3109综采面覆岩垮落、裂隙带模拟与结果分析

工作面开挖后,上覆岩层将发生破断及垮落.为获得3109综采工作面覆岩垮落、裂隙带高度,本文采用相似模拟方法试验了工作面开采过程中覆岩破断演化过程.结果表明:直接顶的初次破断是垮落带发育的主要原因,而老顶的第一次周期来压则造成垮落带再次发育,裂隙带高度在老顶初次破断前发育较为缓慢,而在老顶发生破断后快速增加,并最终逐渐趋于稳定,3109工作面垮落带发育高度约12.2 m,裂隙带高度约33.0 m.     

水体下开采覆岩破断及裂隙演化规律

鉴于水体下开采采动裂隙发育规律对井下安全性评价的重要作用,以水库下综放开采为工程背景,采用关键层理论、组合岩梁理论,并采用相似模拟物理试验手段,研究了覆岩的破断规律,以及在覆岩组合岩层及关键层破断过程中,岩层垂直位移、导水断裂带发育高度以及覆岩裂隙网络的演化规律。研究结果表明:主关键层垮落前后,观测线采空区中部测点的下沉曲线斜率较大,岩层垂直方向上下沉剧烈;导水断裂带发育高度曲线随着覆岩岩层组合周期性垮落呈现出台阶跃升,且两台阶的间距即为覆岩的周期垮落步距;当主关键层垮落后,覆岩导水断裂带发育高度稳定,导水断裂带顶界位于亚关键层Ⅱ下部。裂隙网络的富集区主要集中在前后煤壁,且靠近开切眼侧裂隙区裂隙密度大于停采线侧裂隙密度,由于采空区中部破断岩层在上覆载荷的作用下裂隙压实闭合,造成模型裂隙密度曲线呈偏态"马鞍"状。     

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。     

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。     

综采工作面覆岩破断规律试验及高位钻孔参数优化

根据祁东煤矿6135工作面开采工程条件,运用相似材料模拟实验方法,对上覆岩层随工作面推进时的破断规律进行研究,结合经验公式和相似模拟结果综合判定了工作面上覆岩层垮落带高度范围为0~7.1 m,断裂带高度范围为7.1~30.1 m;采用FLAC3D数值模拟软件模拟得出覆岩裂隙发育区角度范围,为优化高位钻孔布置参数提供了可靠的依据。     

木瓜煤矿中厚煤层采场覆岩破断规律研究

木瓜煤矿10-201工作面主采9号煤层厚度较大,为了解采场覆岩破断规律,借助UDEC数值模拟软件进行研究,结果表明工作面回采20 m时,直接顶岩层全部垮落充填采空区,初次来压步距为35 m,周期来压步距为20 m,裂隙带发育高度为45 m。通过现场监测工作面液压支架工作阻力变化情况及采场“两带”高度观测,得出结论:工作面推进20 m后,直接顶岩层全部垮落充填采空区,初次来压步距为38 m,周期来压步距为20 m,裂隙带发育高度为47 m,与数值模拟结果基本吻合。     

韩家湾煤矿浅埋近距离煤层群覆岩破坏规律研究

为研究浅埋深、近距离煤层群条件下的覆岩破坏规律,以韩家湾煤矿214201工作面为背景,开展了覆岩地面钻孔、漏失量观测法实测、相似材料模拟研究工作。经对实测数据整理,分析了该地质采矿条件下的覆岩破坏特征,覆岩“两带”发育高度、岩层破断角等。实测得到仅采3-1煤非充分采动的垮采比为6.5、仅采4-2煤垮采比为7.3|相似材料模拟顺序开采2-2煤垮采比为6.0,3-1煤垮采比为6.8,4-2煤垮采比为5.8;2-2煤岩层破断角为59.5°～69°,3-1煤岩层破断角为66°～71°,4-2煤岩层破断角为57°～68°;2-2煤初次来压步距45m,周期来压步距为11～17m;4-2煤初次来压步距为63m,周期来压步距为13～21m。研究表明：韩家湾煤矿浅埋深、近距离煤层群开采条件下,上覆岩层只发育有“两带”,下部煤层垮采比降低、上煤层垮采比升高,下部岩层破断角降低、周期来压步距增大的特征。     

黄土覆盖下开采沉陷影响研究分析

通过运用相似模拟实验和FLAC3D数值模拟对我国北方由于黄土覆盖区域下的煤层开采造成的地表沉陷进行研究。数值模拟实验研究得出:由于煤层开采时受开采推力和上覆岩层自重的影响,位于采空区上部的覆岩会不断发生向采空区方向的垮落,在覆岩垮落达到一定程度时会逐步使地表发生沉降,且沉降是随采掘长度不断增加而加大。相似模拟实验研究得出:工作面向前推进时,位于采空区上方的顶板发生初次垮落长度为280mm(56m),来压长度210mm(42m),垮落高度16mm(3.2m),即初次来压。相似模拟实验中,在水平推力和开采扰动的影响下,黄土覆盖地表沉降和数值模拟基本相似,当开采终止后,其最大沉降值为36.48mm(7.296m),共发生9次来压,平均来压步距为131mm(26.2m)。     

