榆神府矿区双煤层开采覆岩破坏及地面沉降特征研究北大核心

为研究双煤层开采条件下浅埋煤层覆岩破坏特征及地表沉降规律,以榆神府矿区典型浅埋煤层地质条件为基础,采用数值模拟方法,分析了6种不同工况下双煤层开采时覆岩破坏与地表沉降特征,并用物理相似模拟实验加以验证。结果表明:浅埋煤层覆岩破坏方式为全厚切落,留煤柱开采时隔水层中采动破坏呈现“泥盖效应”,不留煤柱开采时采空区两侧形成离层裂隙发育区,裂隙沿采空区两侧上方呈约45°发展;煤层开采时地表呈台阶式下沉,随着工作面推进,地表沉降中心不断前移,隔水层重量对地面沉降的影响逐渐减小,煤层厚度与地表沉降值呈正相关性;煤层开采过程中存在应力集中现象,上覆岩层中垂直应力沿煤层开采方向依次出现应力集中区、应力卸压区和应力集中区。     

浅埋煤层群开采的区段煤柱应力与地表裂缝耦合控制研究

为了探索浅埋煤层群开采减缓煤柱集中压力并实现地表均匀沉降和地表裂缝耦合控制,通过物理模拟和数值计算揭示了煤层群开采中不同区段煤柱错距的间隔岩层破断规律、煤柱集中应力分布规律、覆岩和地表裂缝发育规律及地表沉降规律,掌握了不同区段煤柱错距与煤柱应力集中及覆岩裂隙演化的关系。研究得出,根据煤层间岩层的破断规律,确定合理的上下煤层区段煤柱错距,可避免上下煤层区段煤柱间的集中应力叠加和煤柱支承影响区的岩层非均匀沉降,实现煤层群开采的应力和裂缝耦合控制。建立了浅埋煤层群开采的煤柱群集中应力和地裂缝控制模型,得出了避开煤柱集中应力和实现地表均匀沉降的耦合判据,揭示了减缓煤柱群集中应力和实现地表均匀沉降的机理。     

浅埋近距煤层开采三场演化规律与合理煤柱错距研究

为探索浅埋近距煤层开采基于三场(应力场、位移场和裂隙场)演化规律的合理煤柱错距,实现井下减压与地表减损开采,以陕北柠条塔煤矿北翼东区1~(-2)与2~(-2)煤层开采为背景,采用FLAC~(3D),UDEC数值计算、物理模拟及理论分析相结合的方法,揭示了近距煤层开采覆岩与地表应力场、位移场和裂隙场演化规律,掌握了不同区段煤柱错距对煤柱集中应力、覆岩与地表位移及裂隙演化的影响,提出了基于三场演化规律的区段煤柱错距确定方法。研究表明,近距煤层开采的裂缝集中发育和地层拉、压应力集中源于煤柱引起的非均匀沉降,上部单一煤层开采后,在底板形成煤柱高应力区、低应力区和采空区中部高应力区,为避开上、下煤柱垂直应力叠加,下煤层巷道应布置在低应力区范围内。近距煤层开采的地表拉应力场和位移场与煤柱错距存在密切联系,通过合理的煤柱错距布置,可以减缓地表下沉的"波状"幅度,减轻地表拉应力和水平变形。随两煤层煤柱错距增大,覆岩裂隙场由叠合逐渐分散,对应地裂缝逐渐减小,煤柱错距对其上部的覆岩裂隙与地裂缝起控制作用。建立了应力场-位移场-裂缝场耦合控制模型,提出了煤柱错距的计算方法,可实现减轻地应力集中和地裂缝发育的耦合控制。本研究得到实测验证,并在柠条塔煤矿后续开采布置中应用。     

厚土层下浅埋煤层开采覆岩倾向结构分区与下沉预计模型

为探究厚土层下浅埋煤层开采的覆岩与地表下沉预计方法,以柠条塔煤矿1-2煤层开采为背景,结合理论分析与物理模拟的方法,揭示了厚土层下浅埋薄基岩煤层采场覆岩倾向结构分区及其特征,建立了分区下沉力学模型,提出了覆岩与地表下沉预计方法.研究表明:厚土层薄基岩浅埋煤层长壁开采后,沿覆岩倾向方向的垮落和移动可以分为边界煤柱顶板F形...     

