煤岩体强度与面长对承压开采底板的影响

结合矿山典型工作面开采技术条件,把顶板岩层、煤层和底板岩层作为一个整体进行综合研究,考虑三者之间的作用与影响,利用弹性薄板和岩石力学理论,对老顶初次来压、周期来压、煤岩体强度参数降低等情况下工作面煤层底板岩层破坏深度的理论值进行了计算,得出了工作面长度和煤层底板岩层破坏深度之间的关系,定量地分析了工作面长度与煤岩体强度参数对煤层底板破坏深度的影响,为承压水开采下增加面长提供了理论依据。     

煤层回采面破坏过程中的应力-应变-渗透率关联分析

开采技术和地质情况对于煤层回采面的破坏具有显著的影响作用。通过实验手段,给出了煤层底板应力应变以及渗透性的影响分析。通过实验数据分析可知,岩石渗透性受到应变的显著影响,由于空隙比和裂隙的压密作用,应力增大时会导致岩石的渗透率显著增长。因此变形破坏的增大,将会显著的引发岩体渗透性的增加,从而诱发透水事故。研究对于提高煤炭开采的安全性评价具有重要作用。     

采动影响下等效连续介质水岩耦合数学模型及应用

为研究采动影响下含水层渗流场演化规律,推导了以应变为参数的裂隙岩体等效渗透系数,基于Biot固结理论建立了等效连续介质水岩耦合数学模型,采用快速拉格朗日有限差分进行了数值模拟.研究结果表明：裂隙是采动岩体渗流的主要通道;煤层开采初始阶段岩体渗透性增加区域在底板呈“W”形分布,在顶板岩体渗透性增加区域呈“M”形分布;当含水层渗透性增加区与下方顶板渗透性增加区相交时,形成导水裂隙;在渗透性增加区内岩体形成了相对“膨胀区”,而在渗透性降低区内岩体产生被压缩的现象.     

基于数值模拟分析的上邻近煤层底板损伤特征研究

针对保护层开采技术中高瓦斯低渗透性煤层的卸压增透问题,利用UDEC离散元数值模拟软件,对上邻近煤层开采所造成的底板损伤进行了研究,并分析了底板损伤对下煤层瓦斯迁移的影响规律。研究表明:底板在工作面后方一定范围内会出现倒三角形应力降低区;依据底板破坏的力学机理不同,将底板裂隙带分为拉伸破坏裂隙带和屈服破坏裂隙带;2~#煤层开采产生的底板裂隙促进了3~#煤层瓦斯的解析及迁移,有效降低了3~#煤层开采时的瓦斯涌出量,保障了工作面的安全生产。     

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。     

急倾斜煤层开挖岩移规律及对底板巷道布置的影响

针对急倾斜煤层底板巷道受采动影响破坏严重的现象,运用数值试验方法,对煤层开采引起的顶底板岩体的应力和位移分布规律进行了研究。结果表明,采动影响区域内的岩体可划分为垮落带、剪切屈服带、卸压带和整体滑移带,明显呈区域性分布;底板巷道应布置在受采动影响最小的相对稳定带中,且与煤层底板保持一定的安全距离。研究结果对于同类地质和开采条件的矿区具有重要参考价值。     

受开采方式影响下的采场底板破坏特征试验分析

承压水上煤层开采底板稳定性受多种因素影响,其中开采方式是影响底板稳定性主要因素之一,不同开采方式对煤层底板隔水层裂隙发生、发育、扩展及其分布均会产生不同程度影响。通过相似材料模拟试验,研究了近距离厚煤层大采高全厚开采与下行分层开采两种方式下,底板隔水层裂隙发育及分布规律,结果表明:2种开采方式均会使煤层底板自上而下依次形成:竖向张裂隙带、斜向穿层裂隙带及顺层裂隙带,不同的是,2个煤层大采高一次同采时,承压水及采动应力双重作用使煤层底板破坏更加充分,3种裂隙沟通趋势更为明显,而分层开采时,顶板充分垮落岩石会促使已产生的裂隙部分闭合,有助于底板水害的防治;研究结果可为承压水上开采底板失稳机理研究提供参考。     

近距煤层群开采在不同宽度煤柱中的传力机制

以目前汾西矿区近距煤层群开采为背景,分析了煤层回采后煤柱及附近煤岩体应力重分布影响因素,并采用FLAC3D有限差分程序计算研究了近距煤层群上部煤层回采在不同宽度煤柱内部及下部煤岩体中的传力机制.结果表明:煤柱内部集中应力对底板应力重分布影响大于对项板应力重分布的影响;不同宽度煤柱内部及顶底板煤岩体应力集中系数不同,随着...     

