综放开采下厚表土层移动规律研究

为研究厚表土层在综放开采条件下的移动规律,在长治矿区高河矿W1303工作面建立了地表岩移测站。通过对实测数据的分析得出了最大下沉点位于采空区上部Z29,Z30,Z32测点,并得出了一系列上覆岩层的移动角参数。通过理论分析,得出在综放开采条件下上覆岩层的移动变形表现形式分为前期和后期两种。同时得出影响上覆岩层移动的主要因素有上覆岩层岩性、关键层的位置及作用、开采尺寸、工作面推进速度及顶板管理情况等。并结合FLAC3D数值模拟软件分别模拟了表土层厚度为140、190、240 m在回采过程中的地表移动规律,得出了表土层厚度为190 m与实际地表层厚度为189.43 m的移动规律相符。因此针对厚表土层在综放开采条件下的岩层移动规律的研究可为长治矿区矿井建设提供一定的参考价值。     

大采深综放开采覆岩移动规律离散元数值模拟研究

为研究大采深综放开采条件下地表移动变形过程中上覆岩层的演化机理,在分析陈家沟煤矿八采区8512,8513综放工作面地表移动观测数据的基础上,确定了覆岩关键层特征参数及其控制作用,并应用3DEC离散元数值模拟软件,模拟同等开采条件下,多工作面开采后覆岩移动变形特征。通过方差与回归分析法分析模拟数据与实测数据的置信度为0.95,保证了模拟参数的科学性与合理性。模拟结果表明:工作面宽深比为0.24时,关键层2以下的岩层均断裂破坏,关键层2起着控制覆岩沉陷的作用,关键层2以上岩层在移动过程中还会出现离层结构,到达地表的沉陷量小于关键层2的挠曲量;工作面宽深比为0.48时,关键层2底部破断、结构失稳,会产生下沉突变;工作面宽深比为0.72时,关键层2完全破断,但由于关键层2上覆厚泥岩的作用,抑制导水裂缝带的发育,发育高度基本趋于稳定,高度为196 m,裂采比为16.3;工作面宽深比为0.96时,覆岩关键层2与其下伏岩层之间的离层闭合,关键层2的铰接结构范围在横向扩展的同时也伴随着整体下沉,关键层2下伏岩层破断后持续密实到一定程度之后,就不再继续下沉,只是随着开采范围扩大,下沉盆地横向发育,此时地表基本达到充分采动状态。此成果能够为该矿"三下开采"评价提供理论依据,为后期开采提供科学性指导,为大采深综放开采条件下地表移动变形规律提供理论参考。     

厚煤层综放开采工作面地表岩移实测分析

随工作面向前推进,采空区范围逐渐增大,上覆岩层因失去支撑而垮落下沉,沉降逐层传递,直至地表造成岩层移动。为研究掌握厚煤层综放开采条件下的地表岩移规律,本文以小峪煤矿8202工作面为例,结合理论、实测等方式,对厚煤层综放工作面上方地表岩层移动进行实测分析,为厚煤层采动影响下的地表沉陷控制提供数据支撑。     

厚黄土区综放开采地表移动变形观测与数值模拟研究

文中以地表实测资料为基础,探讨了常村煤矿厚黄土层综放开采条件下地表沉陷变形特征,获得了概率积分法岩移预计参数和岩移角值,并结合数值模拟手段,分析了该地质采矿条件下岩层与地表移动变形机理,揭示了常村矿厚黄土层综放开采条件下地表沉陷变形规律。     

厚黄土下综放高强度开采地表沉陷与覆岩破坏实测

为研究厚黄土下厚煤层综放开采地表沉陷和覆岩破坏规律,通过在工作面地表建立岩移观测站和地面钻孔水文勘探,进行了地表沉陷变形实测和覆岩破坏高度钻探测定。总结研究地表岩移观测站实测资料和覆岩破坏探测钻孔水文观测资料,得出厚黄土综放高强度条件下地表沉陷剧烈,曲线较陡,在下沉盆地边缘沉陷变形曲线收敛较慢,最大下沉速度偏大,采动影响范围偏远;覆岩破坏探测结果显示综放覆岩破坏异常发育,导水裂缝带高度与综放采厚近似成正比,裂高采厚比例系数平均为19.75。研究成果为黄土区综放地表开采损害防治和水体下采煤及顶板水害防治提供技术支撑。     

