采场上覆岩层采动裂隙演化规律相似模拟研究

为得到薄基岩厚风积沙地区采场裂隙带发育高度及演化特征,基于采场覆岩"三带"的划分,对薄基岩地区厚风积沙煤层采动过程中裂隙发育特征进行相似材料模拟试验研究,得到开采过程中上覆岩层垮落破坏特征及运移规律,岩层内部压力分布规律,分析采动裂隙带发育高度及存在形态与工作面推进速度的关系。结果表明:补连塔煤矿12406工作面周期来压步距为22.5~30.0 m;上覆岩层的破断角在采空区侧为64°,在煤壁侧为61°;裂隙带高度为157.1 m,为工作面采高的26.18倍;工作面上覆岩层下沉趋势呈非线性曲线,移动形态具有非对称性。     

煤层开采采厚效应的相似模拟研究

通过相似模拟实验,得到了采厚分别为6、8、12 m时,垮落带、裂隙带、弯曲沉降带的发育过程及发育高度,具体分析了垮落带、裂隙带、弯曲沉降带及来压步距的采厚效应,得到了垮落带、裂隙带、弯曲沉降带高度随采厚增加的增长模式,来压步距随采厚的变化趋势:垮落带为台阶式增长,裂隙带为近似分段线性式增长,随着采厚增加,初次来压步距依次为75、60、80 m,并不是单调的递增也不是单调的递减关系。     

新疆伊犁矿区采动覆岩活动规律氡气探测三维物理模拟试验研究

以新疆伊犁四矿21103综放工作面采矿地质条件为工程背景,针对伊犁矿区弱胶结地层条件开展了采动覆岩活动规律氡气探测三维物理模拟试验。结果表明:伊犁矿区弱胶结地层中覆岩无明显的关键层结构,覆岩采动裂隙随工作面推进同步向上发育;21103综放工作面初次来压步距约40 m,周期来压步距约20 m;采动覆岩垮落带高度为31.7 m,裂隙带高度为29.8 m,弯曲下沉带高度为53.5 m。试验过程中氡气浓度最大值约5 300 Bq/m3,表明弱胶结地层内部原生裂隙较为发育,可以给氡气运移提供较好的优势通道,采动覆岩"裂隙发育-基本顶破断-裂隙闭合"过程与氡气浓度"增大-峰值-减少"过程二者之间具有明显的对应关系。     

余吾煤业7602工作面“三带”发育规律相似材料模拟试验研究

为了研究采动条件下瓦斯运移与裂隙分布的动态关系,同时为治理采空区瓦斯提供指导,利用相似模拟试验研究了7602工作面采动覆岩裂隙发育规律。研究结果显示:7602工作面的初次来压步距大约有30 m,周期来压大约在16 m;"两带"发育高度约为90 m,其中冒落带高度为22 m,裂隙带高度为68 m。裂隙发育位置的确定,可以为高位钻孔和高抽巷终孔位置的确定提供依据,并且为矿井瓦斯抽采及瓦斯灾害、顶板冒落事故及透水事故防治等提供技术支持。     

大倾角煤层俯斜开采覆岩运动规律相似模拟

以大倾角煤层俯采采场为研究对象,采用相似材料模拟和理论分析的方法研究了采场覆岩垮落规律以及空间结构动态演化规律,以此为基础建立了覆岩空间结构力学模型。结果表明:俯斜开采顶板来压步距较长,基本顶初次来压步距约50 m,周期来压步距约25 m;采场覆岩空间结构是不断演化的,最终将形成多个不同层位的基本顶岩梁结构和1个横贯整个采场的"非对称裂隙拱结构",采场中上部原下位基本顶岩梁会转化为冒落带,基本顶岩梁呈"阶梯状"沿倾向向上位岩层发展。采场下部区域,拱脚支承位置低,约束程度强,但容易产生煤壁片帮和架前冒顶,需加强"支架-围岩"系统的稳定性控制。     

近浅埋煤层重复采动覆岩裂隙发育相似模拟

为了得到近距离浅埋煤层重复采动对覆岩裂隙发育的影响,以神东集团石圪台矿为工程背景,利用相似理论进行相似模拟实验,通过对比单层煤开采与重复采动在矿压显现和移动破坏等方面的变化对覆岩裂隙发育进行分析,得出了近距离煤层重复采动对覆岩位移、矿压及裂隙演化的特征影响。结果表明:相比于单一煤层开采,重复采动覆岩裂隙明显增多,来压步距有所减短;覆岩达到最大下沉量位置更靠近开切眼一侧,为工程实践提供了一定理论基础。     

