煤层底板采动破坏特征综合测试及数值模拟研究

以某矿综放工作面开采实际为背景，通过应变法对煤层底板不同深度岩层变形程度随工作面推进的变化进行实测，得出采动矿压对底板的剧烈影响范围具有“超前”显现和“滞后”延续特点，且矿压剧烈影响超前显现距为37 m，矿压剧烈影响滞后显现距为32 m，表现为由浅及深相应减小的总体特征；结合采动底板钻孔窥视镜成像分析，确定出工作面底板采动破坏深度约为12 m；以现场实测结果为基础，采用FLAC3D数值模对煤层底板采动破坏特征进行分析，揭示出煤层开采过程中底板的三维破坏特征。采用现场应变实测、原位钻孔窥视镜观测和数值模拟相互验证的方法，对煤层底板破坏特征进行综合对比研究，弥补了以往研究手段单一的缺点。     

采动过程中煤层底板破坏特征及破坏深度分析

为得到采动过程中煤层底板破坏特征及深度,采用现场应变实测法对开采过程中煤层底板进行监测,获得底板不同深度的轴向应变和径向应变变化曲线,分析应变变化得出煤层底板破坏范围及深度。通过在山西某煤矿5304-2工作面底板布置7个应变传感器进行现场应变实测,测试结果表明:该工作面底板破坏深度为14 m,其中采动扰动破坏深度约为12 m;采动过程中,底板所受矿压显现影响具有超前和延后的特点,影响范围随底板深度的增加而减小。     

采动条件下厚煤层底板破坏规律动态监测及数值模拟研究

以某矿综放工作面的开采实际为背景,采用现场应变测试和数值模拟相互验证的方法,对采动条件下厚煤层底板破坏深度进行综合对比研究。现场实测表明,某矿综放工作面煤层底板岩体破坏深度介于13~16 m之间,采动矿压对底板的影响具有较远距离的"超前"显现和"滞后"延续的特点,(超前、滞后距)表现有由浅及深相应减小的总体特征;数值模拟研究表明,工作面底板下0~16 m为底板破坏影响带,即底板最大破坏深度为16 m,16~36 m岩层受煤层开采影响较小,再往下有接近原岩应力的趋势;综合分析得出该面采动底板变形破坏深度为16 m,研究结果为我国类似条件下煤炭资源安全开采及矿井水害防治提供参考依据。     

薄煤层综采面底板变形破坏实测研究

为揭示杨村煤矿薄煤层综采面煤层采动底板变形破坏及其受采动煤壁前方的影响范围.通过对煤层开采过程中原位钻孔应变进行实测,得出了煤层底板采动变形破坏影响范围为0～10.1m,岩层整体破坏范围为0～6.8m,扰动范围为6.8～10.1 m;扰动范围的岩层变形程度大致临界于屈服极限,岩体结构相对完整,具有一定的强度和阻水能力;煤壁前方采动超前影响距离为76～90m,反映了采动压力具有明显滞后性,且对深部的滞后影响程度更明显.     

深部采空区煤层底板滞后破坏特征

为分析深部采空区煤层底板滞后破坏特征,运用悬臂梁模型分析裂纹面间锁固段的变形破坏特征,通过试验分析岩样加载至塑性阶段后卸载再加载过程中的体积应变与偏应力的关系,结合煤层底板注水试验实测数据分析深部煤层底板岩体在采空区重新压实过程中的渗透性能变化。研究表明,裂纹面间锁固段变形破坏程度在采动剪切滑移和采动卸荷过程中逐渐增大;处于塑性状态的岩样在轴向应力卸载后再加载至卸载点81 MPa时,体积应变由0.000 56增大至0.001 1;现场实测发现距煤层底板18.19 m处的岩体在工作面推过测点3.6～15.8 m的过程中出现裂纹扩展、变形破坏,在工作面推过测点20.6～30.9 m过程中,底板岩体再次发生变形破坏,说明深部煤层底板在加载至塑性状态后卸荷并重新承载的过程中仍存在变形破坏可能性。     

