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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

裂隙带抽采在漳村煤矿综采工作面的应用

针对漳村煤矿2503工作面回采过程中上隅角超限问题,通过对工作面上覆岩层垮落特征分析,研究在回风巷顶板打设高位裂隙钻孔抽采采空区裂隙带瓦斯进行治理。回采过程中钻孔瓦斯抽采量随工作面推进先增大后减小,上隅角和回风流瓦斯涌出量逐渐降低,工作面上隅角瓦斯未出现超限现象。     

云驾岭煤矿采动覆岩裂隙场分布特征模拟研究

为了研究云驾岭煤矿采动覆岩裂隙场分布及其演化规律，通过相似模拟试验和UDEC数值模拟方法探究了采动后上覆岩层的下沉曲线与裂隙场分布特征，计算覆岩离层率空间分布情况。结果表明：随着开挖工作的不断推进，采动覆岩裂隙场呈梯形分布特征，逐步向较高层位和推进方向发育，其中下部裂隙被压实，两端裂隙较为发育，整体上裂隙密度逐步减小，经历裂隙产生、扩展和压实三个阶段，而覆岩离层率先后经历“单峰”和“双峰”两个分布形态。采空区中部与煤壁后方和开切眼附近区域采动裂隙演化规律截然不同，采空区中部区域的采动裂隙随着垮落岩层被上覆岩层压实，采动裂隙逐渐减小，煤壁后方和开切眼附近区域，边界煤柱和垮落岩层形成三角形的采动裂隙区域。采动覆岩位移场影响区随着工作面推进向高层位和推进方向发育，开采初期呈现矩形分布，而后随工作面的推进，采动覆岩位移场影响区则呈现梯形分布，中部的位移矢量箭头垂直于底板，开切眼和工作面端位移矢量分别呈逆时针和顺时针偏转。     

综采工作面垮落带注浆充填开采覆岩采动裂隙定量表征试验研究

为定量表征冒落区注浆充填对覆岩采动损伤程度的影响,以任家庄煤矿110903工作面为研究背景,开展垮落法开采和垮落带充填法开采物理相似模拟实验,运用分形理论研究两者覆岩裂隙演化特征,并对其覆岩运移规律进行对比分析。研究结果表明,垮落法开采后采动裂隙分形维数变化规律为迅速上升-缓慢下降-缓慢上升-急剧上升,注浆充填开采后变化规律呈迅速上升-迅速下降-缓慢下降-缓慢上升;将采动裂隙发育网络划分为离层裂隙区、离层压实区、垮落裂隙区、竖向破断裂隙区四个区域,对比垮落法开采和垮落带充填法开采,充填后采场覆岩裂隙不发育,离层压实区范围较小,发育高度仅为21.96 m;注浆充填开采后各关键层下沉量显著减小,关键层2最大下沉量出现在顶板初次破断处,垮落法开采后关键层2最大下沉量出现在采空区中部。垮落带注浆充填开采能有效改善覆岩裂隙损伤、控制覆岩裂隙发育、减缓覆岩下沉,该成果可以为任家庄煤矿充填开采控制地表沉降提供一定的理论依据。     

长壁工作面充填开采的充填比与充填效应分析

为研究充填开采对回采工作面矿山压力显现和顶板裂隙发育高度的影响,从现场开采实践出发,建立长壁开采工作面充填开采的关键层力学模型,通过理论分析得到了确保关键层弯曲下沉的最小充填厚度.随后通过RFPA数值模拟系统对比了分析煤层实施充填开采和完全垮落法开采时的上覆岩层活动规律,分析认为工作面充填开采使工作面矿山压力显现明显减弱,顶板裂隙带高度明显降低;在有断层情况下,采动裂隙也沿断层带发育,顶板裂隙发育高度比完全垮落法时变化不大.     

水体下急倾斜煤层开采覆岩破断规律

为了给水体下急倾斜煤层开采防水煤柱的留设提供依据,采用数值计算和相似模拟的方法,考虑顶板水与岩层的耦合作用,对水体下急倾斜煤层开采的覆岩破断和导水裂隙的演化规律进行了研究,结果表明急倾斜煤层顶板的垮落沿工作面方向呈不对称分布,直接顶垮落后向下移动,工作面的上端形成冒落空洞;顶板在采空区上下边界煤柱侧断裂形成的断裂线随着垮落层位的增高而向上山方向移动;在顶板垮落初期,主要是沿煤层法线方向的移动,垮落后期顶板向下抽冒特征明显;导水裂隙的产生在竖直方向上的发育高度大于垂直岩层方向,同时沿煤层产生一定深度的裂隙漏斗。研究结论为水体下急倾斜煤层开采时防水煤岩柱的留设提供借鉴。     