浅埋煤层重复采动下覆岩运动及裂隙演化规律分析

为了更深入的解析浅埋煤层在重复采动下的覆岩运动规律,通过使用UDEC数值模拟方法,对山西某煤矿1#、2#煤层进行模拟开采,最终得出浅埋煤层重复采动下覆岩运动及裂隙演化规律,并通过二维物理相似模拟实验来验证,结果表明:1#煤层开采后,工作面初次来压步距为30 m,大约每开挖10 m形成一次周期来压,周期来压步距约为10 ...     

近距离煤层群重复采动覆岩破坏规律分析研究

以阳煤一矿近距离煤层群为研究对象,通过二维物理相似材料模拟试验的方法,对近距离煤层群重复采动情况下覆岩破坏及裂隙发展规律进行分析。结果表明:12~#煤层周期来压步距平均为18cm,15~#煤层周期来压步距平均为14.5cm,下行开采条件下,下煤层回采周期来压步距小于上煤层回采周期来压步距。12~#煤层模拟回采垮落带高度为8cm,裂隙带最大高度为40cm,15~#煤层模拟回采垮落带高度为17cm,裂隙带最大高度为116cm。相关研究结论可为相似条件煤层覆岩破坏研究提供参考。     

高瓦斯煤层覆岩活动规律研究

为了提高高瓦斯煤层采空区覆岩卸压瓦斯抽采效果,以微震监测的技术手段,对采动过程中采空区覆岩微震事件进行监测并记录,据此对采空区覆岩的破裂特征进行分析得到采动裂隙带的空间位置,进而判定采动覆岩高位瓦斯富集区。监测结果表明:工作面在回采期间周期来压步距约20 m,采动裂隙带高度约45 m,以此确定了高抽巷的垂距在38 m时最为合理,并利用理论计算的方法对此进行了验证。     

低透煤层采空区覆岩高位瓦斯富集区微震探测及应用

为了提高低透气性煤层采空区覆岩卸压瓦斯的抽采效果,采用微震监测技术,对工作面推进过程中采空区覆岩微震事件的演化过程进行了监测,进而分析了采空区覆岩的空间破裂特征,并依据微震监测分析得到的采动裂隙带位置及周期来压步距,设计了高位钻孔瓦斯抽采参数,检验了瓦斯抽采效果。结果表明:工作面回采期间周期来压步距在16 m左右,形成的采动裂隙带高度在50 m左右,据此设计的高位瓦斯抽采钻孔瓦斯抽采量和抽采体积分数分别提升了100%和150%,表明微震监测技术可准确探测采空区覆岩高位瓦斯富集区的空间位置,为瓦斯抽采钻孔设计提供了依据。     

基于耗散结构的矿区采动生态承载力演变趋势

基于耗散结构分析矿区采动生态承载力的演变趋势。首先分析矿区生态环境系统及其特征,提出矿区采动生态环境承载力的概念。利用矿区生态环境系统的耗散结构特征分析矿区采动生态环境承载力的演变规律,借助于RS技术测算采动生态环境承载力各状态变量值并进行采动变化趋势拟合,基于此构建矿区采动生态环境承载力的测算模型。最后以山西潞安矿区某典型开采沉陷区为例进行采动生态环境承载力测算及其采动效应分析,结果表明：研究区生态环境承载力呈现“巢形”采动变化趋势;可分解为4个演变阶段,即采后4~8 a的急剧下降阶段,采后9~12 a的缓慢下降阶段,采后13~22 a的低水平（约为6.0）维持阶段和采后23~40 a的缓慢复苏阶段。     

洛河组砂岩含水层下大采高工作面导水断裂带演化规律

针对旬耀矿区厚煤层大采高工作面上覆洛河组砂岩含水层下的安全采煤问题,采用理论分析、相似材料试验和数值模拟研究了某矿1109大采高工作面覆岩破断及裂隙演化规律。研究表明:上覆岩层经历了直接顶破断、基本顶初次破断与周期破断、亚关键层初次破断与周期破断5个阶段,破断发生引起工作面煤壁上方裂隙密度和开度发生跃变,采空区覆岩裂隙经历孕育、产生、张开、闭合、压实5个动态阶段;从开切眼到充分采动过程中,在裂隙带的上部、工作面煤壁上方及开切眼上方裂隙较为发育,裂隙区近似"抛物线"状,采空区中部覆岩裂隙闭合而边界处裂隙不易闭合;工作面充分采动后,导水断裂带发育高度82~85 m,未导通上覆洛河组砂岩。     