基于FLAC~(3D)的采动岩体等效连续介质流固耦合模型及应用

基于采动岩体渗流规律研究的重要性,利用立方定律推导了以应变为参数的采动岩体等效渗透系数,建立了基于FLAC3D的采动岩体等效连续介质流固耦合数学模型,利用FISH语言实现了的等效连续介质数学模型的计算.研究结果表明,煤层开采初始阶段岩体渗透性增加区域在底板呈"W"形分布,在顶板岩体渗透性增加区域呈"M"形分布;当含水层渗透性增加区与下方顶板渗透性增加区相交时,形成导水裂隙;伴随着煤层开挖,含水层内孔隙压力发生周期性变化,当透水事故发生时达最大值并迅速降低;以应变为系数参数的等效渗透能够较好地描述采动岩体的渗流规律.     

浅埋深煤层群下行开采底板卸压规律研究

为研究浅埋深煤层群下行开采底板卸压规律,通过FLAC和UDEC数值模拟软件模拟分析了上煤层工作面采动过程中底板煤岩体的应力及位移变化规律,得出了底板煤岩体最大卸压深度为40 m;底板裂隙发育呈"O"形圈分布,工作面煤壁处底板煤岩体的纵向裂隙与下层煤体贯通。可为上煤层工作面实施底板瓦斯预抽采,解决开采过程中底板煤层瓦斯渗流至工作面导致的瓦斯超限问题提供理论指导。     

中奥陶统顶部地层富水性规律研究

矿井11号煤层最低开采标高+230 m,井田中奥陶统灰岩含水层水位标高+360 m,煤层开采存在奥灰水带压开采问题,而11号煤层底板至中奥陶统顶面隔水层平均厚度20 m,因而中奥陶统顶部峰峰组一段和上马家沟组三段地层的富水性,以及是否可以作为相对隔层利用,对煤层承压开采至关重要。通过水文钻探、放水试验和压水试验,分析了中奥陶统顶部地层的岩性特征、富水性特征、渗透性特征。综合试验结果表明,中奥陶统顶部地层主要以泥质白云岩、泥质灰岩为主,顶部18 m地层隔水性能良好,揭露大部层段属弱富水性含水层,透水率小于10 Lu,属极微透水至弱透水,为煤层承水压开采奠定有利的地质条件。     

双承压水间采煤顶底板破断及渗流规律

以山西某煤矿双承压水间下组煤开采为背景,针对煤岩应力-渗流耦合机理,采用相似材料模拟和离散元数值模拟,揭示双承压水间下组煤不同开采尺度下岩体断裂模式和渗流规律,提出顶板导水裂隙带发展模式,并建立底板“四带”形成与工作面开采过程的对应关系。研究发现：初采期间底板仅发育矿压破坏带,达到充分采动后,新增损伤带及采动导高带开始出现,新增损伤带主要集中于工作面下方。采动岩体应力-渗流耦合效应归结为：煤层开采导致顶板破裂和应力的降低,顶板岩体渗透性能增大,太灰水透过顶板裂隙渗入采空区和工作面;底板隔水层在奥灰高承压水的楔劈作用下发育导高裂隙并导升。当残余水头压力无法继续劈裂隔水层岩体抗拉强度,底板岩层重新恢复到应力-渗流稳定状态。     