保护层开采覆岩移动规律相似模拟试验研究

以祁东煤矿高瓦斯突出煤层群开采为工程背景,利用相似模拟试验研究了保护层开采对上覆岩层移动规律的影响,试验结果表明:工作面存在大小周期来压现象,大周期来压步距为18.0~25.0 m,小周期垮落步距约为15.0~17.5 m;分析得出工作面回采后的支承压力分布规律以及来压时动载系数的大小;垮落带最大发育高度为8.0~10.0 m,覆岩离层最大发育高度为23 m。该研究成果为指导采空区高位钻孔及地面井瓦斯抽采参数设计提供了重要的理论依据。     

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°。     

大柳塔煤矿多煤层开采覆岩变形破坏模拟研究

针对大柳塔煤矿远距离多煤层开采冒裂带发育及采动影响问题,通过相似模拟和数值模拟计算,系统研究了2个主采煤层开采过程中覆岩垮落、裂隙发育及地表沉陷规律。研究结果表明：浅部2-2煤覆岩主关键层破断后,顶板基岩会发生直达地表的整体切落现象,5-2煤一次采全高长壁开采冒裂带连通上部采空区,形成工作面涌水的导水通道;重复采动岩层与地表移动和变形值增大,非连续性破坏增加;采空区上覆岩体依据主应力分布可划分为双向拉应力区、拉压应力区和压应力区3个区,主应力状态对采动裂隙的形成、发育起着控制作用;采动影响与工作面几何参数密切相关,地表沉陷随着工作面斜长或采厚的降低而减小。研究成果对大柳塔及类似条件下的煤矿安全开采与设计有指导意义。     

矿井开采对煤层顶底板影响研究

为了研究矿井开采对煤层顶底板的影响,采用理论分析的方法,分析了矿井开采对煤层顶板的影响、矿井开采对煤层底板的影响,首先研究了矿井开采对顶板影响范围、计算了首采层开采对上覆岩层的塌陷范围;然后,研究了矿井开采对底板破坏范围,以新田煤矿4号煤层工作面为例,研究得出:采空区对上覆岩层影响形成的塌陷盆地最大边缘为采空区外9.748 m;1401工作面回采对底板最大破坏深度71 m。研究为类似工程条件的开采对煤层顶底板影响范围提供理论依据。     

浅埋房式采空区下煤层长壁综采矿压规律研究

根据温家梁三号煤矿地质生产条件,采用理论分析、数值模拟及现场实测等方法,分析了浅埋房式采空区下综采长壁工作面矿压规律。结果表明:工作面充分采动后覆岩呈现冒落带与裂隙带的"两带"发育特征;在工作面来压期间出现顶板沿支架前方煤壁处切落现象,台阶下沉量高达1.0m,在地表形成断裂地堑。     

空场嗣后充填开采法矿房数值模拟分析与参数优化

本文针对近地表萤石矿房开采所导致的顶板及地表沉陷问题，建立了矿体开采摩尔库伦模型，通过数值分析对开采扰动对上覆岩层的影响进行了研究，得到了不同开采方案下顶板位移沉降值及应力分布，综合模拟结果进行分析，由于矿房开采宽度减小，出现应力集中现象，导致10m、8m、6m、4m矿房宽度开采方案顶板最大垂直应力基本呈递增趋势，结合位移分析结果可知，由于埋深较浅，及顶板悬露跨度大幅减少的原因，最终使得应力的小幅增长未对顶板沉降产生更大的影响，使得顶板沉降量与矿房宽度仍呈正比关系。在支护条件下，4m宽度方案开采推进至30m左右位置时，顶板及地表都会发生一定的沉降。     

综放开采下厚表土层移动规律研究

为研究厚表土层在综放开采条件下的移动规律,在长治矿区高河矿W1303工作面建立了地表岩移测站。通过对实测数据的分析得出了最大下沉点位于采空区上部Z29,Z30,Z32测点,并得出了一系列上覆岩层的移动角参数。通过理论分析,得出在综放开采条件下上覆岩层的移动变形表现形式分为前期和后期两种。同时得出影响上覆岩层移动的主要因素有上覆岩层岩性、关键层的位置及作用、开采尺寸、工作面推进速度及顶板管理情况等。并结合FLAC3D数值模拟软件分别模拟了表土层厚度为140、190、240 m在回采过程中的地表移动规律,得出了表土层厚度为190 m与实际地表层厚度为189.43 m的移动规律相符。因此针对厚表土层在综放开采条件下的岩层移动规律的研究可为长治矿区矿井建设提供一定的参考价值。     

