下保护层工作面过断层区覆岩裂隙-应力演化规律研究

为深入研究下保护层开采过断层区上覆岩层裂隙发育与应力演化特征,运用相似模拟研究方法,分析下保护层开采过断层过程中裂隙场演化、顶板断层应力变化趋势、上覆岩层运移特征。结果表明:下保护层采动容易引起顶板断层附近煤岩体破碎,形成断层带;覆岩裂隙在顶板断层带内显著增加,其密度曲线呈现"W"形分布;顶板断层底端与顶端随采动工作面接近与远离应力峰值表现出不同变化;覆岩运移具有时空效应,同一层位覆岩随工作面推进位移下沉,呈现"瀑布"状分布。     

特厚煤层近断层开采覆岩破坏移动特征

以辽宁抚顺矿区某煤矿实际地层开采为研究背景,进行巨型逆断层下盘向斜一翼区域特厚煤层近断层开采覆岩破坏变化特征的分析。基于覆岩空间结构思想,通过覆岩空间状态结构失稳分析断层受开挖采动影响,运用相似实验分析宏观变化,验证了理论分析的合理性。结果表明:覆岩在开采过程中不只有竖直方向破损下沉,水平方向更容易沿倾向产生滑移,拉张区易形成空腔结构,压缩区易形成屋脊状支撑产生二次跨落。在煤层开采距离断层由远及近的过程中,断层滑移呈现"稳态-动态-稳态"三阶段的变化规律,当断层活化以后断层开裂程度随地层深度增加呈现"宽-窄"两层位的变化规律。     

逆断层下盘工作面回采扰动引发断层活化特征的试验研究

为分析逆断层下盘工作面回采对断层面错动失稳影响,在双轴等压加载条件下,试验获得了逆断层下盘煤层回采扰动下断层活化失稳特征。结果表明:回采工作面围岩由内向外形成采动卸压区、支承升压区、原始应力区的动态演化将诱发断层构造错动活化,且逆断层构造更易受回采工作面扰动区影响;双向等压条件下逆断层下盘煤层开挖,垂直方向扰动与水平方向扰动载荷比由1逐渐增加至6,断层面发生离层或剪滑失稳的危险升高;断层构造面附近应变呈不均匀分布,且煤层处应变明显高于顶、底板岩层;煤层开挖引发的声发射事件84%能量分布在10-13~10-10 J,主要分布于煤层顶板岩层,且跨越断层面声发射事件较少,表明断层构造对应力扰动有阻断作用;开挖煤层与断层面交叉处是声发射事件集聚区域,发生错动失稳危险性较高。对比赵楼煤矿1303工作面实际矿震数据,矿震震源与试验声发射源空间分布特征具有一定相似性,佐证了类逆断层组合结构岩石试验方法的可行性。     

海下综放开采防水安全煤岩柱厚度的确定

针对龙口海域下开采的实际情况,分析了海域扩大区水文地质条件,收集整理国内13个矿区综放开采导水裂缝带高度实测数据,选取采厚、基岩柱厚度、倾角、顶板单轴抗压强度、泥岩比例和覆岩结构6种因素作为导水裂缝带发育高度预测模型的影响因子,建立导水裂缝带高度预测模型,并对不同采厚条件下导水裂缝带高度进行了预测;应用FLAC软件进行了断层条件下覆岩破坏规律的模拟,计算了不同落差、不同倾角的正断层对导水裂缝带发育高度的影响,得出在软弱覆岩类型综采工作面（采厚4.4 m）有正断层（倾角45~65°）、落差小于6.0 m的情况下,导水裂缝带发育高度较之正常地质条件下增大14.4%~22.2%.提出了综合考虑断层和正常条件的防水安全煤岩柱设计,确定在海域放顶煤开采正常覆岩条件下防水安全煤岩柱厚度为55.5 m;受断层影响条件下,防水煤岩柱厚度为62.5 m.     

