基于分布式光纤的覆岩变形动态监测

根据覆岩结构特征与监测要求,利用定点光缆、GFRP光缆与钢绞线光缆对煤层开采前-中-后全过程中覆岩的变形破坏进行了监测。结果表明:工作面推进至钻孔前80~100m处,钻孔内高位岩层开始发生剪切应变。在推进至钻孔位置后,上覆岩层发生明显破断,导水裂缝带高度增大,在推过钻孔40m左右,钻孔处的导水裂缝带发育到最大高度。钻孔处的导水裂缝带最大发育高度为133.45m,裂采比为25.18。     

煤层开采后覆岩破坏规律研究新方法

电阻率法动态监测技术是研究煤层开采后覆岩破坏规律的一种新方法 ,该方法通过在采煤工作面覆岩中预埋入电极传感器,动态、连续的观测工作面回采前后上覆煤岩体电阻率及供电电流,根据电阻率及供电电流的变化情况分析工作面煤层开采后顶板岩层破坏的形态,查明工作面开采后覆岩"两带"发育的动态变化规律,得到煤层采后顶板"垮落带"和"导水裂缝带"的发育高度。     

深厚煤层开采底板变形特征的光纤监测研究

煤层工作面采动会引起采场底板应力场重新分布,发生煤岩体的变形与破坏,准确掌握其时空发育特征对底板突水预测具有十分重要的意义。为了探究大埋深特厚煤层开采底板岩层裂隙场的发育规律,依托准格尔煤田某矿开采工作面,采用井孔光纤应变测试技术开展室内岩石压裂测试并实施底板监测,获得了大采高底板下不同深度岩层随工作面推进的应变变化曲线及特征。结果表明:光纤监测技术可有效捕捉深部煤炭开采底板岩层破坏特征,特别反映出在垂向分布上通过应变与岩层对应关系可得到底板裂隙场发育具有一定的分层性,其分布主要受地层结构影响,并且破坏优先发生于软弱岩层和软、硬岩层交界面附近。且通过1#、2#钻孔应变特征综合分析61101工作面受采动影响底板最大裂隙发育深度为21.5 m。     

基于FLAC~(3D)的煤层开采覆岩破坏特征研究

本文分析了祁东煤矿7131工作面工程地质特征,建立工作面的三维地质模型;根据工作面实测岩体力学参数及实际边界条件,利用FLAC3D软件对煤层开采引起的上覆岩体运移变形破坏特征进行了数值模拟;通过分析由此引起的塑性破坏、应力场变化、位移场量级变化,讨论了工作面上覆岩体的"两带"发育范围、破坏形式及变形特征。     

煤矿采场上覆围岩变形特征分析

以四川攀枝花茶叶树煤矿的地质条件为依托，针对茶叶树煤矿35号煤层采场上覆岩层的活动规律进行了研究，通过理论计算和现场检测，分析了煤层开采后上覆岩层移动规律、破坏特点及上覆岩层垮落范围，介绍了覆岩“三带”的大概范围，为深入认识煤矿采场覆岩变形特征提供了指导。     

厚松散层下三软煤层开采覆岩导水裂隙发育规律

为掌握厚松散层下三软煤层开采覆岩运移及导水裂隙发育规律,以澄合矿区为背景,采用物理相似材料模拟实验,综合运用全站仪监测、高清钻孔电视监测、3DEC离散元数值模拟软件以及SPSS专业统计分析软件相结合的研究方法,同时引入开采损害理论,研究该条件下覆岩运移规律、裂隙发育演化及导水裂隙带分布特征。结果表明:覆岩运移呈现非对称性,最大下沉值处于采空区中央偏开切眼侧,松散层运移范围大于基岩顶部岩层,整体呈现出"类双曲线"状。理论公式推导得出基岩破断角较小,为56°～58°。垮落带高度13.75 m,垮采比3.06,导水裂隙带高度75m,裂采比16.67;裂隙发育数量自地表而下逐渐增多且在导水裂隙带区域突然增多,裂隙发育主要受到北偏东33°方向上采动应力场控制,导水裂隙带发育演化呈现出"缓慢发育→逐级渐进升高→大幅突然升高→周期小幅升高→稳定发育"五个阶段;通过3DEC数值模拟得出,导水裂隙带高度与松散层厚度成指数函数关系,与采高成线性关系,与埋深和工作面斜长成对数函数关系。运用SPSS专业统计分析软件,基于多元非线性回归理论拟合出导水裂隙带高度预测经验公式。通过对比计算结果,验证了回归经验方程在预测导水裂隙带高度时的合理性;由于K_5砂岩含水层单位涌水量较大且距煤层较近,对工作面开采过程中覆岩裂隙导水影响较大,为避免煤层的开采受到覆岩K_5砂岩含水层的影响,根据所得预测经验公式,煤层的最大采高应不超过3.8 m。该研究对相似地质条件下煤矿保水开采等具有重要的参考价值。     