缓倾煤层采空区滑坡形成机制数值模拟研究

以贵州都匀马达岭滑坡为例,采用离散元方法,研究了缓倾煤层采空区滑坡的变形发展过程,提出了该类矿区滑坡防治建议。研究结果表明:采空区顶板塌陷导致上覆岩层弯曲-沉陷,地表产生沉降变形,同时采空区边界部位产生倾倒式拉裂,在地表形成深大拉裂;采空区上部岩体沉陷变形导致坡脚部位岩层往坡外剪切滑移;中部滑面沿变形后倾向坡外的层面和陡倾节理组合形成阶梯状滑面。滑坡形成机制可概括为由采空区顶板变形引发的阶梯状蠕滑—拉裂—剪切滑移式滑坡。缓倾煤层采空区滑坡的防治应从防止采空区顶板塌陷入手,通过回填矸石或加强顶板的永久支护来防治采空区上覆坡体的变形。     

综放工作面上覆岩层变形破坏时空演化特征试验研究

采用相似模拟实验方法进行采空区工作面顶板垮落过程中上覆岩层变形破坏试验研究。以CCD相机构建实验图像数据采集系统,采用数字散斑相关方法对上覆岩层位移场和垮落角进行了分析,研究了上覆岩层垮落区域裂隙演化、位移演化及偏态特征。研究结果表明:工作面顶板垮落过程中上覆岩层垮落角角度随垮落区域形状不断变化,垮落高度逐渐减小直至平稳,垮落面积逐渐增大直至平稳;在竖直方向上,上覆岩层垮落带呈宽缓的W型沉降、裂隙带和弯曲下沉带呈V型沉降;在水平方向上,下部上覆岩层向两侧移动、上部岩层向中间移动,造成各岩层间发生摩擦滑动,并对两侧未开挖区域及煤柱产生弯矩作用;工作面顶板跨落后形成偏态,开切眼侧垮落角大于开采侧垮落角,并在开采侧形成岩移角,开切眼侧的下沉曲线较陡、工作面侧下沉曲线较缓。根据实际工程背景,计算了地表塌陷影响范围,为煤矿开采对上覆岩层影响范围和程度以及后续采空区治理等问题评估提供了必要依据。     

近距离房柱采空区下长壁采场顶板垮落特征研究

为了研究近距离房柱采空区下长壁采场覆岩随时间变化的渐进破断过程和采动裂隙的发展演化规律,以唐山沟煤矿某工作面为工程试验背景,采用物理相似模拟、顶板下沉梯度分析和图像增强算法方法研究了11-2煤房柱式开采后下部近距离的12煤长壁采场顶板岩层破断垮落及裂隙扩展情况.通过实验观察,并从能量释放的角度对岩层运移变化进行分析,结果表明:在近距离房柱采空区下,采用长壁回采工艺时,上部煤柱随时间变化产生破裂失稳,上覆岩层的能量以周期性的方式积累和释放,同时,每隔一个大的周期,有较大能量的突然释放.在此过程中,长壁采场顶板裂隙发育明显,裂隙扩展迅速,裂隙易与上部房柱采空区煤房导通,加速煤柱失效,并形成导水通道.     

马脊梁煤矿浅埋煤层开采覆岩活动规律的相似模拟

为了搞清“两硬”浅埋煤层开采覆岩活动规律,以大同煤业集团马脊梁煤矿为原型,在实验室进行了相似模拟实验,发现“两硬”浅埋煤层刀柱开采发生的大面积来压其实是多米诺效应引起的覆岩大面积切冒,垮落从直接顶开始,逐步扩展至松散层。地表下沉最大处出现在地表沉陷区的中部,上覆岩层的运移以垂直位移为主,呈倒梯形整体下沉。     

红泥坡铜矿采场覆岩变形破坏规律试验研究

为探讨红泥坡铜矿采场上覆岩层变形破坏、岩层冒落演化规律,采用相似模拟试验开展了相关研究。研究结果显示:在空场条件下,当开采至第三分段时,采场直接顶板发生冒落,冒落高度达8～10m,上覆岩层位移0.1～0.3m,若继续开采,采空区冒落高度达29m左右,上覆岩层最大位移达到0.6m;当矿体开采第一分段时,上覆岩层应力状态变化已发展至近地表覆盖层的局部区域,开采第二分段时,地下采动作用对近地表覆盖层应力场的影响范围逐渐增大且覆盖层呈现出不均匀的变形状态,若继续开采,上覆岩层应力场将受到明显影响,研究结果对矿山生产规划及岩层控制具有理论指导意义。