赵庄矿峰峰组碳酸岩层隔水性能研究及应用

为解决山西晋煤赵庄矿下组煤水压高、传统隔水层薄所带来的安全带压开采问题,采用水文地质钻探、抽水试验、压水试验、地应力测试及室内试验等技术手段,通过对奥灰顶部岩性、裂隙岩溶充填情况、钻探漏水、岩石力学指标及渗透性试验等各方面的综合研究,论证了下组15#煤底板奥灰顶部峰峰组岩层的相对隔水性。结果表明：赵庄矿15#煤下伏的奥陶系顶部峰峰组上段岩性为深灰色厚层石灰岩,致密坚硬,局部夹白云质灰岩和泥灰岩,强度较高,裂隙多呈不规则状且大量被充填,构成渗透性很差的岩层|本区奥灰峰峰组顶部至少存在30m厚度的相对隔水层段,15#煤底板隔水层厚度在38.75～67.25m之间,平均厚度为57m,且隔水性能较好|采用突水系数法对赵庄矿开采下组15#煤突水危险性评价,说明利用奥陶系顶部相对隔水层可使突水危险性大幅降低,从而解放大量煤炭资源。     

深部下组煤首采面带压试采奥灰突水危险性分区评价

为了探究华北型煤田深部下组煤底板带压开采安全可行性,以济北矿区某煤矿高承压水体下组煤首采面采掘为工程背景,结合在该面施工的9个奥灰钻孔和1个奥灰水文观测孔资料,运用突水系数法和底板岩层综合阻水强度法对正常块段奥灰突水的危险性进行预测评价与分区。分析表明奥灰突水值大于0.1 MPa/m的区域存在2处;而根据底板岩层综合阻水强度法计算,各个钻孔的综合阻水强度值均大于相应的实际水压值,并把实际水压值与其相应的综合阻水强度值作比值进行分析。2种方法对比分析表明,奥灰突水系数偏大的险区和实际水压与其相应的综合阻水强度的比值大的分布区域基本重合,比较符合实际情况。这为济北矿区及地质条件相似矿井煤炭资源向深部带压开采所引起的底板水防治提供了新的评价方法。     

华北型煤田奥灰顶部利用与改造判别准则及底板破坏深度

随着我国华北型煤田开采深度逐年增加,大部分矿井已面临由上组煤转向深部及下组煤开采阶段,奥陶纪灰岩岩溶水害威胁呈上升趋势,底板突水危险逐年增加,而目前规范和规程中的底板突水系数法虽然应用较广泛,但并未充分考虑到奥灰顶部实际阻水能力,其评价方法存在一定的局限性。在现有奥灰顶部地质及水文地质条件认识的基础上,提出了部分矿区奥灰顶部存在阻水性能较好的风化充填带可作为隔水层利用的理念,将煤系隔水层厚度、风化充填带厚度、注浆改造段厚度和底板扰动破坏深度视为底板突水系数判别式的影响因素,建立了改造奥灰顶部岩层段厚度的判别准则,论述了底板破坏深度在判别准则中的重要性,并以韩城矿区桑树坪煤矿11号煤层3105工作面开采为典型案例,通过构建的17组数值模拟方案,分析得出了煤层开采深度对底板扰动破坏深度影响最大、开采厚度最小、开采宽度则存在尺寸效应等结论;同时将模拟数据与全国相似矿区实测样本结合,给出了采深、采宽和采高3因素影响的预测模型,并对其进行了验算和适用性分析,结果表明新模型拟合方程的误差均值、百分比、方差和均方差均优于统计公式,具有预测精度高、误差小、适用性广等特点,基本满足工程实际需要。其研究成果可用于奥灰顶部含水段的注浆改造实际工程中,对深部下组煤安全带压开采提供有利的技术保障。     

保德煤矿奥灰含水层顶部地层岩性及孔隙性特征分析

华北煤田奥灰含水层顶部的隔水性能是该区煤矿实现带压开采的关键保障,而地层的岩性及孔隙性是反映其隔水性的重要指标。以神东保德煤矿奥灰含水层顶部地层为研究背景,依据现场勘探成果,采用矿物成分分析及室内压汞试验,对奥灰含水层顶部岩层的岩性及孔隙性进行了试验研究。研究结果表明,奥灰含水层顶部地层岩石矿物组分以方解石为主,吸水、渗透性较差,孔隙结构性较差,连通孔隙占总孔隙体积的5%~7%,主要孔隙为孔径025 μm的难渗流微小孔隙,孔隙特征反映出奥灰含水层顶部地层具有良好的阻隔水性。研究成果为奥灰含水层顶部地层隔水性能研究及评价提供了重要的参考依据,为该矿区乃至其他类似矿区底板奥灰水害防治及带压开采奠定了基础。     