煤层顶板破断机理研究

应用东北大学自行研究开发的岩石破裂过程分析系统(SFPA^20)，对开采浅埋煤层引起的覆岩顶板破断动态过程进行了数值模拟研究，得出了分步开挖的覆岩弹模与剪应力分布图、地表下沉位移图和煤层顶板应力分布图。通过对模拟结果的分析，揭示了浅煤层开采过程中覆岩破坏的冒落带、裂隙带、弯曲带及矿压分布、地表变形的基本规律。实例模拟得出的地表下沉值与实际观测结果基本吻合。     

山区浅埋煤层裂隙发育UDEC模拟研究

受地下采动影响,坡体会发生移动变形,内部应力重新分布,同时,开采使地表产生裂隙,坡体很容易失稳,甚至发生滑坡、泥石流等大型地质灾害,并且也会加剧环境损害[1]。因此,为分析山区浅埋缓倾斜煤层开采时,覆岩裂隙发育变化及地表移动情况等,根据贵州山区煤矿地质复杂情况,运用UDEC软件对响水煤矿3号煤层12309工作面进行数值模拟。模拟结果表明:山区浅埋缓倾斜煤层与平原地区水平煤层开采引起的裂隙变化、地表移动变形等有所不同;坡角陡的地方裂隙发育,稳定性差,容易失稳发生滑坡;3号煤层12309采面开采后,覆岩受开采影响强烈,顶板跨落最大位移约为3.178m。     

浅埋深薄基岩地表水体下重复开采危险性分析

煤层重复采动的覆岩破坏规律较为复杂,尤其是面临浅埋深薄基岩层下地表水体下的安全开采。以某矿实际地质情况为基础,通过构建数值模拟模型及现场实测反演确定出2-3煤层开采时的覆岩力学参数,在此基础上,进行3-1煤层重复开采的数值模拟分析,最终确定了重复采动影响下的覆岩破坏高度,并论证了该区域的重复开采的安全可行性。     

浅埋深薄煤层综采面回采巷道支护技术研究

浅埋深开采过程中由于顶板垮落容易影响地表,工作面覆岩破断角较大,变形速率快,来压较为明显,薄煤层综合机械化开采时由于受地质条件影响,矿压规律较为复杂。山西某矿主采平均0.93 m的3号薄煤层,煤层埋深较浅,采用综合机械化采煤工艺,工作面矿压规律复杂,回采巷道支护困难。针对该复合问题,利用理论分析、数值模拟手段,合理确定支护参数为顶锚杆直径20 mm,长度2.8 m,间距和排距均为0.7 m,帮锚杆直径为20 mm,长度为2.3 m,间距和排距也为0.7 m;锚索长度为8.8 m,间距1.2 m,排距1.4 m。现场应用表明,其支护效果良好。     

浅埋深特厚煤层综放开采覆岩破坏规律研究

浅埋深特厚煤层综放开采有可能使采动裂隙导通地表,对地面及井下作业构成威胁。通过综放开采覆岩破坏高度的理论计算和计算机数值模拟,以国投哈密一矿7#煤层为典型案例,对浅埋深特厚煤层综放开采覆岩的移动破坏规律进行研究,为相似条件下特厚煤层综放开采的安全实施提供借鉴。     

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。     

近浅埋薄基岩煤层季节性地表水体下分段限厚开采研究

基于近浅埋薄基岩煤层矿压显现规律介于普通工作面与典型浅埋煤层工作面之间,因此其覆岩破坏规律具有一定的特殊性~([1-2])。为了实现东胜煤田高头窑煤矿近浅埋薄基岩煤层在季节性地表水体下的安全开采,通过理论计算和现场实测的方法,对矿井G3~(-1)101,G3~(-1)103工作面近浅埋薄基岩煤层开采的覆岩破坏高度进行预计,结合季节性地表水体大哈它土沟水文地质特征研究,确定3-1煤在大哈它土沟下开采的安全煤岩柱类型及尺寸,最终根据开采上限计算结果进行工作面的分段限厚开采研究。研究结论认为,将G3~(-1)101,G3~(-1)103工作面大哈它土沟范围内分别限定开采厚度为3.5m和3.6m,即可以实现近浅埋薄基岩煤层在季节性地表水体下的安全开采。     

浅埋煤层覆岩移动变形规律分析

以西部某矿1203面覆岩为研究对象,进行相应的覆岩结构稳定性力学分析,得出了关键层结构稳定条件,并采用离散元数值模拟软件UDEC2D4.0对覆岩变形破坏进行动态数值模拟计算。揭示了浅埋煤层关键层结构变形破坏规律,给出了避免地表非连续破坏的允许采高为2 m。     

浅埋煤层群覆岩与地表裂隙发育规律和形成机理研究

浅埋煤层群高强度开采对地表的损害严重。为了研究煤层群开采裂隙(缝)发育规律和形成机理,以陕北典型浅埋煤层群开采为工程背景,采用物理模拟、数值计算和现场实测相结合的方法,得出覆岩裂隙主要为采空区边缘向上发育的上行裂隙和垮落区内的离层裂隙。地表裂隙(缝)主要为开切眼和停采线永久边界裂隙、随工作面推进周期性出现的平行裂缝、沿工作面间的煤柱边界裂隙。沿工作面间的煤柱边界裂隙的分布长度最大,是地表裂隙控制的主要对象。煤层群下煤层工作面来压步增大18%～30%,下煤层开采地表下沉系数有所减小。煤层群重复采动后边界裂隙最发育,且受上下煤柱位置的显著影响。通过合理布置煤柱,可以降低煤柱导致的应力集中,减轻不均匀沉降和地表裂缝发育。     

浅埋深煤层开采顶板活动规律相似模拟试验研究

运用实验室二维相似材料模拟试验,通过对煤层模拟开采,得出浅埋深条件下顶板活动规律及覆岩运动特征。分析表明:随着直接顶的断裂和失稳,老顶形成"砌体梁"结构;老顶周期来压步距平均约10.94 m;上覆岩层移动破坏后形成"三带",垮落带范围为煤层上方4~6.3 m,裂隙带最大发育高度为煤层上方19.8 m;弯曲下沉带范围为裂隙带以上直至地表。     

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.     