裂隙带顶板巷道围岩破坏机理及稳定性控制

针对上行开采过程中顶板巷道支护困难的问题,采用UDEC离散元数值模拟软件对上行开采过程中采场采动裂隙、塑性区以及巷道围岩裂隙、塑性区发育进行了系统的研究和分析,研究结果表明:采动作用下顶板巷道围岩破坏以巷道顶、底板破坏最为明显,靠工作面侧的巷帮破坏次之。采场采动裂隙、塑性区发育与巷道围岩裂隙、塑性区发育在工作面的推进过程中不断相互吸引和促进,最终贯通。同时,当采动作用达到一定程度时,采动裂隙会以顶板巷道顶板为起点向上发育,而巷道肩角处塑性区向上产生畸形发展,其发育方向与采场覆岩断裂角一致,其发育高度远远大于未受采动影响的巷道塑性区发育高度。基于分析结果,提出了上行开采裂隙带顶板巷道支护策略,并以山脚树矿上行开采为工程背景对其顶板巷道原有的支护形式进行了改进,改进后的支护能够有效保证巷道围岩稳定。以上研究成果可为上行开采工程中顶板巷道的支护提供设计参考,丰富采动巷道围岩稳定性控制理论成果。     

超千米深部矿井采动应力显现规律

我国浅部煤炭资源逐渐耗竭,开采深度逐渐进入1 000～2 000 m水平,常常伴有大量的工程灾害,其根本原因是深部采动应力场的显现规律与响应规律不清楚。以平煤股份十二矿超千米深己15-31030工作面为研究基地,开展了不同开采速率下超千米煤层采动应力显现规律及响应特征研究,并集成"锚杆应力-钻孔应力-钻孔裂隙窥视"等研究手段进行现场原位测试。结果表明:随着采煤工作面的不断推进,超前支承压力峰值先是交替上升,回采距离超过80 m时,由于埋深较大导致支承压力峰值增长变缓并最终在85 MPa左右波动,应力集中系数达3. 3,高于一般浅部工作面集中系数;同时上覆岩层在采动影响下形成垮落带、断裂带、弯曲下沉带的"三带"结构;其次,随着开采速度增大,超前支承压力峰值逐渐增大,峰值点距采煤工作面的距离相应减小,基本顶断裂形成的岩块长度也越长;工作面支架压力随着采煤工作面持续推进呈现出周期上升的趋势。在采动影响下,由于扰动后应力重分布及能量释放,锚杆应力呈现出先增长后降低的趋势,得出工作面采动影响范围大约为85 m,钻孔应力距采煤工作面75 m左右时进入采动影响范围开始上升,而后进入支承压力降低区,应力开始出现小幅度下降;随着采煤工作面不断推进,强烈的开采扰动导致裂隙不断发育,裂隙逐渐发育成纵横交错的破碎带,并向顶板上方发展。     

采动裂隙椭抛带分布特征的相似模拟实验分析

煤层开采后,覆岩采动裂隙分布特征与卸压瓦斯抽采密切相关。基于相似原理,进行了覆岩采动裂隙分布特征的物理相似材料模拟实验。根据实验中裂隙带及压实带的拟合曲线,说明覆岩采动裂隙分布特征是椭抛带形态。通过观测覆岩裂隙的裂隙密度、离层率、带宽及碎胀特征,进一步研究了采动裂隙椭抛带的发育、发展规律。最后在试验分析的基础上,推导出采动裂隙椭抛带的空间分布数学模型,为确定合理的卸压瓦斯抽采钻孔终孔位置提供了依据。     

