和善煤矿“两带”高度数值模拟及实测研究北大核心

为探究上位煤层采动影响对下位煤层垮落带及导水裂隙带发育规律的影响,在理论分析的基础上,运用UDEC数值模拟软件,模拟了不同层间距上位煤层底板断裂带深度与下位煤层覆岩“两带”高度变化规律,并以实际工作面为背景,采用双端堵水器对覆岩“两带”高度进行实测。结果表明:9+10号煤垮落带高度为10.6 m,导水裂隙带高度为45.79 m,上位煤层开采对下位煤层导水裂隙带的发育高度存在一定影响,且基本呈负相关趋势,上下两煤层导水裂隙带存在贯通的可能性。     

极近距煤层群重复采动覆岩破坏规律相似模拟试验研究

针对近距离煤层群下行开采时重复采动引起的覆岩冲击性破断问题以及再生破碎顶板条件下工作面安全开采问题，以潘二矿11221,11223工作面为研究背景，通过物理相似模拟试验，对极近距煤层群重复采动覆岩破坏及裂隙发育规律进行了研究。结果表明，1煤工作面覆岩垮落带平均高度22 m,裂隙最大发育高度85 m,“两带”发育高度相当于采高的24.2倍；受3煤、1煤工作面联合采动影响，裂隙带相对向上发育增加15 m,覆岩采动充分垮落角基本对称，顶板破坏范围增大；随着工作面推进，煤层群顶板均经历垮落、裂隙发育、采空区冒矸被压实的演变过程，14 m厚的粗砂岩层作为关键层抑制裂隙向上发育，在回采结束后其下方产生较大离层；3煤顶板覆岩垮落形态近似呈非对称“Π”型，相对于3煤，1煤采完后，工作面呈现出“两大一小”的特征；“两带”高度发育大，垮落带和裂隙带的高度分别增加了46%、21%,顶板下沉量大，顶板垮落步距小，初次垮落步距和周期垮落步距明显减小，来压较为缓和。研究结果可为煤层群开采的围岩控制提供参考。     

基于钻孔成像技术与数值模拟的“两带”高度研究

为了探究在顶板为厚松散层薄基岩条件下上分层开采后的垮落带和导水断裂带("两带")的高度,采用钻孔成像技术对采动后的薄基岩变形破坏特征进行现场实测。通过对比不同深度位置的钻孔成像和该孔煤层顶板埋深,获得了开采过后的垮落带以及导水断裂带的高度。在此基础上,建立了该工作面的工程地质模型,运用FLAC3D数值模拟软件,模拟该工作面上分层开采,得到了"两带"高度发育特征,并与实测结果进行对比。     

青龙寺煤矿高强度综采覆岩破坏特征实测研究

为探索青龙寺煤矿地质采矿条件下的垮落带和导水裂缝带发育高度，采用现场地面钻探、钻孔漏失量观测法、彩色钻孔电视成像技术、经验公式、类比分析综合研究方法，对5-20101与5-20105工作面覆岩垮落带、导水裂缝带高度进行实测及特殊性分析。结果表明：青龙寺煤矿地质采矿条件下垮落带最大高度为9.7～17.0 m,垮采比为4.1～7.4;导水裂缝带发育最大高度为41.47～46.87 m,裂采比为17.4～20.4;工作面推进速度可影响上覆岩层的回转角度及稳定结构的形成，高强度快速推进综采工作面地质采矿条件下的“两带”发育高度具有垮落带、导水裂缝带发育高度大的特点。     