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。     

分层开采时断层滑动位移演化特征研究

本文结合义马煤田地质构造,以千秋矿21221工作面为工程背景,进行了采动影响下断层滑移失稳相似模拟实验研究,探究了煤层分层开采扰动对断层滑移失稳的影响特征规律。结果表明,煤层上分层开采时顶板已发生较大程度的松动及离层现象,下分层开采时,顶板岩层进一步发生垮落现象,下分层开采扰动引发上覆岩体垮落范围更大,使断层周围位移变化更强烈、上下盘错动更明显、煤岩体中积聚的应变能峰值更高;同时,断层滑移滞后于煤岩体中应变能的剧烈释放,应变能峰值"突降"现象可作为判断断层滑移失稳的前兆;煤层下分层开采较上分层开采时能量剧烈释放的时间更早,更易诱发冲击地压灾害的产生。     

近距离煤层群上行开采相似材料模拟试验研究

基于某矿上行开采的要求,为获得下组煤开采后覆岩破坏高度及裂隙带发育高度,进而研究特定地质条件下近距离煤层群上行开采的可行性,采用物理试验的方法对下组煤开采后覆岩的破坏高度及裂隙带发育高度进行了模拟研究,并分析了受采动影响的顶板矿压显现规律、覆岩破坏特征、围岩应力场及位移场的变化规律.结果表明:覆岩破坏高度约为18.4 m,裂隙带发育高度约为49.3m,上组煤处于下组煤裂隙带的中上部.因而,以上覆岩层“三带”判别法为依据,初步判定采取一定安全措施后该矿上行开采方案可行.     

采动影响下逆冲断层“活化”特征试验研究

以义马矿区的F16大型逆冲断层为背景,结合断层影响下5个矿井的地质钻探和井下揭露情况搭建相似模型,在考虑断层面的分形特征和断层面两侧覆岩赋存特征的基础上,综合运用声发射监测、采场覆岩位移和采场应力监测系统,研究采动影响下断层"活化"前后的覆岩运动特征、矿压显现规律和动力响应特征。研究表明:受逆冲断层南北两侧地层覆岩结构复杂和构造运动影响,断层"活化"前后工作面覆岩运动特征、矿压显现规律和动力响应明显不同。断层"活化"前,工作面覆岩"三带"特征明显,底板应力基本不受采动应力影响,声发射信号较弱。进入断层影响区后,顶板离层量呈跳跃式增长,采动应力诱发断层"活化",底板应力达到最大值,声发射的总事件数和能率发生突变增加。当推过断层一段距离后,随着上盘关键岩层悬臂岩梁长度增加,工作面煤壁发生屈曲破坏,底板应力增加,待岩梁垮断挤压应力释放后,底板应力随之下降,伴随着工作面上方"短砌体梁"结构发生切落且沿断层面滑动,产生大量声发射信号。     

不同岩性煤岩体声发射特征参数及破坏前兆信息研究

针对煤矿工程现场中动力灾害频发,灾害前兆信息难以预测的难题,通过室内试验,开展了不同岩性煤岩体材料声发射特征参数及破坏前兆信息的研究,揭示了不同岩性煤岩体破坏特征及声发射特征,并获得了其破坏前兆信息。结果表明:不同岩性煤岩体材料宏观破坏特征基本相似,但其破坏阶段、破坏过程和破坏特征呈现一定的差异;不同岩性煤岩体的声发射特征值大小不同,但演化规律整体上呈现一致性,具体表现为:压密阶段声发射呈"稳定增高"状态,弹性阶段声发射呈"稳定沉默"状态,弹塑性阶段声发射呈"急剧变化"状态;在弹塑性阶段,当达到应力峰值的过程中出现短暂的"声发射平静期",这显然与临界慢化理论相吻合,故将其定义为致灾"前兆信息点"。     

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.     

巨厚煤层开采覆岩含水层破坏模拟——以准东大井矿区为例

本文针对准东矿区巨厚煤层典型赋存特征,以大井矿区为研究对象,通过识别覆岩关键层及含水层,采用UDEC数值模拟方法,建立大井矿区巨厚煤层开采覆岩力学模型,对不同开采方法覆岩含水层破坏进行了模拟研究。结果表明:研究区覆岩关键层分为4层、覆岩含水层共2层;开采厚度相同时,大采高开采覆岩下沉量、裂隙带发育高度及开采对含水层的扰动影响均大于放顶煤开采;采高24m,推进长度为300m时,导水裂隙已发育至含水层Ⅱ;主关键层对覆岩位移、裂隙分布及开采对含水层的扰动影响起关键作用。     