浅埋薄基岩煤层覆岩应力效应及变形破坏分析

研究浅埋薄基岩煤层开采后在采空区上方形成的导水裂隙带范围对保水开采具有重要意义。基于煤层开采后地表移动和岩体内部移动的内在联系,采用随机介质方法,将地表移动的基本参数应用于岩体内部移动规律的研究中,建立了上覆岩层移动变形力学模型,推导了煤层开采后采空区上方岩层内的位移、应变和应力的数学表达式,分析了上覆岩层变形破坏的影响因素和破坏力学机理。在此基础上,给出了浅埋薄基岩煤层开采覆岩隔水层的破坏判据,为浅埋薄基岩煤层保水开采提供理论依据。     

近地表倾斜矿体开采地表及覆岩变形破坏模拟

为了揭示近地表倾斜矿体开采过程中地表及覆岩变形破坏机制,以某铜矿一典型地质剖面为原型,运用物理概化模型试验,联合UDEC数值模拟,分析了地表及覆岩变形破坏随不同开采步的变化规律。物理模拟与数值模拟均表明:开采-45 m以上的矿体,覆岩局部扰动,位移小。当开采-75~-45 m之间的矿体,覆岩位移加大,陷落区范围逐渐扩大,岩体出现离层,破坏波及地表。如果对预留矿柱进行开采,覆岩整体崩塌,离层显著,覆岩块体出现错动与转动,破坏直达地表。合理采用概化物理模型试验技术,联合数值模拟,可以既直观又准确地模拟地表及覆岩变形破坏的动态演化过程。     

近距离煤层开采覆岩运移规律诱发地表沉降分析

为对近距离煤层开采顶板覆岩运移规律及覆岩破坏诱发地表沉降进行分析，采用物理及数值模拟实验，以某煤矿近距离煤层开采为例进行论证。研究结果表明：开采过程中煤层上方原岩应力发生扰动，使能量得到释放，从而诱发覆岩发生持续变形现象，变形破坏的覆岩区域呈下沉抛物线状；近距离煤层开采过程中，因上方垮落覆岩作用，导致上下煤层之间的岩层发生断裂，从而引发上下采空区发生贯通现象，能量释放区形成泄压叠加区，此时对地表沉降的诱发效应最为明显和直观；上煤层开采覆岩变形破坏形态比下煤层更为直观，下煤层因上下煤层双重复合效应覆岩沉降现象比上煤层开采更为剧烈且对地表沉降诱发效应更大，数值模拟地表沉降值为3.7 m,相似模拟地表沉降值为5.6 m,理论计算地表沉降值为5.279 m,整体差值较小，可以相互验证。     

浅埋深薄基岩矿井综放工作面导水裂缝带发育规律研究

转龙湾煤矿首采工作面煤层埋深160 m左右,基岩厚度60～120 m,属于浅埋薄基岩开采。本文分析了转龙湾煤矿II-3煤层覆岩特征,井下现场探测了首采试验区的采动覆岩破坏导水裂缝带发育高度,采用有限差分数值仿真方法模拟了薄基岩浅埋煤层综放开采条件下的覆岩运移破坏过程。研究表明,采动覆岩塑性破坏区的形态经历了"马鞍形"—"拱(箱)形"的演化发育过程;随着采动空间的增大,采空区两端超前破坏裂隙扩展速度较中部变慢,最大导水裂缝带发育高度位于采空区中部,裂采比为20。     

山区地貌下浅埋煤层工作面开采覆岩运动及地表沉陷规律研究

为了提高山区地貌下浅埋煤层工作面开采的安全性,减少山体滑坡等地质灾害的发生,以纳雍县普洒煤矿11101工作面为工程背景,应用数值模拟和物理模拟的方法,研究山区浅埋煤层综采工作面覆岩运动及地表沉陷规律。结果表明:(1)工作面直接顶初次垮落步距为30m,基本顶初次来压步距约为50m,基本顶周期来压步距平均约为20m;(2)工作面推进至50m左右时,工作面开采影响波及到地表;(3)基本顶下沉量最大为2.13m,地表下沉值最大为1.45m,地表水平移动值最大为0.27m。山区地貌下浅埋煤层工作面开采显现出独特的沉陷形式,地表沉陷曲线呈现U型,工作面距地表越远,岩层弯曲变形幅度越大,工作面距地表越近,对地表的影响程度越大,研究成果可为类似工作面安全开采提供借鉴。