兖州矿区综放开采地表沉陷规律

为了研究综放开采地沉陷规律,根据兖州矿区建立的综放开采地表移动变形观测站和上覆岩层内部移动变形实测数据,在综合分析研究的基础上,获取了综放开采地表移动盆地特征及角值参数、地表动态移动规律及参数,揭示了综放开采地表动态变形规律和冲积层内部移动变形规律,建立了各种沉陷参数与地质采矿条件之间的变化关系式和开采沉陷概率积分预测参数体系。     

保德煤矿冲沟地形下综放开采地表沉陷规律研究

针对保德煤矿综放开采易导致冲沟地形坡体裂缝异常发育甚至滑坡的现象，本文采用现场实测及数值模拟方法，研究了冲沟地形下高强度开采地表沉陷规律。研究结果表明：实测保德煤矿81306综放工作面采后的地表最大下沉量为3 158 mm,下沉系数为0.53,采动影响范围190 m,计算得出基岩裂缝角为83°,移动角为78°,边界角为68°,其开采扰动影响程度及范围比传统条件有明显增大。模拟研究发现，当冲沟地形处于开采边界的正上方时，其引起的开采沉陷会异常增大，主要原因是井下采动导致上覆沟谷坡体出现一定的滑动现象。基于此，本文针对性地提出了塌陷裂缝的治理措施，研究结果为冲沟地形建筑物下开采边界的合理选择及类似条件下的沉陷控制提供借鉴。     

厚黄土区大采高一次采全高地表移动变形规律

厚松散层下大采高一次采全高工作面开采强度大,回采率高,地表沉陷变形和岩移参数有其自身特点和规律。为研究大采高工作面地表移动变形规律,在王庄煤矿8101工作面上方设置了地表移动观测站。通过对观测资料的分析研究,揭示了厚黄土覆盖区、厚煤层一次采全高条件下地表沉陷变形特征,获得了该地质采矿条件下地表岩移预计参数和各种角值参数,分析了地表裂缝的发育、分布特征、裂缝宽度和深度等规律。与综放开采条件下的观测成果相比,大采高一次采全高工作面地表移动变形更加剧烈,沉陷过程在空间上和时间上更加集中,对地面建构筑物的影响更为显著。     

公路下开采工作面长度对上覆岩层的影响

以某矿1302工作面为研究对象,采用FLAC3D模拟软件对上覆岩层移动变形规律进行数值模拟研究,分析了该条件下不同工作面长度对上覆岩层移动变形的影响。研究结果表明,随着工作面长度的增加,当上覆岩层平衡拱达到极限平衡状态后,上覆岩层出现垮落,地表下沉量和影响范围也随之增大。该结论可为公路下开采工作面的布置提供理论参考。     

山区地形条件薄基岩开采岩层移动数值模拟研究

在地表坡度20°、厚黄土层、薄基岩条件下、以月推进速度为时空尺度作为研究对象,研究厚黄土层薄基岩条件下山区地形开采岩层及地表移动变形的动态变化规律。指出了在该条件下,岩层及地表移动变形剧烈,易形成非连续变形(裂缝和台阶)集中区域,且将形成贯通于工作面的导水裂隙带,对雨季开采造成了严重的安全隐患。     

综采工作面上覆岩层运动特征试验研究

采用钻孔深基点现场实测法对综采工作面上覆岩层运动特征进行试验研究,以中岭煤矿综采工作面为例进行数据实测。通过对实测结果进行位移分析和速度分析,得出试验研究矿井综采工作面采动后上覆岩层总体呈阶段性非均匀下沉的运动形式;内部岩层断裂落差不大,地表未出现明显的大落差断裂;上覆岩层的绝对位移量由地表至煤层顶板逐渐增大,地表初始位移产生在工作面前方,内部岩体初始位移出现在工作面后方,并且移动速度呈非均匀的阶段分布特征;上覆岩层在采动后产生了明显永久性离层,离层厚度总量与综采工作面平均采高相比约为采高的0.36倍。     

杭来湾矿近浅埋煤层开采覆岩移动规律研究

通过相似物理模型实验对30101首采工作面开采时的覆岩移动规律进行研究,得出了杭来湾矿近浅埋工作面开采时的覆岩结构特征、关键层破断规律及关键层和地表移动规律,为具有相同地质条件煤层的安全开采及覆岩移动规律研究提供参考。     

