界煤柱下底板巷道采动附加应力计算

上覆煤层开采后,在煤层底板形成原岩应力区、弹性应力增高区、塑性区、卸压区、应力恢复区和压实区等6个区域,上覆煤层遗留边界煤柱附近围岩内形成"椭圆应力拱"结构,前拱脚位于应力恢复区,后拱脚位于弹性应力增高区,上覆岩层载荷通过前、后拱脚传入底板,并对下伏煤层巷道产生附加应力,明显影响到下伏煤层巷道稳定性.基于此,构建上覆煤层"椭圆应力拱"结构力学模型,数值模拟计算"椭圆应力拱"的圆心坐标、轴长和拱脚位置等形态参数,确定上覆煤层底板各区域宽度及其等效载荷,并计算下伏煤层底板巷道附加应力.研究表明,底板巷道附加应力与上覆煤层采高、煤层间距及巷道水平错距等密切相关.结合布尔台矿具体开采条件,依据围岩稳定性判据,合理确定下伏42煤开切眼与上覆22煤遗留边界煤柱的水平错距.     

全煤巷道锚杆锚索联合支护机理与效果分析

以同煤大唐塔山煤矿全煤巷道为例,采用有限差分数值计算软件FLAC 3D,对不同顶煤厚度、不同巷道布置位置、不同巷道高宽比、不同地应力大小、不同锚杆锚索预紧力等情况下巷道围岩受力与变形特征进行了研究。结果表明：顶煤厚度在10 m以内时,随着顶煤厚度增加,应力集中区范围扩大,应力值降低;巷道掘进与相邻工作面回采后在煤柱中形成的应力集中区呈近似“三角形”的分布特征;相同巷道高度下,随着巷道宽度增加,顶煤应力集中程度增加,底板岩体中应力值却降低;煤岩体强度越高,围岩应力值越大;锚杆锚索联合支护时,锚杆与锚索施加的预紧力应在锚固结构中形成相互连接、相互叠加的压应力区。井下试验表明,强力锚杆与锚索联合支护有效控制了巷道围岩变形,为全煤巷道提供了有效的支护手段。     

深部近距离煤层群采动力学行为探索

我国深部近距离煤层群赋存开采比重大,采动力学机理不清,导致开采效率低,安全事故频发。深部煤岩体所表现出的物理力学特性及变形破坏特征较浅部有着本质差异,尤其在深部近距离煤层群开采条件下,临近工作面扰动影响将导致更加复杂的采动应力重分布过程。针对深部近距离煤层群采动影响下巷道围岩控制难题,依托平煤十二矿己_(14)和己_(15)深部近距离煤层群工程实践,在己_(15)-31030工作面进风巷内开展了巷道收敛变形、锚索应力现场原位监测试验,理论计算了近距离煤层群底板破坏范围并推导得出了巷道围岩变形速度公式,初步揭示了深部近距离煤层群采动力学行为。研究表明:己_(14)煤层底板破坏深度理论值约21.24～30.88 m,上覆煤层采动影响导致本煤层采场边界改变,巷道顶底板及左右帮收敛量约400 mm,巷道收敛变形量随采煤工作面推进呈现阶梯式缓慢增长与指数式快速增长两阶段模式,其中指数式快速增长阶段为巷道变形的主要阶段;锚索应力随采煤工作面推进呈现"近线性增长—跃阶式降低"两阶段演化模式,顶板锚索应力平均变化率、峰值应力均显著高于巷帮相应参数,巷道顶板采动效应较巷帮更为明显;锚索应力峰值点滞后最大收敛变形位置约40 m,采动影响时效相比单一煤层开采大幅延长约35 m,采动应力变化率及其峰值分别降低约53.5%,24.5%,己_(15)煤层采动影响范围约105 m;巷道围岩变形速率与距采煤工作面距离呈现反比例函数关系,在此基础上,进一步推导得出深部近距离煤层群距采煤工作面不同距离处围岩变形速度预测公式,并对比现场原位监测数据验证了该公式的合理性。研究成果可为同类深部近距离煤层群的巷道围岩变形速度预测、巷道支护及采矿技术优化等工程问题提供参考。     

上覆煤层开采围岩变形规律研究

为了研究上覆煤层开采围岩变形规律,确保下伏煤层的安全开采,采用FLAC^3D数值模拟软件,研究了上覆煤层开采过程中煤岩体的垂直应力变化情况、煤层顶板垂直应力与工作面推进距离关系以及上覆煤层开采围岩变形特征。研究得出,随着上覆煤层的不断推进,工作面下伏煤层支撑应力呈“M”型分布;随着工作面的不断推进,下伏煤层应力形成应力恢复区、膨胀变形区和压缩区3个区。     

急倾斜特厚煤层水平分段开采煤岩应力演化规律数值模拟研究

急倾斜特厚煤层赋存条件非常特殊,为揭示急倾斜特厚煤层开采过程中灾害的致灾机理,基于COMSOL Multiphysics数值模拟软件对乌东煤矿45#急倾斜特厚煤层水平分段开采条件下,岩体及煤体的应力演化规律进行数值模拟研究,研究结果表明：煤层顶板附近的岩层应力较大,靠近煤层底板处的岩层应力变化不大|覆岩局部区域内产生了应力集中现象|工作面煤体的应力集中多分布在靠近顶板处的煤体,而靠近底板处的煤体其应力集中程度较顶板小|工作面煤体的轴向应力的分布分为塑性区、弹性区和原岩应力区三个区,工作面煤体沿走向方向上的侧向应力随距离工作面的距离增加而减小。     