直流电法技术在导高探测中的应用

在煤矿防治水工作中,目前常利用经验公式计算导水裂隙带高度,其结果存在一定的误差且无法直观获得覆岩破坏带(导水裂隙带、垮落带)的发育形态。而利用直流电法技术实时监测受采动影响下的覆岩电场,获取其时空变化特征,可准确掌握覆岩破坏带的动态发育过程,并为影响煤层安全开采的覆岩破坏实际高度提供地球物理场依据。试验在某矿131303工作面顶板施工导高观测钻孔,对地电场数据进行长期监测,通过数据反演,对比不同采动阶段覆岩视电阻率分布特征的变化情况,掌握了此工作面覆岩破坏带动态发育过程,并得出垮落带发育高度为13 m,导水裂隙带发育高度为41 m的结论,对此工作面的防治水工作产生了指导作用。     

应用UDEC进行顶板“三带”范围划分的数值模拟研究

顶板岩层垮落带与导水断裂带高度的划分,是进行瓦斯抽采及"三下"采煤等煤矿安全分析的重要影响因素。运用UDEC数值模拟软件,模拟赵庄煤矿3304综采工作面采动过程;结合岩层破断的理论分析,依据模拟结果中煤层顶板破坏特征及位移场的变化规律,确定受采动影响造成的顶板岩层垮落带与导水断裂带最大高度位置。结果表明:不同高度顶板岩层的最大下沉值随着顶板与煤层之间距离的增加而逐渐减小,直至基本稳定不变;通过分析煤层上方不同高度顶板岩层最大下沉值的变化规律,获得顶板岩层垮落带与导水断裂带高度分别为21.2 m和76.7 m,而现场分析结果为25.15 m和78.19 m,与数值模拟结果接近。     

含水层下“三软”煤层首采工作面覆岩破坏与矿压显现规律研究

针对新疆某矿含水层下"三软"煤层首采工作面可能存在的顶板垮落沟通含水层造成工作面突水灾害的问题,通过现场钻孔冲洗液漏失量观测、钻孔电视探测和岩芯资料,确定了首采工作面覆岩破坏"两带"分布规律。在此基础上结合工作面矿压观测和UDEC数值模拟,分析了覆岩破坏发展与矿压显现的关系。研究表明,B10煤层B1003W01工作面的"两带"垮采比为2.75~2.81,垮落带高度18.7~19.7m,裂采比为11.39~13.59,导水裂缝带高度为77.4~82.26m;首采工作面周期来压步距为10.8~14.7m,巷道变形影响区域为超前工作面50m,煤体应力开始变化在超前10m范围,峰值距离煤壁2m位置。首采工作面在"三软"条件下,"两带"发育高度达到含水层,周期来压步距短对工作面形成较频繁的动载作用,以及煤体应力峰值离煤壁近的综合作用是造成工作面容易出现淋水,发生煤壁片帮和架前冒顶的原因。     

覆岩破坏充分采动程度定义及判别

随着煤层开采深度的逐年增加,非充分采动工作面越来越多。导水裂缝带高度是实现保水开采的关键参数,但非充分采动工作面开采条件下导水裂缝带高度小于充分采动工作面。为进一步研究其原因,采用理论分析、相似模拟、数值模拟等方法研究了导水裂缝带高度影响因素的敏感性及其与工作面尺寸的关系,提出了覆岩破坏充分采动程度的定义及判别方法。结果表明:工作面尺寸对导水裂缝带高度的影响仅次于开采厚度。当工作面尺寸较小时,覆岩破坏不发育;当工作面尺寸增加到一定值时,覆岩破坏仅形成垮落带;当工作面尺寸继续增加时,覆岩破坏形成裂缝带且导水裂缝带高度随着工作面尺寸的增加而增加;当导水裂缝带高度发育至最大值后,导水裂缝带高度不再随工作面尺寸的增加而增加。覆岩破坏过程中仅形成垮落带的阶段定义为覆岩破坏的极不充分采动(即覆岩极不充分破坏);覆岩破坏过程中形成裂缝带且导水裂缝带高度随工作面尺寸增加而增加的阶段定义为覆岩破坏的非充分采动(即覆岩非充分破坏);导水裂缝带高度达到最大值且不再随工作面尺寸增加而增加的阶段定义为覆岩破坏的充分采动(即覆岩充分破坏)。导水裂缝带高度刚达到最大值时的工作面尺寸为工作面临界尺寸。当工作面尺寸小于工作面临界尺寸时,覆岩破坏为非充分采动;当工作面尺寸大于工作面临界尺寸时,覆岩破坏为充分采动。覆岩破坏充分采动程度的主要影响因素有工作面尺寸、开采厚度、开采深度、覆岩力学性质、覆岩结构特征和覆岩破断角。     