岩层移动内外“类双曲线”整体模型研究

岩层移动主要关注工作面上覆部分岩层移动规律,开采地表沉降则关注地面的沉降问题,这2个研究方向都涉及到开采后上覆岩层到地表土层的整体移动行为,可以建立一种能够描述覆岩移动到地表沉降的岩层整体移动模型。通过理论与试验分析得到了岩梁梯形块体结构的初次破断与周期破断形态,建立了岩层梯形“倒漏斗式”冒落拱与裂隙拱的冒落条件与判定方法。基于岩层破断移动边界“类双曲线”模型,提出了采用内外“类双曲线”模型来描述岩层移动与地表沉降规律。内“类双曲线”模型指的是覆岩冒落拱与地表沉降移动拱“类双曲线”模型,在关键层近似“上下”对称;外“类双曲线”模型指的是岩层破断移动边界“类双曲线”模型,在工作面的中垂线附近近似“左右”对称。内“类双曲线”隐含在覆岩内部,可通过地球物理探测方法近似获得;外“内双曲线”体现在地表沉陷、岩层冒落等外部形态。通过理论分析、实例验证以及UDEC数值计算方法验证了厚松散层水平煤层开采条件下岩层移动与地表沉降内外“类双曲线”模型。此外,还分析了内外“类双曲线”共轭形成条件、影响因素与整体运移规律。结果表明:在厚松散层水平煤层开采条件下,建立岩层移动与地表沉降内外“类双曲线”模型理论预测值与实际值误差较小,表明岩层整体移动存在“类双曲线”特征。     

大柳塔煤矿多煤层开采覆岩变形破坏模拟研究

针对大柳塔煤矿远距离多煤层开采冒裂带发育及采动影响问题,通过相似模拟和数值模拟计算,系统研究了2个主采煤层开采过程中覆岩垮落、裂隙发育及地表沉陷规律。研究结果表明：浅部2-2煤覆岩主关键层破断后,顶板基岩会发生直达地表的整体切落现象,5-2煤一次采全高长壁开采冒裂带连通上部采空区,形成工作面涌水的导水通道;重复采动岩层与地表移动和变形值增大,非连续性破坏增加;采空区上覆岩体依据主应力分布可划分为双向拉应力区、拉压应力区和压应力区3个区,主应力状态对采动裂隙的形成、发育起着控制作用;采动影响与工作面几何参数密切相关,地表沉陷随着工作面斜长或采厚的降低而减小。研究成果对大柳塔及类似条件下的煤矿安全开采与设计有指导意义。     

采空区覆岩破坏变形特征研究

以成庄矿4322综采工作面为工程背景,采用分析软件RFPA 2D对该工作面采空区覆岩破坏变形特征进行了数值仿真模拟研究。结果表明:受采矿应力大小、类型及分布等差异性影响,导致不同层段覆岩垮落、裂隙发育程度及类型、裂隙发育高度不同,并在采空区覆岩自下而上依次形成“垮落带、裂隙带及下沉弯曲带”等三个特征明显的采矿破坏变形带。采空区稳定形成后,垮落带最大发育高度达24 m(约3~4倍采高),裂隙带最大高度可达56 m(约9倍采高)。     

浅部松散含水层下开采上“两带”观测与相关规律研究

针对煤层露头附近开采,对上覆岩层造成的破坏程度的问题,采用钻探、物探以及地表沉陷观测,进行了导水裂缝带发育高度和地表岩移规律研究,取得了浅部松散含水层下开采引起覆岩变形破坏及地表沉陷规律,得出了垮落带、导水裂隙带（简称上“两带”）发育高度及地表沉陷的主要参数。对煤矿浅部松散含水层下开采的水害防治工作及安全生产具有重大意义。     

