神东特殊保水开采煤层条带充填覆岩隔水层稳定性判据

神东矿区特殊保水开采覆岩隔水层中剩余基岩具有结构承载特性,其上方黏性土层具有封堵导水裂隙功能.依据岩层控制理论,建立神东特殊保水开采煤层条带充填覆岩结构隔水层力学模型.采用应力和应变作为衡量覆岩结构隔水层及上方黏性土层破断导水的指标,推导结构隔水层及上方黏性土层稳定性力学判据,分析条带充填覆岩隔水层稳定性影响因素.结果表明:结构隔水层上作用的最大拉应力随其厚度、充填条带宽度、弹性地基系数的增大而减小;随覆岩含水层水压的增大而增大;随覆岩垮落角的增大而先快速增大后趋于平缓.黏性土层产生的最大拉应变随其厚度的增大而增大;随其弹性模量的减小而快速增大.充分采动后,结构隔水层上作用的最大拉应力随工作面推进距离的增大而趋于稳定.     

顶板隔水层关键层耦合作用规律研究

在煤矿开采过程中，如果覆岩裂隙扩展至贯穿隔水层，则会诱发地下水或地表水大量涌向采场，导致煤矿淹井事故．利用RFPA^2D-Flow软件建立了隔水层关键层耦合的采场推进模型，计算并分析了裂隙场的发育和分布，绘制了顶板水渗流量曲线．讨论了与裂隙发育密切相关的覆岩支承压力与中间岩层厚度、关键层厚度及破断闻的关系．结果表明：关键层未破断时，中问岩层厚度对隔水层裂隙发育作用不明显；厚关键层对隔水层能起较好的保护作用．     

大采深条件下导水裂隙带高度计算研究

在分析导水裂隙带高度计算经验公式来源背景的基础上,阐明了只考虑采厚单因素计算导水裂隙带高度的经验公式不合理性及其应用的局限性,针对大采深条件下工作面覆岩运动的特点,基于采场顶板"上四带"划分理论,推导出了考虑开采厚度、开采深度、工作面跨度、岩石的力学性质、岩层的组合特征、含水层水压等因素的导水裂隙带理论计算公式.结果表明:大采深条件下,工作面跨度对裂隙带高度发育有控制作用,含水层水压对导水裂隙带高度发育有促进作用,结合鲍店煤矿1303工作面开采实例,说明获得的理论公式可应用性.     

告成矿滑动构造下导水裂隙带高度分析

为了研究告成矿滑动构造下不同类型顶板的导水裂隙带发育高度,结合告成矿地质采矿条件,利用GMS软件对25采区上覆岩层信息数字化,经算法插值后生成三维地质模型,得到了滑动构造的产状特征。基于地质模型,通过岩层拉伸率计算和数值模拟等方法,对告成矿采空区不同类型顶板的裂隙带高度进行研究。结果表明:滑动构造下的导水裂隙带高度低于常规地质采矿条件下的;滑动构造带以较厚且易碎的特征赋存,煤层采出后主要以变形为主,不易发生断裂,不能形成由下至上贯通的导水裂隙,具有一定的隔水性;滑动构造条件下,在应用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中导水裂隙带计算公式时,需考虑顶板岩层的力学性质等因素。     

基于地表点下沉阶段特征的覆岩裂隙带高度演化

煤炭开采引起覆岩破断及地表下沉,覆岩及地表运移规律可反映裂隙带高度的动态演化过程,因地表下沉滞后于煤炭开采,采空区封闭后,长期压实作用导致裂隙带高度较采动期间有所降低.基于地表点下沉速度的阶段特征将裂隙带高度的演化全程分为2个阶段,第1阶段裂隙带发育对应岩层破断逐步向上传递的过程,第2阶段裂隙带高度降低对应离层及裂隙闭合、断裂岩层受压后变形回弹及破碎岩体自然压实的过程,针对不同阶段裂隙带高度演化开展了试验研究和理论推导,揭示了不同阶段裂隙带高度的演化特征及影响机制,并结合同忻煤矿和太平煤矿实测结果进行了验证.研究结果表明,关键层的控制作用使得裂隙带高度阶段性增长,关键层最终破断层位及其上方部分岩层的岩性特征决定了第1阶段裂隙带发育高度,第2阶段裂隙带高度由第1阶段结束时裂隙带高度及垮落带高度、不同状态下的垮落带碎胀系数及地表动态下沉结束后的下沉量决定.研究可为废弃采空区卸压瓦斯地面抽采钻井结构设计及煤矿地下水库极限库容计算提供参考.     