钻孔回填料与直埋式应变传感光缆耦合性研究

钻孔回填料与直埋式应变传感光缆之间的耦合性,是决定分布式光纤感测(DFOS)技术能否利用一个钻孔精细化监测钻孔地层剖面变形分布的关键。利用自主研制的可控围压光缆–土体相互作用特性试验装置,探究了0～1.6MPa围压下传感光缆与松填砂土以及击实砂–黏混合土之间的耦合性。试验与理论分析结果表明:在拉拔状态下,光缆–土体界面呈现渐进性破坏特征;在低围压下,光缆轴向应变随拉拔位移的增大而增大,且不断向光缆尾部传递;在高围压下,应变的扩展与传递被限制在很小的范围内;理想弹–塑性拉拔模型可较好地描述光缆–土体界面的渐进性破坏特性。提出采用光缆–土体耦合系数ζc–s定量描述光缆与土体之间的耦合性,将10000??下的ζc–s值作为评价长期监测条件下两者耦合性的指标,并根据0.5,0.75,0.9三个ζc–s值将两者的耦合性分为强、较强、较弱以及弱4类。一定围压下,光缆与土体具有强耦合性;对于松填砂土与击实砂–黏混合土,该临界围压值分别为0.55 MPa与0.17 MPa。以苏州盛泽地面沉降为例,分析了钻孔回填料与传感光缆之间的耦合性,结果表明:距地表约16 m深度以内两者具有较强耦合性;而约16m深度以下两者具有强耦合性,传感光缆的应变数据可准确反映地层的变形。这一研究成果为DFOS技术应用于钻孔剖面地面沉降监测提供了坚实的理论依据。     

离层注浆条件下覆岩变形破坏特征的连续探测

覆岩破坏的发育高度及其分布形态是合理确定开采边界及留设防水煤岩柱的基础。为了探讨覆岩离层注浆条件对导水裂隙带形态的影响,采用前端泄露式多回路注(放)水系统,应用井下仰孔分段注水法对东滩煤矿14308工作面覆岩离层带实施注浆充填条件下综采放顶煤导水裂隙带的破坏特征进行了连续探测。探测结果表明:厚煤层综采放顶煤条件下覆岩离层带注浆时的覆岩采动导水裂隙带高度略高于正常条件下的覆岩采动导水裂隙带高度,走向方向的采动导水裂隙带高度低于倾向方向的采动导水裂隙带高度;离层带注浆时的覆岩破坏形态和范围向工作面外侧突出较大。     

基于BOTDA技术感测的大倾角煤层顶板活动规律研究

以大倾角煤层开采为研究背景,运用工程规律总结、理论分析、力学建模及物理相似模拟试验等研究方法,将BOTDA(基于布里渊散射的分布式光纤传感)与DIC(三维光学数字散斑)技术相结合,分析大倾角煤层开采顶板破坏规律及应力演化特征。研究表明:大倾角煤层原岩应力分布中部最大、下部次之、上部最小,中上部顶板弯矩及剪力大于下部,矸石堆积密度由下往上逐渐降低,中上部顶板活动剧烈,下部较稳定;光纤可感知岩体内部微弱变形,检测应变从单调递增发展为递减的临界时刻即为顶板垮落,垮落前瞬间应变达到极值,应力释放至最小值时达到稳定;BOTDA与DIC技术均可检测顶板离层发育、闭合过程,BOTDA表现为应变值阶跃突变,DIC表现为离层位置形成应变局部化突变带;中上部基本顶内部应变远大于下部,应变峰值出现在中部偏上位置,全站仪与DIC监测同层位岩体位移亦表现此规律。表明大倾角煤层开采顶板变形具有非对称性,中上部变形程度大于下部。研究成果对于将光纤传感、数字摄影测量等先进技术用于岩土体结构变形破坏监测具有借鉴意义。     

