基于分形理论的采动覆岩裂隙渗透规律研究

为了掌握采动影响区覆岩裂隙演化与渗透规律,进行了采动条件下裂隙场演化与渗透特性变化规律实验室相似模拟,采用数理统计方法对裂隙场分布进行了定性分析,在利用分形理论定量裂隙演化规律的基础上建立渗透率和裂隙变化量化参数之间关系。研究结果表明:采动影响覆岩裂隙场划分为4个区域,即离层低角度裂隙区、采空区中部冒落及裂隙带中角度区、裂隙扩展高角度区、中高角度过渡区;引入分形理论,建立裂隙演化定量表征的面积维值和条数维值与表征渗透特性的渗透率之间的关系符合非线性双变量傅里叶函数关系,为采动覆岩渗透特性表征与裂隙定量描述提供一定的理论与实践基础。     

采动覆岩裂隙演化规律的定量描述

对采动覆岩裂隙的定量描述一直是困扰采矿工程的科学问题。通过室内相似材料模拟实验,对综放工作面覆岩裂隙破坏过程进行了监测,并根据采动覆岩裂隙的发育过程在时间及空间的数字成像,提出了应用"双重分形"理论揭示采场覆岩裂隙的萌生、扩展、贯通的过程,获得了采动条件下覆岩裂隙时空演化的定量描述方法。     

浅埋超大采高工作面覆岩裂隙演化及能量耗散规律研究

为研究浅埋超大采高工作面覆岩裂隙演化及能量耗散规律,以上湾煤矿为研究背景,基于相似模拟实验,数字图像处理、分形理论和数值模拟,分析了8.8 m超大采高工作面采动覆岩裂隙演化及能量耗散规律.研究表明:伪顶垮落到亚关键层阶段、亚关键层破断到主关键层阶段和主关键层破断到完全垮落阶段,关键层破断前后覆岩裂隙分形维数呈上升-稳定-下降趋势;依次可划分为3个阶段;依据充分采动后裂隙发育形态可将采场覆岩划分为6个区域:垮落裂隙区、离层压实区、离层裂隙区、竖向破断裂隙I区(垮落区后方)、竖向破断裂隙II区(工作面后方)、II区离层裂隙区,其中竖向破断裂隙I、II区是张剪混合型发育,裂隙角度范围0°～90°,离层裂隙区覆岩层裂隙发生张拉型扩展发育,张拉型裂隙,裂隙倾角角度范围300°～360°,垮落区裂隙发育形态复杂,裂隙角度范围值大,贯通性好;建立了覆岩裂隙分形维数与耗散能量的关系;数值模拟得出裂隙发育高度与采高和工作面推进距离拟合公式.研究成果可为神东矿区超大采高开采覆岩裂隙发育规律研究提供参考.     

综采工作面覆岩压实区演化采高效应分析及应用

采用相似材料物理模拟试验及理论分析,研究在不同采高条件下覆岩压实区的动态演化规律及形态特征。研究结果表明:在煤层开采之后,采动覆岩离层量分布呈“马鞍”状,采空区底板在一定区域内存在应力集中,结合两者可作为压实区底部边界判定依据;采空区覆岩压实区的形态及时空演化规律受采高与工作面推进距离的共同影响,得到了压实区宽度、高度及垮落角度的演化规律与采高的关系;同时,结合冒落带岩体的碎胀特征与底板应力集中的特点,分析了压实区压实程度的采高效应,即在一定范围内,采高越高,压实程度越大。基于采动裂隙椭抛带理论,在试验结果分析的基础上,建立了采动裂隙椭抛带压实区的数学表达方程,为卸压瓦斯抽采系统的布置及参数优化提供借鉴。     

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。     

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。     

采动覆岩裂隙体系统耗散结构特征 与突变失稳阈值效应

将覆岩裂隙体作为系统来考虑,分析了采动覆岩裂隙体系统动态演化过程中的耗散结构特征,采用分形维数描述了采动裂隙发育过程及系统演化、涨落与跃迁;引入"孔隙压力熵"研究了采动覆岩裂隙体系统耗散结构演化中的熵变过程,并在近平衡态广义力与广义流的基础上明确了远离平衡态非线性区的超广义力及其驱动的广义流,依据超熵临界判据分析了以开采尺度为指标的动力失稳阈值。结果表明:可以通过耗散结构理论描述覆岩裂隙化程度与采空空间之间关系;孔隙压力熵可以描述采动覆岩裂隙体系统在由自然状态向采动状态逐步演化的"熵减"现象;孔隙压力熵的二次变分随开采尺度演化曲线的斜率为系统在远离平衡态非线性区的超熵产生,并以此为指标可判断系统在外界约束条件变化下的3种演化趋势,揭示了系统隔水性能在临界开采尺度下的失稳阈值效应。     

近距离煤层重复采动覆岩裂隙时空演化特征研究

采用相似材料模型试验,在上行和下行开采方式下,对近距离煤层重复采动覆岩裂隙的时空演化特征进行了研究.采用数字图像处理技术对覆岩裂隙进行了量化分析,并基于分形理论与信息熵,提出了采用裂隙分形维数、裂隙熵和裂隙率3个特征参数来反映裂隙状态.研究结果表明:随着煤层开采的不断推进,上行开采重复采动覆岩裂隙的裂隙熵和裂隙率具有相...     