厚松散层覆岩移动机理及“类双曲线”模型

现场大量工程实践表明厚松散层移动与常规基岩移动有所差异。目前岩层移动规律的研究主要侧重在两方面:一方面是采场岩层控制主要研究煤层附近顶板基岩的破断和移动规律,另一方面是地测工程主要研究地表松散层的沉降规律。将这两者有机相联,希望能更精准反映基岩和松散层的整体变形及移动规律。基于基岩初次断裂和周期断裂力学模型,获得了主拉应力的分布规律和破断迹线,揭示了基岩的倒漏斗型破断机理;结合概率积分法和剪切滑移理论分析了厚松散层的漏斗型移动机理。由此认为厚松散层覆岩的整体移动呈现"类双曲线"特征,并建立了岩层整体移动的"类双曲线"模型,可更好的预测地表沉陷范围。运用改进的采矿不连续变形分析程序MDDA模拟获得了厚松散层覆岩"类双曲线"型破断运移规律,一定程度上验证了理论模型的合理性。     

采动覆岩卸荷膨胀累积效应的影响因素

采动覆岩经历了卸荷膨胀与再压实的动态过程,将覆岩卸荷膨胀总量随卸荷高度及承受载荷不断累积而发生动态变化的现象称为采动覆岩卸荷膨胀累积效应。采动覆岩卸荷膨胀累积效应是岩层移动过程中的自然现象,对岩层移动规律具有重要影响。基于修正后的采动覆岩卸荷膨胀累积效应力学模型,以山西赵庄煤矿1311工作面内部岩层移动实测结果为基础,针对采高、采深和岩性对采动覆岩卸荷膨胀累积效应的影响开展了理论研究。结果表明：采动覆岩卸荷膨胀总量主要由垮落带和裂隙带的塑性膨胀与主关键层下部弯曲下沉带的弹性膨胀所组成,其中垮落带的塑性膨胀占比最大,弯曲下沉带的弹性膨胀占比最小。采动覆岩卸荷膨胀总量随覆岩卸荷高度的逐步增大呈现先增大到峰值后再逐步减小的过程,当覆岩主关键层破断后,弯曲下沉带的弹性膨胀量降为0,此时覆岩卸荷膨胀总量达到最小值,为覆岩残余膨胀量。采高对覆岩卸荷膨胀累积效应的影响主要体现在不同采高条件下垮落带与裂隙带高度不同。覆岩卸荷膨胀总量随采高的增大而增加,当采高由2.5 m增大至10.5 m时,卸荷膨胀总量峰值和残余碎胀量均增大3倍以上。与采高相比,采深变化一般不会改变垮落带与裂隙带高度,采深对覆岩卸荷膨...     

煤炭开采与岩层运动

采矿是从地层内获取煤炭资源的过程,是一次对矿区地层的扰动,必然引起岩层运动和地层内应力场与裂隙场的改变,从而影响矿压显现、地下水流失和地表沉陷等安全与环境问题。因此,采动岩层运动及其对安全与环境的影响规律是煤炭开采的基础科学问题,对这些规律的认识将提高煤炭开采的科学性。由于采动岩层运动的复杂性,至今仍然有很多问题没有解决。介绍了采动覆岩运动的块体结构形式、岩层运动对工作面空间维护的影响、岩层运动对覆岩裂隙演化与地下水和地表沉陷等环境问题的影响、岩层运动对采动应力场影响等方面的研究进展与存在的主要问题,明确了岩层运动研究的重点和方向。结果表明:采动岩层运动是一种坚硬岩层破断前的应力集中和破断后形成块体的力学行为,坚硬岩层的破断和块体运动具有突变和不连续性,破断块体互相咬合可能形成"大变形"结构,块体咬合结构的S-R稳定性将对矿压显现、采动裂隙和地表沉陷等产生重要影响。岩层运动是一个"黑箱",目前仅仅在控制原理上得到解释,达到"灰箱"程度。因此,岩层控制在很多场合只能是"宏观"控制。"砌体梁"结构力学模型的建立明确了支护原理和支架工作阻力估算原则。一般情况下,按照4～8倍采高岩柱自重估算支架工作阻力可以满足工程需要,在大采高或薄直接顶、浅部开采、特殊压架条件等情况下支架工作阻力估算应采用上限,个别条件下单纯提高支架阻力仍无法彻底解决压架问题,还需配套实施相关工程措施加以防范。根据覆岩关键层破断块体结构的稳定性,将我国不同表土层条件下的地表沉陷划分为3种类型,提出应根据地表沉陷的不同类型进行预测、控制与选择复垦方法。关键层的赋存与破断特性对采动应力分布影响显著。目前,由于应力集中引起的事故比瓦斯事故更难以预防,为此,深部和构造应力集中区域只能开设试验矿井。