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。     

中深埋煤层多工作面开采地表沉陷特征研究

为研究中深埋煤层多工作面开采的地表沉陷特征，采用FLAC3D模拟小保当一号井112201工作面及两侧相邻工作面先后开采的覆岩破坏、应力变化和地表移动特征。研究表明：112201工作面单独开采，覆岩塑性破坏表现为中间低、两侧高的“凹”形，覆岩最大破坏高度达165m, 112202工作面的开采使老采空区覆岩二次破坏高度增大6.67%,112207工作面开采使老采空区覆岩三次破坏高度增大10.91%;相邻工作面的开采使112201工作面覆岩应力变化经历“稳定—打破—初步稳定—二次打破—再稳定—三次打破—终稳定”的复杂过程；112201工作面开采形成的地表移动盆地范围受相邻两侧工作面开采的影响而变大，且沉陷中心向两侧扩大，相邻工作面的沉陷中心则偏向112201工作面老采空区一侧；岩移观测资料显示，单工作面倾向地表下沉曲线表现为“V”形，相邻工作面的开采使其地表最大下沉量增大了6.08%,地表下沉曲线最终表现为“W”形。     

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。     

8.8 m大采高工作面覆岩三带分布特征及分层沉降研究

煤层开采后受采动影响,顶板覆岩会形成垮落带、裂隙带、弯曲下沉带。采空区覆岩三带的观测研究对煤矿安全生产至关重要,但目前国内外对覆岩三带的观测研究多限于中、小采高工作面,对一次采全高超大采高工作面仍是空白。针对这一问题,以上湾煤矿首个8.8 m超大采高12401工作面为研究对象,通过钻探、孔内电视、地球物理测井等多种手段综合分析了超大采高工作面采空区覆岩三带分布特征,确定了三带发育高度。同时,本次研究还通过在采前孔安装布置分层沉降监测设备持续对12401工作面覆岩沉降情况进行了监测,综合分析了采空区分层沉降的特征及规律。研究表明:12401工作面垮落带高度为33.20～33.25 m,冒采比为3.91;导水裂隙带高度为118.08～132.83m,裂采比为13.91～15.65;弯曲下沉带距离地表39.17～48.92 m。研究发现:工作面覆岩从下沉到稳定经历了2次快速沉降,覆岩分层沉降相对地表最大下沉量为1.618 m,地表最终下沉量为4.706 m,下沉系数为0.5;随着采空区范围的增大,本区覆岩运动主要受到下部和上部2层关键层共同控制。     

上行开采条件下多煤层开采覆岩破坏规律研究

为了定量研究上行开采条件下单一煤层和多煤层开采的覆岩破坏规律,利用FLAC3D数值模拟软件,分别对麦垛山煤矿仅开采6煤和先开采6煤后开采2煤两种情况下覆岩破坏规律进行了研究,结果表明:仅开采6煤时,弯曲下沉带主要发育在地表以下491.02 m,导水裂缝带发育高度为51.70 m,地表下沉值为94.00 mm;先开采6煤后开采2煤时,弯曲下沉带主要发育在地表以下380.00 m,6煤导水裂缝带发育高度为59.00 m,地表下沉值为375.00 mm。上行开采对于下部煤层6煤导水裂缝带发育高度影响不大,由于上部煤层2煤导水裂缝带的发育,导致弯曲下沉带范围缩小,地表下沉值由于上部煤层2煤的开采而显著增大。     

采动覆岩“三带”高度相似模拟及实证研究

基于采动覆岩破坏、断裂机理及其裂隙分布、发育特性,采用相似材料模拟实验方法,对杜儿坪矿68303工作面采动覆岩"三带"进行了研究;通过分析采空区顶板断裂、离层、下沉、裂隙分布及延伸特性,得出冒落带高度12.5 m,裂隙带高度37.5 m,弯曲下沉带高度大于80 m;采用仰斜钻孔分段注水及钻孔参数分析法现场实测了冒落带、裂隙带高度,与相似模拟实验结果进行了对比,分别相差0.8,2.5 m。表明基于采动覆岩裂隙分布特性的相似模拟实验研究结果合理、可靠,可以作为工作面顶板"三带"高度研究的有效手段。     