薄基岩煤层覆岩裂隙演化的分形特征研究

为研究特厚松散层薄基岩煤层上覆岩层在采动影响下裂隙的发育演化规律,结合赵固一矿11011工作面地质条件和开采技术条件,采用相似材料模拟试验模拟了覆岩裂隙演化的全过程,并利用分形几何理论研究了裂隙网络分形维数与工作面推进度、矿山压力、覆岩下沉、上三带之间的关系。研究结果表明:采动所形成的裂隙网络可以较好的表征岩体的结构特征;裂隙的形成、发育、扩展、分布具有较好的自相似性和分形特征,可以用分形维数描述裂隙网络的二维空间特征;裂隙网络分形维数随着开采宽度的增加而增加,但增加趋势逐渐减缓;分形维数与矿山压力、覆岩下沉之间呈非线性关系;分形维数可以较好的表征上三带裂隙发育特征.     

采动裂隙动态演化定量分析及其应用研究

合理定量分析覆岩裂隙动态演化特征对于采动损伤评价尤为关键。以任家庄煤矿110903工作面为工程背景，运用相似材料模拟试验，计算不同开采进尺下的裂隙分形维数，分析覆岩裂隙数量、倾角、长度、宽度等参量，定量研究了覆岩裂隙发育扩展情况，并通过同等试验条件对比分析了冒落区充填前后裂隙发育特征。研究结果表明：随着2层关键层的破断，覆岩裂隙分形维数呈现上升—稳定—上升趋势，分形维数变化与压力峰值变化一致，可反映出覆岩运移及压力显现变化规律；依据裂隙演化情况可将采场覆岩裂隙划分为离层区裂隙，压实区裂隙，垮落带裂隙，左、右侧竖向破断裂隙，离层Ⅱ区裂隙等，其中，竖向破断区裂隙倾角分布为0°～90°;垮落带裂隙复杂，裂隙倾角分布为0°～360°,裂隙贯通性好；离层区裂隙倾角近水平，裂隙贯通性较差；通过对比试验展现未充填和充填裂隙扩展规律，表明开采过程中及时在垮落带充填能有效控制覆岩裂隙发育。     

基于颗粒离散元的薄基岩裂隙扩展规律

采动影响下的薄基岩产生导水裂隙通道,贯通厚风积沙层,容易产生突水溃沙灾害。为研究薄基岩导水裂隙通道发育规律,借助于颗粒离散元理论,建立考虑复杂应力作用的薄基岩模型,分析了原生裂隙长度、覆岩压力和水沙两相作用对裂隙在薄基岩平面横向发育规律的影响。研究发现颗粒离散元理论可以较好的揭示薄基岩的破坏机理;扩展裂隙在原生裂隙尖端呈“Y”和“X”型发育,且发育形态与薄基岩受到覆岩压力大小和原生裂隙长度有关。研究了不同原生裂隙长度、覆岩压力和水沙作用下裂隙扩展发育的4个阶段并给出了破坏曲线,分析了不同条件的改变对薄基岩裂隙扩展影响的定量关系。     

采动裂隙椭抛带动态演化及煤与甲烷共采

为研究采动覆岩裂隙演化及其中瓦斯的运移规律,通过物理相似模拟及数值模拟发现,煤层开采后采动覆岩裂隙形态可用椭抛带来表征。基于岩层控制关键层理论,建立了考虑采高及第一亚关键层与煤层顶板间距的采动裂隙椭抛带动态演化数学模型。运用环境流体力学,传质学,渗流力学,采动岩体力学等理论,得到采动煤体应力与卸压瓦斯渗流,纵向破断裂隙区瓦斯升浮,以及横向离层裂隙区瓦斯扩散等方程,构建出椭抛带中卸压瓦斯渗流-升浮-扩散综合控制模型。分析了椭抛带卸压瓦斯抽采机理,提出相应的煤与甲烷共采技术。通过山西天池煤矿抽采卸压瓦斯的现场实践,说明采动裂隙椭抛带是卸压瓦斯的储运区,将瓦斯抽采系统布置其中,可取得良好效果。     