采动条件下的金属矿山上覆岩体破坏区域及其特征研究

确定采动条件下金属矿山上覆岩体破坏区域与应力行为,以某金属矿为背景,采用RFPA计算程序对该矿山在开采过程中上覆岩体破坏特征及力学行为进行研究,同时结合声发射技术对采动条件下覆岩的破坏区域及应力分布范围进行深入分析,提出采动条件下的金属矿山覆岩破坏的"三区"概念及应力分布划分原则。研究表明:金属矿上覆岩体随着采动影响可以划分为垮落区、塑性区、弹性区三个区域;并对各区域的成因及划分依据进行详细分析;为了进一步研究上覆岩体变形破坏区域和破坏形状特征,在采动条件下从采空区上覆岩体的位移矢量变化角度进行分析,得出随着开采的进行,上覆岩体破坏形状经历了水母状、圆拱形、桶状的大致破坏形态过程,这种形态与金属矿山地表塌陷现场较吻合。研究结果可为金属矿山三带的圈定和采取有效支护措施控制采空区围岩稳定提供理论依据。     

厚煤层综放工作面覆岩运移规律研究

针对厚煤层综放工作面覆岩突然性断裂垮落导致动力灾害的问题,根据煤岩层赋存条件和开采布局,考虑工作面顶板裂隙分布规律和开采扰动影响,采用现场勘察、岩石力学实验、数值计算等分析方法,综合分析厚煤层综放工作面覆岩运移活动规律。结果表明:受重力作用,覆岩垮落自采空区中心向四周均匀发展,岩层在拉伸应力作用下拉伸应力区呈U形破坏分布;随着掘进深度与层位的延伸,工作面顶板破坏区相互铰接形成稳定结构,阻碍了顶板运动;工作面来压步距较大,覆岩垮落冲击矿压载荷量级较大,工作面中上部区域覆岩运移量大于下部区域。     

综放工作面采动诱发逆断层张剪失稳特征及矿震活动规律分析

由于综放工作面开采空间大,对周边煤岩体扰动强烈,易引发断层构造活化,进而诱发大能量矿震导致冲击地压灾害,基于赵楼煤矿1303综放工作面生产和地质条件,理论分析了工作面回采对断层构造扰动影响的主控因素。采用相似模拟方法分析了断层构造错动滑移时空演化特征,并统计分析了工作面采动实际矿震震源活动演化规律。结果表明:逆断层下盘工作面回采,断层面发生张拉离层和剪切滑动的主控因素为表征开采扰动垂直作用力Pv和水平作用力Ph的比值k、表征断层几何特性的断层倾角θ、以及表征断层力学特性的内摩擦角φ;工作面开采首先引发覆岩低层位断层岩块滑动,并随工作面与断层面距离的减小逐渐向高层位断层岩块扩展;断层诱发矿震需满足断层产生滑动失稳且滑动表现为黏滑两个条件。工作面矿震活动规律:采空区范围越大,矿震活动越剧烈;矿震震源丛集于采空区区域,且随工作面推进向前方及高层位岩层转移。对1303工作面矿震事件影响程度:Fd96断层张剪失稳采空区覆岩破断运动FZ14断层张剪失稳。     

上行开采上覆煤岩变形破坏规律研究

以朱仙庄矿Ⅱ5采区为研究对象,采用相似模拟和数值模拟研究方法,研究了下保护层10#煤开采时上覆岩层变形破坏规律。研究结果表明,覆岩呈梯形破坏演化特征,向前和向上渐进式发展,离层发育高度随工作面推进距离增大呈间断跳跃式增加特征;采空区上方15~60 m横向裂隙较发育,竖向裂隙明显减少,上覆岩层垮落角约为60°。     