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。     

采空区充水活化及覆岩变形规律试验研究

为了研究充水情况下老采空区“活化”机理及覆岩运动规律,基于相似理论制作了采空区相似材料模型,通过人工注水的方式模拟采空区垮落带浸水状态,进行了煤层开采及充水条件下覆岩沉降变形观测,对采空区充水后上覆岩层变形规律、覆岩破坏形式进行研究。结果表明,煤层被开采后,自下而上会产生垮落带、断裂带和弯曲下沉带,采动破坏岩石会支撑上覆岩体,使得采空区边界存在空洞区域;煤层开采后的老采空区存在大量空洞、空隙,充水后采空区覆岩会发生“活化”,垮落带破碎岩石进一步压实,离层裂隙中间区域的压密程度高于两侧,随着充水时间延长,覆岩裂隙逐渐拓展,且采空区充水第一次观测时沉降量较大,之后岩层沉降量变化有减小趋势;采空区充水后垮落带上方岩层沉降量最大,覆岩越靠近地表,采空区充水对覆岩影响程度越小。     

近距离煤层上行开采的采动系数及巷道位置研究

以象山煤矿17 m近距离煤层上行开采为背景,采用物理相似模拟、数值计算和理论分析,揭示了5#煤层21503工作面开采后的覆岩垮落规律,得出上部3#煤层位于5#煤层顶板强裂隙带顶界之上,可以进行上行开采。研究揭示了21503工作面采空区倾向岩层破断角为60°,在3#煤层位置形成向采空区内18 m的悬伸段,与该段相邻存在宽度约为15 m的倾斜离层带,3#煤层工作面巷道布置应该避开倾斜离层带。结合数值模拟,确定3#煤层上行开采巷道应内错10 m布置于悬伸段,该处围岩应力较低,煤层及顶底板完整性较好,是布置巷道的理想位置。最后,基于国外上行开采经验公式,提出了上行开采的采动系数计算公式。     

近距离煤层重复采动覆岩裂隙形态及其演化规律实验研究

采用物理相似模拟实验及理论分析,研究单层开采和重复采动条件下覆岩移动、裂隙分布与演化规律、支承压力分布特征及采动裂隙椭抛带形态。研究结果表明,上覆岩层在重复采动条件下,形成破断裂隙和离层裂隙,两者联通后在空间形成不同于单层煤开采的覆岩裂隙椭抛带展布;下层煤回采期间,随工作面的推进,工作面附近的应力峰值与煤壁距离保持相对稳定的状态;在重复采动双重卸压条件下,覆岩裂隙经历了产生、扩张、压实、再扩张、再压实等5个动态变化阶段。最后在实验分析基础上,建立近距离煤层重复采动裂隙椭抛带的空间分布数学模型。     

采场上覆整体移动带坚硬岩层破断规律研究

为了防治采场上覆坚硬岩层突然破断给矿井造成的离层水（瓦斯）突涌等严重次生灾害,对某煤矿工作面连续大面积开采上覆整体移动带内坚硬岩层的破断规律进行了研究。以该煤矿首采区覆岩空间赋存、岩体结构、力学性质及地应力等地质工程条件为基础,采用薄板理论计算、数值模拟等方法,对采区首采面及后续工作面开采上覆整体移动带坚硬火成岩岩床初次破断及周期破断距进行了理论计算和过程模拟分析。结果显示,首采面开采过程中坚硬火成岩初次破断约300 m,周期破断约130 m;后续工作面开采时受邻近采空区影响,火成岩初次破断约260 m,周期破断约120 m;结果与现场实测数据分析相一致。研究成果对坚硬覆岩下煤层开采离层水、离层瓦斯突出等地质灾害预测及防治具有重要意义。     

工作面开采覆岩移动规律的数值模拟研究

为了研究工作面在回采过程中的覆岩移动规律,以麦垛山煤矿2#煤典型工作面为例,采用数值模拟的方法,对工作面覆岩破裂、主应力、顶板垂向和横向位移以及地表下沉进行了分析。根据数值模拟结果,顶板塑性破坏区呈现出波浪状,导水裂缝带发育最大高度为74.9 m,煤壁上最大压应力为7.95 MPa,采空区顶板上的最大拉应力为1.18 MPa,2#煤顶板最大下沉值为1 600 mm,地表最大下沉值为875 mm。     