五沟煤矿导水裂隙带发育高度预测

煤层开采导致覆岩产生移动变形破坏,描述覆岩破坏影响程度的导水裂隙带发育高度是评价顶板是否发生突水溃砂等灾害事故的重要指标之一,因此对影响导水裂隙带发育高度的采高、工作面几何参数、覆岩岩性及岩层结构等主要因素进行分析,利用模糊数学方法将非线性问题转换成线性问题进行计算,获得五沟煤矿10煤开采导水裂隙带发育高度预测公式,为五沟煤矿含水层下10煤层的安全开采提供指导。     

基于采空区压实效应的工作面开采全过程模拟

为探究孤岛工作面开采时覆岩破断、运移和矿压显现规律,利用FLAC~(3D) Fish语言开发了数值算法,基于采空区压实理论和双屈服模型,提出一种孤岛工作面推进过程中覆岩破断演化、垮落带岩体的压实效应和采动静载、动载响应数值模拟方法.采用该方法对朝阳煤矿3108孤岛工作面采动全过程及其动静载演化机制进行了数值模拟,所得结果与现场实际具有较好的一致性.结果表明:由于两侧采空区工作面长度较小(70 m),开采后覆岩垮落不充分,垮落带和裂隙带演化高度有限,约为30.98和66.91 m;动载主要来源于顶板破断释放能量,震源和覆岩裂隙带演化的最大高度基本一致,其震源包络线与裂隙带的发育范围吻合度较高.     

坚硬厚层顶板群结构破断的采场冲击效应

采用理论分析、物理相似模拟及现场实测相结合的方法,对坚硬厚层顶板群结构的破断冲击效应进行了分析.研究表明:多分层坚硬顶板群结构的破断冲击载荷在短时间内会产生较大的波动,工作面来压特征受多分层顶板垮断的联合作用;采场冲击来压强度主要与顶板赋存厚度及自身岩性特征有关,对于岩性相近的顶板岩层,厚度越大,对采场的矿压冲击影响也越剧烈,但厚层顶板垮断后的结构对其上覆顶板岩层的冲击载荷强度具有一定的缓冲.以大同矿区坚硬顶板群结构下的煤层开采为例,现场实测分析得到的工作面采场来压特征说明多分层顶板的垮断失稳有一定的随机性,但各分层顶板的单层垮断或多层同步垮断几率在整个煤层开采过程中基本保持不变.     

厚煤层采动裂隙发育演化规律及分布形态研究

结合弹塑性和断裂力学相关理论分析厚煤层上覆岩层采动裂隙扩展力学原理,根据覆岩内原生裂隙、次生裂隙和贯通裂隙分布情况将采动裂隙瓦斯流动通道沿工作面倾向分为:孤立区、局部网络区和网络区,运用UDEC数值软件模拟不同倾角和工作面长度条件下覆岩采动裂隙分布规律.结果表明:受采动影响,厚煤层工作面采空区覆岩出现"O"形裂隙圈,其随煤层倾角增大且沿煤层倾向向上发育,由水平煤层的等腰梯形演化为急倾斜煤层的不对称钝角梯形,瓦斯积聚于"O"形圈顶部;煤层倾角不变的情况下,"O"形裂隙圈随工作面长度的增加而增高.     

上覆岩层裂隙演化逾渗模型研究

基于裂隙聚团演化过程表现出的临界特征,利用逾渗理论,建立上覆岩层的逾渗模型,并分别分析沿走向和倾向条件下采动裂隙的逾渗特性.根据相似模拟试验结果,分析采动裂隙演化逾渗特性及周期来压之间的关系.结果表明:所建逾渗模型中逾渗概率、裂隙率、逾渗团大小、竖向破断裂隙概率、离层裂隙概率可以较为完备地定量描述裂隙特征,为建立裂隙与渗透率等相关参量的定量关系提供合适的数学载体.     