近距离煤层群下行开采覆岩运移特征试验分析

为研究近距离煤层群多次开采对覆岩运移的影响,根据潘二煤矿近距离煤层群(8、7、6、5煤)地质和开采技术条件,采用相似材料模拟试验开展了下行开采覆岩运移特征研究。分析得出了多次开采覆岩变形、破坏及运移规律,近距离煤层群多次开采与单一煤层开采形成的覆岩宏观运移形态和特征相似。随着开采次数增多,覆岩下沉系数呈线性递减。多次开采覆岩变形、破坏至连通的时间和空间位置关系与开采厚度、开采次数、层间距及层间岩性等因素密切相关。研究表明,覆岩运移的多次演化叠加不仅是影响顶板来压和控制、瓦斯抽采布置和效果的关键因素,也是采动应力演化致灾的主导因素。     

Experimental study on the deformation and failure mechanism of overburden rock during coal mining using a comprehensive intelligent sensing method

Understanding the spatiotemporal evolution of overburden deformation during coal mining is still a challenge in engineering practice due to the limitation of monitoring techniques. Taking the Yangliu Coal Mine as an example, a similarity model test was designed and conducted to investigate the deformation and failure mechanism of overlying rocks in this study. Distributed fiber optic sensing (DFOS), high-density electrical resistivity tomography (HD-ERT) and close-range photogrammetry (CRP) technologies were used in the test for comprehensive analyses. The combined use of the three methods facilitates the investigation of the spatiotemporal evolution characteristics of overburden deformation, showing that the mining-induced deformation of overburden strata was a dynamic evolution process. This process was accompanied by the formation, propagation, closure and redevelopment of separation cracks. Moreover, the key rock stratum with high strength and high-quality lithology played a crucial role in the whole process of overburden deformation. There were generally three failure modes of overburden rock layers, including bending and tension, overall shearing, and shearing and sliding. Shear failure often leads to overburden falling off in blocks, which poses a serious threat to mining safety. Therefore, real-time and accurate monitoring of overburden deformation is of great significance for the safe mining of underground coal seams.     

The characteristics of deformation and failure of coal seam floor due to mining in Xinmi coal field in China

Deformation and failure of a “three-weak” (weak roof, thick weak coal, and weak floor) coal seam floor subject to mining are studied in this paper. Firstly, by using a group of strain sensors buried at different floor depths, we measured the relationships of the axial strain to the distance from the advancing face field. The floor depths and stratum positions, and as well as the peak width, which is the distance of the first maximum strain increment to the working face, were drawn. The axial stress and its zone of influence, which is the distance from the face to the borehole along the roadway, and at which there is obvious strain increment difference, were also drawn. Secondly, we established an analytical mechanical model and found the analytical solution of the floor’s supporting pressure distribution ahead of the face. And thirdly, we set up a numerical simulation engineering geological model and simulated stress distribution and deformation characteristics of the floor with complex multi-stratum (11 strata) structure. The results from the three approaches showed that: (1) the failure depth (<10.0 m) and zone of influence (up to 36.0 m) induced by mining ahead of the three-weak seam face were much smaller than those common seam faces; (2) the axial strain fluctuated greater than the radial one, with its max peak keeping at about 8.0 m ahead of the advancing face, and its zone of influence spreading to 36.0 m; (3) the peak width of axial strain and its zone of influence in the haulage roadway were stronger than those in the ventilation roadway; and (4) the three weak coal seam played a strong buffering action against deformation and failure due to mining. This research may be of interest to assist with improving strata control and health and safety in operating coal mines.     