采动覆岩与地表下沉关系模型及离层量估算方法

地下开采可能导致地表沉陷、基础设施损毁、土地破坏或地面积水等,进而诱发生态环境恶化。而采空区固体充填和覆岩离层注浆是控制岩层移动,减小采动损害的有效技术手段。传统的覆岩离层注浆往往采用关键层理论、数值模拟、相似材料模型实验和理论分析手段,因涉及的物理力学参数多、边界条件限制等,计算过程复杂,仅能给出离层层位,难以定量确定离层量。开采沉陷研究表明,采动覆岩与地表移动方向指向采空中心,移动边界可以简化为线性边界,基于下沉盆地主断面上地表下沉与任一覆岩下沉的面积相等和煤系地层的层状特征,构建了采动覆岩与地表下沉的关系模型,较好地反映了覆岩与地表下沉随边界角、工作面宽度、开采深度的发展演化规律。采动覆岩与地表下沉比值随埋藏深度增加而增大,反映了采动下沉效应从顶板向覆岩、地表的传递规律;随着宽深比的增加,同一层位岩层下沉与地表下沉比值减小,地表下沉增大;当边界角减小时,地表下沉范围增大,地表下沉值减小。结合钻孔揭示的覆岩结构与组合,可以逐层计算上覆岩层和地表的下沉值,利用两相邻岩层下沉的非一致性,可以确定各岩层间的离层量,通过计算导水裂隙带高度,剔除导水裂隙带内无法形成封闭充填空间的无效离层,进...     

风蚀地貌区浅埋厚煤层采动漏风规律研究

为研究风蚀地貌矿区浅埋厚煤层开采采空区漏风规律,以榆树岭矿井110501工作面为工程背景,通过相似模拟、数值模拟、现场实测相结合的方法对采空区漏风情况进行研究。研究结果表明：110501工作面开采后,裂隙发育至地表,地表漏风裂隙平均间距约为15 m,竖直方向上,距离煤层越近,覆岩下沉位移越大,最大下沉位移量约为8 m;裂隙贯通地表条件下,采空区自燃“三带”范围增大,地表风流为主要风源,风流路径为地表裂隙→采空区→工作面;工作面后方150 m采空区内为主要漏风区域,平均漏风强度为2.29 m³/s,采空区上覆岩层裂隙是主要漏风通道,靠近采空区回风巷侧裂隙漏风能力最强。研究结果可为风蚀地貌矿区浅埋厚煤层开采时工作面通风和采空区自燃危险区域判定提供参考。     

多煤层开采覆岩破坏规律数值模拟及工程实践

为分析多煤层开采覆岩破坏规律,以安盛煤矿2煤8201工作面、5煤8501工作面为工程背景,采用理论方法计算8501工作面单煤层开采覆岩导水断裂带高度,运用FLAC3D软件模拟分析多煤层开采覆岩破坏规律与导水通道发育特征。结果表明:导水断裂带理论高度为65.35m,占层间距的84.87%;多煤层开采条件下,距8501工作面切眼200 m位置处产生低应力区,垂直应力峰值约为6.2 MPa,较单独开采时减小了32.6%,该区域产生大面积塑性破坏区,超过层间距77 m,覆岩产生足够长的导水通道造成水害威胁。工程实践表明:对采空区积水进行疏放后,8501工作面已安全完成回采,未发生水害事故。     

特厚煤层重复开采覆岩与地表移动变形规律研究

为研究大同矿区特厚煤层重复开采覆岩与地表沉陷问题，以塔山煤矿8103和8104工作面的地质采矿条件为工程背景，沿倾向主断面建立了二维相似材料模型。反演分析了仅开采上覆侏罗系煤层时覆岩沉陷规律、两煤层重复开采时覆岩沉陷规律、离层发育规律、煤柱群垮塌规律以及地表塌陷规律，揭示了该地质采矿条件下覆岩与地表沉陷机理。研究结果表明：采用刀柱式采煤法开采侏罗系煤层，上覆岩层未发生显著的破坏和变形；在特厚煤层重复采动影响下，覆岩以一定的角度向上垮落和裂隙发育，当侏罗系煤层采空区受到下组煤开采扰动时，采空区中煤柱群受扰损伤，支撑能力降低，导致其上覆岩层沉陷加剧，在弯曲下沉带上方形成新的导水裂缝带，覆岩沉陷呈现“四带”发育特征。结合实测数据，分析了工作面沿倾向方向地表移动变形规律，基于Origin 8.0平台和概率积分法进行了二次开发，对倾向观测线上山方向实测下沉数据进行了拟合求参，获取了部分概率积分预测参数。研究结果可对大同矿区开采沉陷治理工程提供参考。     