崩落法开采岩体冒落及岩移机理

为研究倾斜厚矿体开采岩体冒落及岩移机理,以某铁矿崩落法开采为工程背景,通过现场监测对开采过程中顶板覆岩冒落及岩移特征进行了研究,并采用数值模拟分析了节理影响下覆岩断裂破坏、应力演化及损伤发展特性,对岩体冒落及岩移机理进行了探讨。研究结果表明:岩体冒落表现为缓慢—快速交替的拱形冒落特征,岩体冒落的剧烈程度与冒落发展正相关;地表水平变形以波浪形变化为主,上盘侧最大水平变形值为下盘的1.4～1.9倍,运输道路附近的最大沉降值约为32.5 mm,沉降中心在采矿后期以非对称形式向上盘偏移,沉降率逐渐下降。岩体冒落是拉伸与剪切裂纹沿着节理与完整岩桥相互贯通所致,分为滑移破坏区与倾倒破坏区,应力拱周期性演化是导致冒落进程变化的主要原因;地表沉降特征受节理与开采跨度的共同影响,断裂角发生偏转并以上盘破坏为主,是导致地表沉降中心偏移的主要原因。在未来采矿过程中,塌陷坑上盘有发生大规模沉降及塌陷的风险,研究提出的塌陷坑废石充填岩移控制措施,可实现对运输道路的有效维护。     

深部条带开采覆岩和煤柱综合探测及破坏特征

针对深部条带开采覆岩具有富水、岩石电性差异小、数据解释难度高的问题,基于并行电法多方法的综合分析优势,对深部条带开采覆岩破坏特征进行立体探测、定量评价。分析了条带开采覆岩破坏带的电性特征,讨论了适用于深部条带开采孔间并行电法测试的理论准则,对条带开采后形成的"上两带"及"侧三带"进行定量评价。得到结论:覆岩"上两带"及残留煤柱"侧三带"视电阻率剖面形态因采动破坏程度的不同,由规则变为不规则,连续性变差,通过构建孔间岩体电场性质差异图像,其形态突变和数值界面可作为判定覆岩"上两带"及"侧三带"发育范围的依据;综合运用并行电法、钻探实测及数值模拟计算等方法,确定采50 m留50 m(采留比1∶1)条件下,垮落带发育高度为15.2 m,导水裂隙带发育高度为46.65 m;条带煤柱破碎区发育宽度为7 m,塑性区发育宽度为19.5 m,弹性核区宽度为11 m。     

复杂环境下围岩变形大型三维模拟实验

以宁夏宁东矿区复杂环境(历史性强震区内破碎围岩与富含水)下围岩局部化变形演化规律为目标,综合分析地球物理特征、加载框架及其力学性能、围岩变形指标与定量识别方法、围岩结构与缺陷以及相似模拟材料复合特性等,构建了三维物理模拟装置与“声-光-电”多元指标实时测试系统,完成了恒定与可变围压下的“动-静”耦合加载实验,对围岩局部化损伤的声发射特征规律与开采扰动下实验模型中扰动区内岩体径向和切向应力分布进行辨识。结果表明：复杂岩体破裂与变形经历“振荡-沉寂”后,极有可能会出现持久性破坏,进一步揭示了复合煤岩体变形具有局部化失稳特征。     

沿空留巷上保护层综采工作面覆岩“三带”分布规律的数值模拟研究

研究保护层开采后覆岩裂隙的发育特征,是掌握"竖三带"法向分布高度、覆岩应力分布规律及卸压分布范围的前提。结合祁东煤矿煤层群中远距离上保护层开采现状,采用Flac3D软件模拟演化6135综采工作面开采过程中周围覆岩的位移及应力分布情况。通过分析覆岩的破坏规律,得出61煤层开采后,最大垮落高度为7.1 m,采动裂隙带发育高度为30.1 m,应力呈上小下大的"八"字形分布,以及保护层沿倾向和走向的卸压保护规律,可为矿井安全高效生产提供技术支撑。     

晋城矿区下保护层开采覆岩运移及裂隙演化规律研究

针对晋城矿区开展下保护层开采试验,采用模拟试验,现场实测等手段研究下保护层开采覆岩运移、裂隙动态演化特征及被保护层变形规律。模拟结果表明:伴随基本顶的周期破断,采动裂隙呈梯形演化,贯通的竖向裂隙没有连通至上被保护层。保护层开采后,被保护层下沉平缓连续,膨胀变形率保持在0.5%左右。深基点位移计动态监测下保护层94302工作面开采覆岩运动全过程,得到了监测岩层的移动曲线,掌握了上覆岩层横向三区、纵向三带离层裂隙时空演化规律。通过钻孔电视观测覆岩裂隙分布特征及被保护层煤体结构变化,得到冒落带高度2.2~4.5 m,裂隙带高度20.0~25.7 m,发现被保护层煤体受采动影响产生水平方向为主的小角度次生裂隙。