基于分形理论的采动裂隙时空演化规律研究

为掌握采动影响区覆岩裂隙时空演化规律,进行采动条件下裂隙场演化实验室相似模拟实验,采用数理统计方法对裂隙场分布进行定性分析,利用分形理论定量描述裂隙时空演化规律。研究结果表明:采动影响覆岩裂隙场划分为4个区域,即离层低角度裂隙区,采空区中部垮落及断裂带中角度区,裂隙扩展高角度区,中、高角度过渡区;引入分形理论,对采动影响覆岩裂隙演化的几个重要阶段的变化趋势和程度进行定量描述;通过分析裂隙张开的程度得出中、高角度过渡区是瓦斯抽采工程措施实施的主要区域。     

综采工作面覆岩压实区演化采高效应分析及应用

采用相似材料物理模拟试验及理论分析,研究在不同采高条件下覆岩压实区的动态演化规律及形态特征。研究结果表明:在煤层开采之后,采动覆岩离层量分布呈“马鞍”状,采空区底板在一定区域内存在应力集中,结合两者可作为压实区底部边界判定依据;采空区覆岩压实区的形态及时空演化规律受采高与工作面推进距离的共同影响,得到了压实区宽度、高度及垮落角度的演化规律与采高的关系;同时,结合冒落带岩体的碎胀特征与底板应力集中的特点,分析了压实区压实程度的采高效应,即在一定范围内,采高越高,压实程度越大。基于采动裂隙椭抛带理论,在试验结果分析的基础上,建立了采动裂隙椭抛带压实区的数学表达方程,为卸压瓦斯抽采系统的布置及参数优化提供借鉴。     

采动裂隙椭抛带动态演化及煤与甲烷共采

为研究采动覆岩裂隙演化及其中瓦斯的运移规律,通过物理相似模拟及数值模拟发现,煤层开采后采动覆岩裂隙形态可用椭抛带来表征。基于岩层控制关键层理论,建立了考虑采高及第一亚关键层与煤层顶板间距的采动裂隙椭抛带动态演化数学模型。运用环境流体力学,传质学,渗流力学,采动岩体力学等理论,得到采动煤体应力与卸压瓦斯渗流,纵向破断裂隙区瓦斯升浮,以及横向离层裂隙区瓦斯扩散等方程,构建出椭抛带中卸压瓦斯渗流-升浮-扩散综合控制模型。分析了椭抛带卸压瓦斯抽采机理,提出相应的煤与甲烷共采技术。通过山西天池煤矿抽采卸压瓦斯的现场实践,说明采动裂隙椭抛带是卸压瓦斯的储运区,将瓦斯抽采系统布置其中,可取得良好效果。     

唐山市南湖采煤沉陷区蓄水安全分析与评估

唐山南湖采煤沉陷区蓄水的安全问题,涉及到湖泊景观的保持和唐山矿井下的安全生产。基于南湖采煤沉陷区的地质采矿条件,通过计算煤层采后的采动裂缝发育高度,探讨采动裂缝导通地表水的可能性,分析急倾斜煤层露头局部抽冒对地表水的影响,观测近年来地表水与各含水层的水位变化,提取水样检测地表水与地下水的水质相关性,统计分析地表水与井下涌水量变化之间的关系。研究结果表明:唐山市南湖蓄水区域下有厚40~50 m的冲积层隔水层,由粘土、砂质粘土组成,隔水性能好,对积水下渗起到阻碍作用;煤层开采引起采动裂隙不会到达冲积层而坡坏冲积层内隔水层的隔水性,局部抽冒不会造成地表水直接进入井下;地表水与地下水的水位、水质、水量相关性分析,进一步表明地表水与井下涌水不存在直接水力联系。因此,唐山市南湖采煤沉陷区蓄水是安全可行的。     

神东保德浅埋煤层覆岩裂隙带高度数值指标判别阈值及采高效应

覆岩裂隙带高度是研究覆岩变形破坏的重要指标,而现有单一指标无法反映空间采场围岩不同空间部位的破裂程度。本文以神东典型浅埋条件保德矿81505工作面为研究背景,基于室内实验对岩体破裂度进行了RFD阈值划分并构建相似模型和数值模型;基于围岩破坏度指标RFD提取了数值模拟中的最大破坏深度,并对比相似模拟结果研究了覆岩采动裂隙带发育高度规律及随采高的变化规律。结果表明,围岩破坏度指标RFD可以很好地评测神东典型浅埋条件下采动裂隙带的发育特征,裂隙带发育高度随采高的增大而持续增高,但增长速率逐渐减小。本研究为裂隙带分布破坏特征、矿压显现及安全开采提供理论支撑及技术依据。