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。     

大采高工作面覆岩空间结构变化矿压显现规律研究

为研究工作面回采过程中，在经历不同的采空边界条件下，工作面不同覆岩空间结构变化及对矿压显现的影响，基于理论计算、微震监测、应力在线监测等方法，对母杜柴登煤矿30202工作面回采期间所形成的不同覆岩结构类型进行分析，得到不同覆岩空间结构下强矿压显现特征及危险区分布规律。研究结果表明：30202工作面回采过程中，先后经历“一面为自身采空区，三面为实体煤”到“两面为采空区，两面为实体煤”的边界条件，其覆岩空间结构相应的会经历“O”型、“O-S”型到“S”型覆岩结构转换和稳定的过程。工作面在“一面采空”条件下，回采过程中发生强矿压的危险性较小|工作面在经历“一面采空”到“两面采空”边界条件转变过程中，其临近已采工作面采空区侧及其端头煤发生强矿压的危险性较上一阶段明显增加|在“两面采空”条件下，本工作面高位岩层与相邻采空区上覆未回转下沉的高位岩梁容易产生连动，形成高位、跨度大的岩梁失稳，使得30202工作面回风巷侧在叠加应力影响下容易发生强矿压。研究结果可为工作面在不同开采条件下采场矿压特征分析、顶板控制和巷道支护设计提供一定借鉴。     

余吾矿回采面上覆岩层裂隙动态分布规律研究

为了研究工作面回采过程中上覆岩层裂隙的动态分布规律，基于UDEC软件，对回采过程中工作面上覆岩层的应力、位移和裂隙发育进行研究。结果表明：随着煤层的回采，覆岩下沉量逐渐增大，煤层顶板处垂直位移变化最大，范围也最大，覆岩上部距煤层越远，其下沉量越小。在开切眼前方和工作面后方形成大量裂隙，而在采空区中部，裂隙分布较少。根据裂隙情况划分三带高度，其中冒落带高17 m，裂隙带高64 m，与经验公式推导相符合。计算孔隙率分布，在开切眼前方孔隙率达到0.25，工作面后方孔隙率达到0.35。结合公式，可得出采空区三维孔隙率变化图。     

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。     

采场覆岩两带与采空区自燃三带相关关系研究

为研究采煤工作面覆岩两带（冒落带、裂隙带）与自燃三带（散热带、窒息带、氧化带）的关系，通过建立覆岩运移模型，应用CDEM软件模拟分析了试验工作面采动空间上覆岩层两带的扩展过程，分析垂向方向覆岩两带分布对水平方向上垮落煤岩堆积状态的影响情况。通过现场埋管实测的手段以及氧体积分数法进行了采空区煤自燃三带的划分。研究表明，冒落带高度稳定情况下，采煤推进距离（48 m）与采空区散热带和氧化带的分界线（进风侧采空区以里50 m左右，回风侧采空区以里40 m左右）有较好的吻合关系。裂隙带高度稳定情况（顶板150 m处的岩层最大下沉值趋于基本稳定）下，采煤推进距离（126 m）与采空区氧化带和窒息带的分界线有较好的对应关系。     

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。     

下保护层工作面过断层区覆岩裂隙-应力演化规律研究

为深入研究下保护层开采过断层区上覆岩层裂隙发育与应力演化特征,运用相似模拟研究方法,分析下保护层开采过断层过程中裂隙场演化、顶板断层应力变化趋势、上覆岩层运移特征。结果表明:下保护层采动容易引起顶板断层附近煤岩体破碎,形成断层带;覆岩裂隙在顶板断层带内显著增加,其密度曲线呈现"W"形分布;顶板断层底端与顶端随采动工作面接近与远离应力峰值表现出不同变化;覆岩运移具有时空效应,同一层位覆岩随工作面推进位移下沉,呈现"瀑布"状分布。     

千米深井大采高工作面覆岩破坏过程数值模拟分析

我国近年来千米深井不断增多,覆岩破坏形式和破坏范围也越来越严重。从千米深井大采高覆岩运动和顶板破坏的形式及应力分布特征出发,利用RFPA数值模拟的方法进行了大采高工作面的覆岩破坏过程的研究,得出了在千米深井工作面推采时主应力向两侧转移,且大致沿岩层移动角出现扇形应力降低区的结论。随着工作面的继续推进,采空区上方覆岩破坏和位移具有明显的分带性,各带特征明显不同,但其界面逐渐过渡,空间形态大致呈对称的“马鞍”形分布。     

厚煤层综放开采工作面地表岩移实测分析

随工作面向前推进,采空区范围逐渐增大,上覆岩层因失去支撑而垮落下沉,沉降逐层传递,直至地表造成岩层移动。为研究掌握厚煤层综放开采条件下的地表岩移规律,本文以小峪煤矿8202工作面为例,结合理论、实测等方式,对厚煤层综放工作面上方地表岩层移动进行实测分析,为厚煤层采动影响下的地表沉陷控制提供数据支撑。