近距离特厚煤层采动影响下底板破坏及巷道稳定性研究

以开采平朔煤矿近距离特厚煤层过程中底板巷道的稳定性为研究背景,通过理论分析、数值模拟及现场实测,对采动影响下的底板变形和破坏规律进行探讨。结果表明:工作面底板破坏深度理论计算值为18.4 m(煤层间距35 m),底板巷道的顶板较为完整,该结果与钻孔窥视仪实测结果相一致。数值模拟结果发现,随着工作面的推进,工作面的底板破坏深度不断增加,破坏范围不断扩大,当工作面推进100 m时,采动影响造成的底板最大破坏深度达到16 m,应力峰值和应力集中系数分别为16 MPa、3.2。随着工作面向前推进,巷道两帮移近量、顶底板移近量受采动影响的变形规律可分为3个阶段,即缓慢增加段、快速增加段、稳定变形阶段,在-100 m～-50 m范围内,采动对巷道变形影响较小,巷道变形增加缓慢;在-50 m～50 m范围内,采动对巷道变形影响十分强烈,变形呈现快速增加;在50 m～100 m范围,采动效应较弱,巷道变形保持稳定。     

基于现场实测“三软”煤层采动底板变形破坏机制

为了探究郑州矿区厚的软顶、软底和软煤在炮采条件下底板变形破坏的机制,以告成煤矿某典型“三软”工作面为研究对象,通过现场实测、理论解析和数值模拟等方法对采动底板变形破坏深度和机制进行了综合研究。基于对上、下巷道底板现场应变感应数据的分析,得出了该面“三软”煤层回采巷道底板变形破坏的深度、层位及其受采动煤壁前方应力峰值的宽度和影响范围。在此基础上,建立了煤层底板应力分析计算的工程地质模型,运用理论解析和数值计算分别推导和模拟了在矿山压力作用下随着工作面推进,采动煤层底板不同深度基本应变解析解和应力与变形的分布规律。     

综采薄煤层采动底板变形破坏规律实测分析

为了研究兖州煤田综采薄煤层底板采动变形破坏规律,应用现场应变实测系统在兖矿集团杨村煤矿4602综采工作面进行了现场实测,得到了底板2个监测钻孔8个应变传感器探头的的应变增量随工作面推进的变化曲线,通过2个监测钻孔监测数据的综合比较,确定底板破坏深度介于8.4～10.1m之间;结合现场底板变形实测,分析了煤壁前方超前支承压力影响的范围与底板深度的关系并给出了定量表达式;应变增量曲线反映出的周期来压步距为8.9m,这与工作面矿压监测数据反映的周期来压步距基本一致.在此基础上,结合课题组在兖州矿区底板破坏深度实测的已有数据,提出了适合兖州地区的底板破坏深度的经验公式,为兖州煤田下组煤开采结合其他突水影响因素确定安全可采分区提供了可靠依据.目前,位于可采区内的杨村井田2个工作面的安全回采已经证实了预测的准确性.这一问题的研究对鲁西南下组煤煤炭资源的安全开采具有重要的理论与现实意义.     

采动底板导水破坏深度滞后煤壁二次加深规律探测

率先明确探测并提出底板采动导水破坏深度滞后煤壁二次加深的观点,并先后选择晋城、榆林、鄂尔多斯多个煤矿工作面做了验证,利用现场测试条件,在煤壁推过测点后,仍对底板采动破坏规律实施注水试验与底板岩层应变连续性探测。探测结果表明:1)底板岩层首次破坏发生在工作面刚推过测点的应力集中区;2)工作面推过测点15~20 m,即过测点后的第1次周期来压时,测点位置的底板导水破坏深度出现二次滞后加深,破坏加深程度一般在1~2 m;3)工作面推过测点2~4个周期来压后测点位置底板岩层变形状态趋于稳定;4)工作面推过测点后第1次周期来压到第4次周期来压之间(工作面推过测点15~60 m)这段距离为底板滞后突水高风险区域;5)底板注水试验与岩层应变探测试验的探测结果一致性很高。     