陕北某矿3号煤层开采导水裂缝带高度测定

导水裂缝带的发育规律及其高度测定对矿井绿色安全开采具有重要意义。为掌握工作面开采过程中的覆岩垮落规律与裂隙发育规律,以陕北某矿3号煤层1309工作面为研究对象,采用物理模拟和工程类比方法进行实验测定。结果表明,工作面充分采动后的导水裂缝带高度为101.7 m,裂采比33.9;覆岩中第二关键层可以有效地抑制竖向裂隙的发育,对该工作面的导水裂缝带发育起主要控制作用。研究成果可对该煤矿开采过程中顶板水害防治提供一定的指导和借鉴。     

富水覆岩采动裂隙导水特性研究

为探讨沁水煤田和顺矿区15号煤层采动覆岩导水特性,预防透水事故对煤矿安全生产的影响,利用相似材料模拟与数值模拟的方法对工作面采动覆岩导水特性进行研究,通过分析垮落带与断裂带导水通道的发育及分布特征对3号煤层老空水的渗流规律进行总结。结果表明:工作面推至175 m时覆岩主关键层破断,断裂带发育至3号煤层老空区,为顶板透水提供了导水通道,导水通道边界最大流速为9.70×10~(-4)m/s,以此为参考,对15号煤层顶板突水危险区域进行划分,为和顺矿区顶板透水事故的预防提供依据。     

近距离煤层重复采动覆岩破坏规律及“两带”发育高度分析

为研究近距离煤层重复采动下覆岩破坏规律与“两带”发育高度,预防工作面开采过程中由导水漏风通道引起的工作面顶板漏水、采空区自燃等各种安全事故,以鄂尔多斯市某煤矿为工程背景,采用井下窥视法和数值模拟对近距离煤层开采后覆岩破坏规律以及“两带”发育高度进行分析,揭示了规律形成的原因。研究结果表明：在近距离煤层重复采动影响下,“两带”发育高度远超过上煤层开采,下煤层推进80 m时裂隙带最大发育高度为88 m,与地表贯通形成导水漏风通道;初次采动与重复采动时的裂采比分别为19.33、29.33;裂隙带的发育呈台阶式上升,阶段间的变化表现为激跳形式;覆岩的破坏表现为“拱形→帽形→马鞍形→外O内蝶形”;数值模拟及拟合公式所预测的“两带”发育高度与实测值之间误差率为1%左右,验证了预测的准确性,可为相似工作面的开采以及相似工程提供借鉴。     

煤层开采覆岩破坏发育规律动态测试分析

针对工作面覆岩破坏高度观测的需要,改进单孔测试方法,利用顶板岩层钻孔和巷道形成探测区域,采用孔巷电阻率法进行电性参数采集与处理,在工作面回采推进过程中进行动态测试,根据顶板岩层视电阻率值的变化分析其内部结构变化特征,获得覆岩变形与破坏的发育规律,以及“垮落带、导水断裂带”发育高度值。在淮北某煤矿工作面顶板孔巷电性参数测试结果表明,该工作面开采条件下其垮落带高度为8.1~8.5 m,导水断裂带高度为29.0~32.5 m。根据岩层不同时间电阻率值分布的有效对比,可清晰分辨煤层顶板岩层变形与破坏的过程和规律,且多断面测试结果表明其实测结果的可靠性。     