白云乌素煤矿奥陶系顶部碳酸岩层隔水性及应用研究

为了解决内蒙古桌子山煤田下组煤安全带压开采问题,依据多年研究成果—"华北奥陶系顶部存在碳酸盐岩隔水层"观点,选择与骆驼山煤矿相邻的白云乌素煤矿为研究试验现场,对下组(16#)煤底板岩层开展了宏观、微观研究和试验开采,结果表明:1)本区煤层底板下伏的奥陶系顶部存在碳酸盐岩隔水层厚约150 m,其岩性为黑灰色泥灰岩局部夹泥岩沉积,真正含水层段在其下的桌子山组青灰色白云岩化石灰岩中;2)克里摩里组黑灰色泥灰岩孔隙直径绝大多数小于5μm,孔隙连通性差,难以形成有效孔喉,天然条件下难以渗流;3)本区新构造运动的表现是大型老断裂的复活和部分小型新断裂的产生,断裂为碳酸盐岩层岩溶发育提供初始通道,也构成岩溶水的主要储移空间和通道;4)桌子山矿区奥灰岩溶水对煤矿安全带压开采的主要威胁是导水断裂和陷落柱等垂直通道部位,白云乌素矿重点防御的是黑龙贵逆断层和F14正断层。白云乌素矿多个工作面的安全开采证实了奥陶系顶部碳酸岩层不仅是隔水层,而且是隔水关键层。     

朱庄矿Ⅲ63采区放水试验成果分析

为了查明朱庄矿Ⅲ63采区6煤层开采受底板高承压太原组含水层的威胁情况,进行了非稳定流放水试验,用多种手段求取了渗透系数,分析了水位降深变化,并研究水质特征。结果表明:采区内太原组与奥陶系灰岩水存在着水力联系;采区内渗透性差异较大,水循环交替条件较好。研究结果为该采区的水害防治提供了可靠的水文地质依据。     

黄玉川煤矿地层含水性及渗透性的抽采试验研究

通过在黄玉川煤矿地面布置抽水孔进行抽水试验,测试不同孔位的涌水量、渗透系数及影响半径,掌握奥灰水地层的富水性及渗透性特征,避免井下采煤过程中的突水事故。结果表明:奥陶系灰岩地层发育导水断裂带及陷落柱等导水通道,含水层对9号煤层开采的影响比其他煤层严重;抽水结束后,含水层水流补给抽水钻孔,24 h内液面恢复至抽水之前的水位深度;地面钻孔抽水试验测试的涌水量在0.018~2.412 m^3/h之间,平均单位涌水量为0.036 L/(s·m),属于弱含水性的含水层;渗透系数在平均值为0.0024 m/d,属于弱透水性的含水层。     

晋城成庄井田煤层气直井开发后煤层底板突水危险性评价

以晋城矿区成庄井田为依托,分析煤层气开发后煤层底板岩石破裂压力、地应力、煤层底板含水层水压和隔水层有效厚度等条件,建立了煤层气开发后煤层底板突水危险性评价理论与方法,揭示煤层气直井开发对煤炭开采底板突水影响机制。研究结果表明:煤层气井煤层底板完井深度和采动矿压与承压水的水压使煤层底板隔水层形成贯通的破裂,如果隔水层中的最小水平主应力大于承压水的水压,从应力方面,就不会发生突水,如果相反,就会发生突水;煤层气井煤层底板完井深度和采动矿压与承压水的水压未能使底板隔水层形成贯通的破裂,开采煤层承受的水压与煤层到主要含水层间有效隔水层厚度之比,决定了煤层底板突水危险性。根据煤层底板隔水层岩石破裂压力、水压和水压与隔水层厚度比值等关键参数,将煤层底板突水危险性划分为安全(Ⅰ)、中等安全(II)、安全性差或有危险(III)和安全性极差或极有危险(Ⅳ)4类。成庄井田太原组15号煤层距奥灰含水层间距小,且变化大,煤层气垂直井开发后煤炭开采受奥灰水威胁。如果9号煤层气完井深度与煤炭开采底板破坏深度15 m相同计算,煤层底板突水危险性主要为中等安全,仅在深部存在突水危险性;煤层气开发后3号煤层开采过程中不会发生底板突水。