急倾斜煤层坚硬底板应力分布特征和岩移控制

 为了研究急倾斜煤层充填开采底板岩层移动的控制效果,基于龙湖煤矿南二采区急倾斜煤层的赋存条件,采用离散元UDEC数值计算,分析了急倾斜煤层采空区不充填和充填开采不同方式下底板岩层移动和应力分布特征。结果表明：急倾斜煤层开采底板岩层应力卸载区、应力降低区和支承压力区均呈非对称抛物线拱型分布;急倾斜煤层开采应力卸载角和卸载拱拱高均随煤层采厚的增加呈增大趋势;急倾斜煤层充填开采可以有效降低底板岩层卸载区、支承压力区范围和减小底板岩移,有利于急倾斜煤层采场围岩的稳定。     

急倾斜煤层深部煤岩动力失稳原因分析

为揭示大洪沟煤矿急倾斜特厚煤层发生动力失稳现象的原因,基于采掘布局特点对其进行理论分析和岩石力学试验,分析得出诱发急倾斜煤层深部煤岩体动力失稳的原因有:开采深度、顶底板夹持作用、顶底板破断、煤岩物理力学性质、应力集中。结果表明:底板的撬动作用是工作面煤层失稳的动力来源,该煤层具备发生动力失稳的条件,B3+6煤层工作面相向采掘导致掘进工作面与采煤工作面超前压力叠加,应力集中较为严重。应对该煤层及顶底板实施爆破卸压与注水弱化,来释放积聚在煤岩体中的弹性势能,并优化采掘布置。     

急倾斜煤层矸石充填采场围岩运移规律数值模拟分析

急倾斜煤层矸石充填开采可以有效的抑制煤层及顶底板动力现象，有利于提高“支架-围岩”系统稳定性。在对急倾斜煤层矸石充填开采围岩移动变形的影响因素分析的基础上，运用UDEC数值模拟软件，对不同煤层倾角、埋深、充填率和充填体强度条件下，围岩的运移规律进行了研究。研究表明：随着煤层倾角的增加，顶板变形量和扰动范围减小，而底板移动变形逐渐增加|埋深越深，围岩的应力集中程度和最大下沉值越高|随着充填率和充填体强度的增加，采场围岩的移动变形量减少，稳定性增强。该研究可以为急倾斜煤层安全高效开采提供借鉴。     

Influence of mining thickness to the mechanical characteristics of gateways at FMTC faces

To make a better understanding of the mechanical characteristics of the surrounding rocks in the tailentry and headentry with different coal seam thickness at fully mechanized top-coal caving face (FMTC face), the stress transition and displacement around the periphery of the gateways with different coal thicknesses were investigated in details by means of in situ measurement and 3-D numerical simulation. The research shows that the stresses decrease in the two spallings of the headentry and floor at goaf with the increase in mining thickness. The roof pressure in the gates does not change obviously with the coal thickness, but the thicker the coal seam is, the farther the maximum stress will apply to the coal rib at the working face. The vertical stress is higher than the horizontal stress at two spallings of the gate, while its horizontal stress is higher than the vertical stress at the roof. The relative displacement between the roof and floor and the two spallings in the gateways increases gradually with the increase in coal seam thickness in a definite range in front of the face. Near the mining face, the stress decreases in the surrounding rock of the gates, while the deformation appears the most intensive. It is proposed that the support concept to the tailentry and headentry should be changed from loading control to deformation control. Supported by National Natural Science Foundation(50674003); National Science and Technology Supporting Program Key Item(Eleventh Five Year Program) (2006BAK03B06); National Basic Research Program (973 Program)(2005cb221503)     

急倾斜煤层大段高综放开采围岩变形监测研究

为研究急倾斜煤层大段高综放开采条件下围岩变形破坏的规律,对新疆碱沟煤矿+564m水平22m大段高工作面回采巷道、顶底板及顶煤体进行了围岩变形量监测。监测表明:工作面前方20m范围内,回采巷道顶底板变形量明显大于两帮变形量,但均在可控范围内;不同层位顶煤体完全垮落时距煤壁距离不同,从而保证支架在走向方向上承受上方顶煤体完全破坏后的部分压力;顶底板岩层的垮落区域均位于煤壁较后方采空区内,避免了工作面区域围岩大范围垮落的影响。研究为大段高开采条件下工作面的安全高效生产提供了基础依据,并为进一步提高工作面分段高度作了有益的尝试。     

特厚煤层采动底板变形破坏的数值模拟与实测对比

根据兖州某矿工作面煤层顶、底板岩层组合及结构性质特点,建立反映完整底板岩层组合的工程地质模型,通过FLAC3D数值模拟分析了煤层开采过程中底板应力及塑性区分布特征,得到了采动煤层底板变形破坏的深度。最后,结合现场该面煤层底板随不同深度钻孔内超声成像观测的变化规律,综合对比分析得出该面煤层底板破坏深度约为12 m。