综采工作面复合顶板采动裂隙发育规律数值模拟

基于古书院矿15#煤层152303工作面复合顶板采动裂隙的基础条件,采用RFPA模拟软件,模拟受采动影响工作面覆岩的变化规律,对工作面开采的垮落步距、卸压角等进行分析,研究覆岩最终垮落形态,结合理论计算确定"三带"高度。在对综采工作面煤层瓦斯赋存规律和瓦斯涌出来源分析的基础上,提出了高位钻孔抽采瓦斯的方法,最终确定综采工作面瓦斯治理技术措施及钻孔布置参数。     

综放工作面垮落带高度测定方法研究

为解决高瓦斯矿井综放工作面垮落带高度难以精确测定,造成工作面两端头难维护、预抽钻孔终孔位置难以确定等问题,依据工作面采动后顶板岩层破断垮落、弯曲下沉对采空区煤层底板施加压力的情况,结合采空区上覆各岩层的厚度和密度,提出了垮落带发育高度的测定方法。以大平矿N1S2综放工作面为例,现场测试结果表明:利用该测定方法测得的垮落带高度为88.65 m,钻孔冲洗液法测得的垮落带高度为88.20 m,二者绝对误差仅为0.45 m。     

深厚松散层薄基岩条件下覆岩破坏高度实测分析

赵固一矿首采面上覆松散层厚大于518 m,基岩厚小于80 m,为获得开采后覆岩垮落带和导水裂缝带的高度,合理确定工作面开采上限,采用地面钻孔观测法对该首采面覆岩的破坏高度进行了观测,并对钻孔设计、钻孔施工和"两带"高度判别方法进行了研究分析.观测结果表明:该首采面垮落带发育高度为13.1 m,垮采比为3.85,导水裂缝带发育高度大于29.2 m,裂采比大于8.59,该结果与相似模拟试验值和数值模拟值基本吻合,相互得到验证.     

覆岩破坏充分采动程度定义及判别方法

随着煤层开采深度的逐年增加,非充分采动工作面越来越多。导水裂缝带高度是实现保水开采的关键参数,但非充分采动工作面开采条件下导水裂缝带高度小于充分采动工作面。为进一步研究其原因,采用理论分析、相似模拟、数值模拟等方法研究了导水裂缝带高度影响因素的敏感性及其与工作面尺寸的关系,提出了覆岩破坏充分采动程度的定义及判别方法。结果表明:工作面尺寸对导水裂缝带高度的影响仅次于开采厚度。当工作面尺寸较小时,覆岩破坏不发育;当工作面尺寸增加到一定值时,覆岩破坏仅形成垮落带;当工作面尺寸继续增加时,覆岩破坏形成裂缝带且导水裂缝带高度随着工作面尺寸的增加而增加;当导水裂缝带高度发育至最大值后,导水裂缝带高度不再随工作面尺寸的增加而增加。覆岩破坏过程中仅形成垮落带的阶段定义为覆岩破坏的极不充分采动(即覆岩极不充分破坏);覆岩破坏过程中形成裂缝带且导水裂缝带高度随工作面尺寸增加而增加的阶段定义为覆岩破坏的非充分采动(即覆岩非充分破坏);导水裂缝带高度达到最大值且不再随工作面尺寸增加而增加的阶段定义为覆岩破坏的充分采动(即覆岩充分破坏)。导水裂缝带高度刚达到最大值时的工作面尺寸为工作面临界尺寸。当工作面尺寸小于工作面临界尺寸时,覆岩破坏为非充分采动;当工作面尺寸大于工作面临界尺寸时,覆岩破坏为充分采动。覆岩破坏充分采动程度的主要影响因素有工作面尺寸、开采厚度、开采深度、覆岩力学性质、覆岩结构特征和覆岩破断角。     