厚松散层软弱覆岩工作面“三带”发育特征与高度研究

为探究厚松散层软弱覆岩地质条件下采动覆岩运移规律,基于葛泉煤矿11915工作面采矿地质条件,采用室内相似模拟方法,分析该工作面推进时的直接顶初次垮落、高位覆岩破坏动态过程,得出该工作面覆岩垮落带、断裂带与弯曲带(简称“三带”)高度范围;分析了采动覆岩“三带”内岩层位移特征,得出位于垮落带、断裂带与弯曲带内的岩层位移曲线呈波动性递减趋势。研究结果表明：11915工作面垮落带范围为10～25 m,断裂带高度范围为43～48 m,位于48 m之上的岩层属于弯曲带范围,相似模拟结果与现场实测结果相近,验证了相似模拟实验的合理性。     

薄煤层开采覆岩“三带”可视化探测方法研究

薄煤层资源开采受上覆煤层瓦斯影响严重，采空区覆岩“三带”范围的探测对安全生产具有重要意义。基于此，开展了煤岩加载电阻率测试实验，分析了煤岩受载破坏过程中电阻率变化和分布规律，并根据现场实际进行了覆岩“三带”埋深规律理论分析及数值模拟，然后开展现场测试。应用直流电法进行的工作面电法测试正演“三带”视电阻率分布规律主要结论如下：煤样裂隙的扩展导致电阻率的变化，其电阻率突增点与煤岩破坏点具有良好的对应性；煤岩受载破坏过程中，电阻率等值线图在载荷作用下存在异常区域，且随煤岩受载产生的不均匀变形产生迁移；煤层开采中采空区受到割顶后集体下沉，将会在采空区上部的裂隙区形成较大的割裂区域，这部分割裂区域内部存在着较大的裂隙，并且会扩展到回风巷顶板岩层中，导致岩层中裂隙增加。电法探测结果表明：实践矿井工作面到垮落带水平距离约为20 m左右，断裂带影响阻值变大，其高度为17 m，该结果与理论计算及数值模拟结果一致。     

急倾斜煤层开采与开拓巷硐群扰动效应数值模拟分析

针对王家山煤矿急倾斜煤层开采与开拓巷硐群工程越界对地方煤矿安全开采问题,建立了急倾斜煤层开采与开拓巷硐群数值计算模型,分析了覆岩移动变形与应力演化规律。研究结果表明：急倾斜煤层开采,采空区上方煤层先破坏、垮落,顶板沿层理面法向发生弯曲、离层,采空区上部煤体先垮落,呈拱形结构,抑制了上覆煤岩体向采空区的垮落和移动;工作面采高5.2m,顶板发生垮落,底板也会发生滑移,顶板一侧的沉陷大于底板一侧的,在底板一侧出现断崖式现象,但垮落带发育高度小于工作面距井田边界的距离;巷硐群最大位移均发生在泥岩、煤层等软弱岩层以及断层破碎带区域,其扰动效应增加;在软弱岩层时巷道最大影响圈边界增加,影响边界贯通,但最大裂隙带高度为11.5m,裂隙带上脚未发育至井田边界标高。因此,工作面开采与开拓巷硐群对地方煤矿开采没有影响。     

急倾斜煤层开采顶板岩层“两带”发育形态研究

在理论分析急倾斜煤层开采过程中覆岩破坏形态特征的基础上,以新集三矿1100307工作面开采为背景,运用FLAC3D软件模拟煤矿开采引起的煤层顶板覆岩运移过程,并结合该工作面电法探测结果,确定"两带"发育特征。"两带"发育总体上呈似倒"厂"型形态,覆岩破坏的范围主要位于在采空区的上山方向的底端,直接顶岩层被剪断或顺层滑落,采空区被充填形成"砌体拱"结构。