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。     

薄基岩厚松散层深部采场裂隙带几何特征及矿压分布的工作面效应

针对薄基岩厚松散层深部长工作面矿压显现规律状况,在压力拱假说、应力壳理论和普氏理论基础上建立采场裂隙带几何模型,推导出工作面覆岩裂隙带计算公式,结合数值模拟对几何模型及工作面覆岩裂隙带公式进行验证,并对工作面覆岩裂隙带高度及矿压显现程度的影响因素进行分析。结果表明:采场裂隙带几何模型较为合理,与采场上覆岩层裂隙带空间分布特征相一致;工作面覆岩裂隙带公式具有一定的适用性,可解释工作面方向上"抛物线"状的矿压显现规律;工作面覆岩裂隙带高度和矿压的比例系数最小值及变化率与工作面长度呈负相关,与采高及采深基本不相关;工作面覆岩裂隙带高度及矿压,强线性相关于采高、岩层硬度系数,弱相关于工作面长度和采深。     

浅部矿体开采覆岩运移及导水裂隙带发育高度分析北大核心

为研究浅部矿体开采覆岩运移及导水裂隙带发育特征,以红柳矿I020308工作面为研究对象,采用理论试验、数值模拟、理论研究与现场实测方法,分析采动覆岩运移规律以及导水裂隙带发育高度。结果表明:1)覆岩裂隙呈“采场上方裂隙扩张-采空区上方裂隙闭合”趋势,岩块破断呈“下位岩体垮落-上位岩体咬合-叠层同步下沉”趋势,覆岩下沉量峰值达3.268 m。2)导水裂隙带高度发育过程为极缓慢-逐步扩展-迅速发育-增速递减发育;伴随采动影响,含水层水量间歇性释放,采空区涌水量交替增-减且整体呈下降趋势,直至工作面充分采动后稳定,实测导水裂隙带高度为58 m。3)基于矿物成分及微观结构分析,覆岩内富含亲水性黏土矿物且广泛分布粗颗粒,水-岩反应下将加剧裂隙发育,造成理论与实测导水裂隙高度形成误差。     

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。     

采动覆岩应力变化规律分析

为了研究采动覆岩应力变化规律,采用理论研究和数值模拟,理论分析了采场底板岩体支承压力分布、采动裂隙场的空间形态;采用FLAC^3D数值模拟了不同推进距离下水平剖面的应力分布和塑性破坏分布。研究得出,采动覆岩裂隙圈呈现典型的直接顶破断“O-X”型特征,采动塑性破坏区呈中间低和两端高的马鞍分布状态;底板和上覆岩层应力呈3个不同应力区域。     

急倾斜煤层开采覆岩裂隙演化与渗流的分形研究

采用分形几何学对离散元计算得出的急倾斜煤层开采覆岩裂隙发育进行了分析,结果表明,采空区上方岩土体节理裂隙发育边界角度较陡,近地表附近岩土体节理裂隙发育边界角度较缓.覆岩内裂隙闭合与张开裂隙的分形维数与开采深度呈线性关系,且两者之间的比值随采深的增加而增加,即覆岩内张开裂隙闭合率随采深的增加逐渐提高,说明浅部覆岩内裂隙的闭合对于阻止地表水入渗可起到积极的作用.对工作面内的雨水渗流量与裂隙闭合率关系进行深入研究,得出工作面的水渗流量与裂隙闭合率呈非对称抛物线关系,进一步证明了裂隙闭合的阻水作用.     

采空区顶板高位走向长钻孔高效抽采瓦斯机理研究

为了提高采空区顶板高位走向长钻孔瓦斯抽采效率,消除工作面上隅角瓦斯超限事故,以山西华晋吉宁煤业有限责任公司2102综采工作面为研究对象,采用数值模拟、理论分析与现场试验相结合的方法,利用3DEC软件模拟计算2102综采工作面回采期间采空区顶板裂隙场演化过程,根据裂隙场、应力场和应变场分布模拟结果在沿工作面推进方向上划分采空区顶板裂隙加强区范围与压实区范围,工作面推进期间煤层顶板在时间上先后经历裂隙加强区和重新压实区,处于裂隙加强区的钻孔部分为钻孔高效抽采作用区域,钻孔高效抽采段长度与钻孔高效抽采段裂隙发育程度共同决定高位走向长钻孔抽采效率,揭示了采空区顶板高位走向长钻孔高效抽采瓦斯作用机制;在此基础上,在采空区顶板裂隙带高度范围内布置多个高位试验钻孔,进行钻孔瓦斯抽采效果考察,研究结果表明:在保证高位钻孔布置于回风巷内侧顶板裂隙带前提下,最佳布孔层位为距煤层底板60 m左右,同时在高位试验钻孔作用下,上隅角瓦斯体积分数最大值由1.1%降低至0.6%,说明根据回风巷内侧采空区顶板裂隙带高度范围,布置高位走向长钻孔能显著降低上隅角瓦斯浓度。