神南矿区浅埋近距离煤层开采覆岩导水断裂带发育高度研究北大核心

针对神南矿区浅埋近距离煤层重复采动覆岩导水裂隙可能导通含水层,诱发突水灾害问题,采用理论分析、相似模拟、数值模拟和现场钻孔实测方法研究了柠条塔矿近距离1^(-2)煤和2^(-2)煤开采覆岩导水断裂带发育规律;1^(-2)煤充分采动时,覆岩断裂带高度约为50 m,尚未与第四系松散孔隙潜水和侏罗系风化基岩承压水连通;当1^(-2)煤和2^(-2)煤重复采动时,理论预测导水断裂带高度约为136 m,物理和数值模拟得知覆岩断裂带发育高度约为140 m,现场钻孔实测导水断裂带的高度约为135 m,三者非常吻合,断裂带与侏罗系风化基岩承压水连通。提出了超前工作面300 m从回采巷道向侏罗系风化基岩打钻孔疏放承压水的措施,现场实践表明:2^(-2)煤开采过程中未发生突水溃沙事故。     

海下采煤软弱覆岩导水断裂带发育高度研究

龙口矿区海域煤层开采后软弱覆岩导水断裂带的发育高度直接影响了海下安全开采。在分析龙口矿区海域软岩工程地质特征的基础上,运用有限差分法、相似材料模拟试验并结合现场实测资料,研究了海下采煤软弱覆岩变形破坏规律。结果表明：煤层顶板软岩剪切破坏后,裂隙连通性及导水性相对较弱,岩体仍具有一定阻水能力;海底煤层开采后,覆岩垂直剖面由上至下分为剪切破坏带、拉剪破坏带和拉伸破坏带;开采过程中,导水断裂带高度随工作面推进逐渐增加,并最终达到稳定;6 m厚煤层采全高时,导水断裂带发育高度为48.2~55.0 m。最后,经统计提出了海下采煤软弱覆岩中导水断裂带发育高度的计算公式。     

厚松散层薄基岩坚硬顶板工作面覆岩破坏电法监测

掌握导水裂缝带发育高度对于厚松散层薄基岩煤矿工作面安全开采具有重要的意义。在煤层采动影响前,在工作面巷道向煤层工作面顶板施工1个仰孔,布置孔中电极电缆,形成钻孔电法监测系统。在巷道中连接并行电法仪器和钻孔电缆,数据采集方式称为AM法。随采煤工作面位置逐渐接近并进入钻孔控制范围,监测电极电流值和视电阻率值发生变化。结果表明:对潘北煤矿厚松散层薄基岩坚硬顶板工作面电法监测显示,弯曲下沉带电极电流值和视电阻率值较为稳定,受采动影响程度较小;导水裂缝带内,电极电流值明显下降,视电阻率值明显升高;顶板高度0~40 m采动超前影响范围可达410 m左右;工作面坚硬顶板砂岩地层为控制覆岩破坏的关键层,采空区上方坚硬顶板岩层垮落滞后工作面9~16 m;工作面导水裂缝带高度为37 m,导水裂缝带未发育到基岩面,风化砂质泥岩裂隙在采动应力作用下存在闭合现象。     

坚硬顶板综放面覆岩垮落及导水裂隙研究

以北辛窑煤矿2#煤首采面开采为背景,采用物理相似模拟的方法,运用全站仪与钻孔电视研究了坚硬顶板综放面覆岩垮落特征及导水裂隙带发育高度。结果表明:8103首采面来压步距大,煤层回采后覆岩表面导水裂隙带高度为115～135 m;关键层发生破断时覆岩表面位移变化明显,煤层回采后距开切眼240 m处地表沉降达到5 m以上;通过对煤层回采后1#钻孔内部裂隙分析,认为中下部和下部垮落覆岩是储水和导水的主要空间,对1#和2#钻孔不同回采距离下内部裂隙发育高度分析可得,导水裂隙带高度最终稳定在125.2～128.2 m,这对工作面两带高度确定和防治水措施的制定,具有重要的指导意义。