采动覆岩涌水溃砂灾害模拟试验系统研制与应用

 为研究煤层开采过程中覆岩涌水溃砂灾害的演化特征,研制采动覆岩涌水溃砂灾害模拟试验系统。该系统由主体承载支架、试验舱、承压水仓、模拟采煤装置、储能罐、水压水量双控伺服系统和位移应力双控伺服系统组成,具有模拟空间大、可视度优、密封性好、加载方式多样、数据精度高等特点。以西部地区煤炭赋存地层为工程背景,利用研制的低强度非亲水相似材料对煤系地层进行模拟铺设,并对其进行模拟开采,较好地再现了覆岩涌水溃砂灾害孕育、发展及发生的全过程,获得工作面开采过程中覆岩变形破坏、裂隙发育扩展、水砂通道形成及水砂突涌参数和特征。试验结果表明该试验系统稳定可靠,研究方法及结果对进一步认识采煤工作面涌水溃砂灾害的形成机制具有指导和借鉴意义。     

双系煤层孤岛结构对工作面矿压显现影响研究

为了确定大同矿区侏罗系煤层群开采形成的孤岛覆岩结构对石炭二叠系工作面开采矿压显现的影响,以同忻矿8104、8106工作面为研究对象,通过理论分析确定侏罗系煤层群开采孤岛覆岩结构的形成条件,构建FLAC^3D数值模型,分析孤岛覆岩结构对石炭系煤层应力控制及矿压显现特征,并结合微震监测数据进行了合理验证。研究表明:当侏罗系煤层遗留煤柱宽度≥22.3 m时可形成孤岛覆岩结构,煤柱宽度为80 m时,孤岛覆岩结构对石炭系煤层工作面影响达到峰值;数值模拟说明8106工作面及5105巷道受到孤岛覆岩结构影响,其矿压显现强度及范围明显增大,围岩应力最大增至40 MPa;微震监测显示8104工作面推进孤岛覆岩结构过程中,个别微震事件能量级别达到了10⁶ J,具备了诱发冲击地压发生能量条件。     

复合顶板高瓦斯厚煤层综放工作面覆岩“两带”动态发育特征

以余吾煤业为试验矿井,采用钻孔两端封堵分段注水装置和钻孔电视系统,探测综放开采上覆岩层"两带"高度,对采动前后裂隙倾角、数量与深度关系、数量与宽度关系进行数字化分析,并就采动过程裂隙演变情况进行相似模型与数值模拟试验。结果表明:余吾煤业综放开采冒落带高度为27～32 m,裂隙带高度为58～61 m,采动前裂隙以高角度、低宽度为主;随着采煤工作面的逐步推进裂隙数量呈直线上升,且增加的裂隙以小角度、中宽度为主;采动过程中裂隙的主要聚集区在煤壁前后,覆岩裂隙密度分布曲线呈两端和中间高,如"波浪"型。     

辛置煤矿间歇开采岩移机理及沉陷规律研究

为了研究巨厚黄土层下间歇开采岩移机理及地表沉陷规律,基于辛置煤矿的地质采矿条件,对条带开采煤柱的稳定性进行了理论分析,得到了倾斜煤层煤柱稳定性的判别函数;采用UDEC数值分析方法反演了百亩沟村庄下前期条带开采覆岩及地表沉陷特征,揭示了岩层移动的机理,获取了研究区域主断面的地表沉陷值。隔离煤柱回收后,依据现场实测数据,分析了间歇开采地表动态和静态地表沉陷特征,求取了地表移动角值参数和概率积分预计参数。研究结果表明,前期条带开采煤柱能够形成稳定的核区,煤柱安全系数为2.34,关键层不破断,地表最大下沉217 mm,最大水平拉伸变形为0.41 mm/m,小于窑洞的Ⅰ级抗拉伸水平变形的临界值。间隔煤柱回采后,地表移动初始期和活跃期偏短累计219 d,最大下沉点下沉量与下沉时间服从负指数函数关系;地表终态最大下沉1 537 mm,水平拉伸变形为3.98 mm/m,地表建(构)筑物所受的采动损坏程度超过了Ⅱ级。间歇开采后地表沉陷下沉系数为0.74,开采影响传播角系数为0.6。     