回撤通道受采动影响的数值分析

为研究工作面推进对回撤通道的动压影响、工作面超前支承压力的影响范围以及工作面开采对回撤通道支护的影响,通过对综采工作面开采期间回撤通道与停采线的距离分析研究,发现当回撤通道将进入工作面超前支承压力的影响范围时,回撤通道有变形破坏情况。采用FLAC3D数值模拟软件对回撤通道受采动影响的过程进行了模拟分析。研究表明,随着工作面的推进,采面的底板破坏范围与回撤通道底板的破坏范围连通后,其工作面底鼓量明显要比无支护条件时大得多;并且木垛支护对回撤通道的稳定能起到一定作用,但同时也很难使通道周边围岩的载荷通过底板底鼓来释放围岩压力。     

兴隆庄煤矿煤层底板破坏特征研究

以兴隆庄煤矿10302综放工作面开采实际为背景,采用数值模拟和现场超声成像测试相互验证的方法,对采动条件下煤层底板破坏特征进行综合对比研究。数值模拟研究表明,工作面垂直应力呈"马鞍形"分布,剪应力大致呈"蝶状"分布;现场超声成像探测表明,10302综放工作面煤层底板下16 m范围内裂隙发育较为明显,但16 m以后裂隙发育相对较少;综合分析得出该面采动底板变形破坏深度为16 m,研究结果为兴隆庄煤矿煤炭资源安全开采及矿井水害防治提供参考依据。     

采动与隐伏断层双重作用下底板破坏特征

针对工作面底板含隐伏断层条件下底板水害多发的问题,综合数值计算与现场实测2种方法探究底板岩体采动破坏特征。模拟结果得出:底板塑性区范围随工作面推进距离增加而扩大,距底板隐伏断层远场的完整型底板岩体最大破坏深度约为18 m,靠近底板隐伏断层的岩体最大破坏深度约为28 m,隐伏断层活化是促进底板破坏深度增加的积极因子;受隐伏断层存在的影响,底板岩体采动破坏范围呈现出以过隐伏断层顶部竖轴为对称轴的正"八"型破坏形态;钻孔窥视实测得到采动破坏影响范围内呈现出裂缝贯通型"环形"破坏圈的特征,底板采动破坏深度最大值约为29 m。结果表明:受隐伏断层和采动应力影响,底板破坏深度明显增大,且扩展路径沿着隐伏断层顶部斜向下发展,数值模拟与实测结果误差约为3.4%。     

深部近距离煤层群采动力学行为探索

我国深部近距离煤层群赋存开采比重大,采动力学机理不清,导致开采效率低,安全事故频发。深部煤岩体所表现出的物理力学特性及变形破坏特征较浅部有着本质差异,尤其在深部近距离煤层群开采条件下,临近工作面扰动影响将导致更加复杂的采动应力重分布过程。针对深部近距离煤层群采动影响下巷道围岩控制难题,依托平煤十二矿己_(14)和己_(15)深部近距离煤层群工程实践,在己_(15)-31030工作面进风巷内开展了巷道收敛变形、锚索应力现场原位监测试验,理论计算了近距离煤层群底板破坏范围并推导得出了巷道围岩变形速度公式,初步揭示了深部近距离煤层群采动力学行为。研究表明:己_(14)煤层底板破坏深度理论值约21.24～30.88 m,上覆煤层采动影响导致本煤层采场边界改变,巷道顶底板及左右帮收敛量约400 mm,巷道收敛变形量随采煤工作面推进呈现阶梯式缓慢增长与指数式快速增长两阶段模式,其中指数式快速增长阶段为巷道变形的主要阶段;锚索应力随采煤工作面推进呈现"近线性增长—跃阶式降低"两阶段演化模式,顶板锚索应力平均变化率、峰值应力均显著高于巷帮相应参数,巷道顶板采动效应较巷帮更为明显;锚索应力峰值点滞后最大收敛变形位置约40 m,采动影响时效相比单一煤层开采大幅延长约35 m,采动应力变化率及其峰值分别降低约53.5%,24.5%,己_(15)煤层采动影响范围约105 m;巷道围岩变形速率与距采煤工作面距离呈现反比例函数关系,在此基础上,进一步推导得出深部近距离煤层群距采煤工作面不同距离处围岩变形速度预测公式,并对比现场原位监测数据验证了该公式的合理性。研究成果可为同类深部近距离煤层群的巷道围岩变形速度预测、巷道支护及采矿技术优化等工程问题提供参考。     