我国煤矿巷道围岩控制技术发展70年及展望

总结新中国成立70年来,我国煤矿巷道围岩控制领域取得的主要研究成果,涉及巷道围岩地质力学特性,围岩变形、破坏特征与机制,围岩控制理论及技术。介绍煤系沉积岩地层强度、煤岩体结构特征及煤矿井下地应力分布规律,采煤引起的采动应力场分布特征及对采动巷道围岩稳定性的影响。指出煤矿巷道围岩变形具有分阶段性、流变性和冲击性,巷道围岩破坏有煤岩破坏、结构面破坏及围岩结构失稳破坏3种模式,软岩、强采动、大变形是我国煤矿巷道围岩控制的主要特点。论述5类巷道围岩控制方法与原理:控制围岩松动载荷、控制围岩变形、在围岩中形成承载结构、围岩改性及围岩卸压。阐述巷道围岩在掘进全过程的控制原理,重点介绍预应力锚杆支护理论及支护应力场的概念。将巷道围岩控制技术分为5类:表面支护、锚固、改性、卸压及联合控制技术,介绍金属支架、锚杆与锚索、注浆加固、水力压裂卸压及联合控制技术的发展历程和应用情况。最后,分析煤矿巷道围岩控制中存在的问题,并展望未来技术发展趋势。     

岩石的风化损伤属性与缩小防护煤柱开采机制研究

以大量试验数据、现场测试资料和大规模缩小防护煤柱开采工程实践为依据,研究隐伏煤田基岩风化带的分布特点。结果表明:岩石风化损伤后具有强度降低,塑变能力增强;多趋泥化,裂隙易于弥合,再生隔水能力显著增强,亲水能力强等变异特征以及工程地质特性。重点论述风化带内煤层开采具有移动快、变形大、回缩快和下沉大等覆岩破坏移动演化新特征,获得以泥质岩类为主的风化带岩层受开采扰动的影响,具有阻隔底含水下渗和抑制导水裂隙带继续发展的双重作用和煤岩柱厚度与风化程度是影响导水裂隙带发育高度的主导因素等新的认识。同时,阐述了缩小防护煤柱开采的机制,系统地提出了采空区滞后控水、煤水分流、加大开采高度、物探预测和地质弱面预先加固等一系列确保安全的关键技术保障措施。对类似矿井浅部资源的回收与安全开采具有理论意义和应用价值。     

覆岩主关键层运动对地表沉陷影响的 钻孔原位测试研究

 通过神东矿区补连塔煤矿31401工作面内部岩移的地面钻孔原位观测与地表沉陷观测的对比研究,就覆岩主关键层运动对地表沉陷的影响进行实测研究。研究结果表明：厚47.01 m的粉砂岩主关键层控制了上覆基岩直至地表的移动变形,上覆岩层的运动随主关键层破断出现周期性跳跃变化;受主关键层的控制作用,地表沉陷测站观测时间间隔长短显著影响了测点的下沉速度曲线,观测时间间隔越短,其对应的下沉速度曲线呈现的周期跳跃性变化越强;观测时间间隔越长,其对应的下沉速度曲线更为均化。因此,在浅埋煤层开采中,为了准确反映地表下沉的动态过程,应该缩短观测时间间隔,才能正确掌握采动覆岩内部移动与地表沉陷的内在联系,推动开采沉陷预计的发展。     

大倾角煤层旋采巷道围岩破坏机理与支护技术

为解决大倾角煤层旋采巷道围岩变形控制难题,以潘北矿12124大倾角煤层回采巷道为工程背景,采用现场试验、理论分析与数值模拟相结合的方法,研究了旋采巷道破坏规律及上采空区支承压力对巷道的影响,分析得出大倾角煤层旋采巷道围岩破坏机理。结果表明:(1)旋采巷道拐点处断面较大,且受到上采空区及超前支承压力影响,巷道应力值增大,支护体压缩破坏失稳;(2)旋采至拐点前10 m处采空区煤柱应力与采动应力贯通,同时大倾角下巷道受到上覆岩层剪切应力影响,巷道变形增大。通过分析及工程实践,提出并实施了巷道卧底扩刷、锚网索联合支护方式,有效控制巷道变形,取得较好的社会效益。