特厚煤层采动底板变形破坏的数值模拟与实测对比

根据兖州某矿工作面煤层顶、底板岩层组合及结构性质特点,建立反映完整底板岩层组合的工程地质模型,通过FLAC3D数值模拟分析了煤层开采过程中底板应力及塑性区分布特征,得到了采动煤层底板变形破坏的深度。最后,结合现场该面煤层底板随不同深度钻孔内超声成像观测的变化规律,综合对比分析得出该面煤层底板破坏深度约为12 m。     

近距离跨采巷道支承压力的研究

较近距离巷道的变形破坏，主要取决于采动作用下的跨采工作面动态支承压力作用于巷道围岩上的量值，而该量值的大小又取决于超前动态支承压力在煤层底板中的传播规律和范围。在柳湾煤矿的实例巷道中，对支承压力和巷道变形进行了观测，通过对近万个实测数据的整理分析，找出了其动态变化规律。在此基础上，对巷道实施相应的维护，并取得了良好的效果。     

杨村煤矿下组薄煤层底板采动效应特征研究

杨村煤矿下组煤的开采受到底板承压水的威胁,采动底板破坏深度的研究是底板岩层阻水能力评价的关键。以杨村煤矿4602工作面水文地质条件为基础,建立了下组薄煤层底板工程地质模型,通过数值模拟软件FLAC3D模拟研究煤层底板采动变形破坏规律,得出在正常采动情况下底板最大破坏深度约为12 m;并与该工作面底板实测结果进行了对比验证,二者结果基本一致。研究结果为杨村煤矿下组煤的合理开采、支护及底板岩层阻水性的评价提供了参考依据。     

极近距离煤层采空区下工作面两巷合理位置确定

为合理布置霍洛湾煤矿极近距离煤层下分层工作面两巷位置,采用弹塑性力学理论计算了上分层工作面开采底板最大屈服深度,得出了底板破坏深度为8．29m,应用FLAC叫数值模拟软件分析了上分层工作面开采对底板的影响,通过对邻近工作面开采过程及巷道掘进的模拟,得出了底板损伤过程及其内部应力变化,确定出下分层22104工作面两巷距上分层22102工作面回风巷水平距离分别为85和300m,并进行了巷道变形实测,在观测区域未出现较为明显的巷道变形破坏。结果表明,利用底板破坏深度及采空区下低应力区等结论确定下分层工作面两巷的合理布置方式是可行的.     

开采动压影响下巷道变形规律分析

针对平煤八矿深处下部煤层工作面开采导致的上部煤层邻近采区工作面回风巷道掘进困难、变形严重等现象,通过监测回风巷道表面的变形情况,总结出下部煤层开采对上部煤层邻近采区巷道的动态影响规律:己16,17-22020工作面的回采活动对回风巷道的影响范围约200 m,变形最为严重的区域在工作面前方20m和后方20 m范围内,从而确定顶、底板和两帮位移的平均速度,为巷道的合理布置提供参考依据。     

杨村煤矿综采条件下薄煤层底板破坏深度的实测与模拟研究

通过2个监测钻孔8个应变传感器探头组成的现场应变实测系统实测应变增量的变化曲线,研究了兖州煤田杨村煤矿下组煤16上薄煤层底板采动变形破坏的深度及其受采动煤壁前方影响的范围。结果表明：16上煤底板破坏深度介于8.4~10.1 m;而运用FLAC3D进行底板变形破坏数值模拟得出的底板下塑性区破坏深度为9.1 m,与实测结果差别不大。