西安地铁穿越地裂缝的抽水试验研究

查清地裂缝水文地质情况可以为西安地铁设计和施工提供科学依据。根据西安地铁勘察工作需要,2008年7月～9月选择地裂缝穿过的西安市劳动路小学院内场地首次尝试进行跨地裂缝水文地质专项现场试验。试验内容包括试坑渗水试验、钻孔注水和抽水试验,并以1号抽水井的稳定流抽水试验为典型,研究地裂缝对地下水渗流的影响。采用带1个观测孔的稳定流潜水完整井公式、带2个观测孔的稳定流潜水完整井公式以及潜水完整井水位恢复速度计算公式等3个渗透系数计算方法,得到了地表浅层土体沿地裂缝走向和垂直于地裂缝走向的渗透系数,分析了渗透系数的差异性;最后利用MADIS有限元软件模拟场地内建筑物对地基土施加应力,探讨了建筑物对场地土体的影响。结果表明:利用上述3个公式计算,都得到沿地裂缝方向土体的渗透系数比垂直地裂缝方向的土体稍大;在同一落程中,利用潜水完整井水位恢复速度公式计算得到的渗透系数最大,利用带2个观测孔的稳定流潜水完整井公式计算得到的渗透系数次之,利用带1个观测孔的稳定流潜水完整井公式计算得到的渗透系数最小,这主要是由井损造成的;建筑物对场地土体的影响主要集中在素填土层、黄土层和古土壤层,粉质黏土层以下影响则逐渐减弱,影响深度在18m左右;由于建筑物长期对地裂缝上盘土体施加荷载,附加应力作用使地基土固结压密,导致地裂缝上盘土体的渗透系数较下盘小。     

Mechanism of rock burst caused by fracture of key strata during irregular working face mining and its prevention methods

To study the occurrence mechanism of rock burst during mining the irregular working face, the study took irregular panel 7447 near fault tectonic as an engineering background. The spatial fracture characteristic of overlying strata was analyzed by Winkler elastic foundation beam theory. Furthermore, the influence law of panel width to suspended width and limit breaking span of key strata were also analyzed by thin plate theory. Through micro-seismic monitoring, theoretical analysis, numerical simulation and working resistance of support of field measurement, this study investigated the fracture characteristic of overlying strata and mechanism of rock burst in irregular working face. The results show that the fracture characteristic of overlying strata shows a spatial trapezoid structure, with the main roof being as an undersurface. The fracture form changes from vertical “O-X” type to transverse “O-X” type with the increase of trapezoidal height. From the narrow mining face to the wide mining face, the suspended width of key strata is greater than its limit breaking width, and a strong dynamic load is produced by the fracture of key strata. The numerical simulation and micro-seismic monitoring results show that the initial fracture position of key strata is close to tailgate 7447. Also there is a high static load caused by fault tectonic. The dynamic and static combined load induce rock burst. Accordingly, a cooperative control technology was proposed, which can weaken dynamic load by hard roof directional hydraulic fracture and enhance surrounding rock by supporting system.     

Investigation on fracture models and ground pressure distribution of thick hard rock strata including weak interlayer

Dynamic disasters, such as rock burst due to the breaking of large area stiff roof strata, are known to occur in the hard rock strata of coal mines. In this paper, mechanical models of the fracturing processes of thick hard rock strata were established based on the thick plate theory and numerical simulations. The results demonstrated that, based on the fracture characteristics of the thick hard rock strata, four fracture models could be analyzed in detail, and the corresponding theoretical failure criteria were determined in detail. In addition, the influence of weak interlayer position on the fracture models and ground pressure of rock strata is deeply analyzed, and six numerical simulation schemes have been implemented. The results showed that the working face pressure caused by the independent movement of the lower layer is relatively low. The different fracture type of the thick hard rock strata had different demands on the working resistance of the hydraulic powered supports. The working resistance of the hydraulic powered supports required by the stratified movements was lower than that of the non-stratified movements.     

注水压裂条件下软煤裂隙损伤与煤层气渗透耦合特征

针对豫西"三软"煤层的低渗性与流变性,探讨了复杂地质条件下主采二1煤层生、储气层的变形特征.基于ABAQUS平台进行软件二次开发,讨论了注水压裂条件下二1煤裂隙的应力与损伤特性;利用T-P损伤演化准则的Cohesive单元,揭示了软煤裂隙的张裂宽度与延伸距离之间的近似线性关系.模拟结果表明,注水压力条件下,软煤裂隙的应力与损伤演化是一个随时间逐渐发展的过程,在5~10 MPa静荷载作用下,注水1~2 h,软煤裂隙的损伤范围约为80~100 m,从而大幅度地改善了"三软"煤层低渗性能.     

岩层移动模拟研究中加载问题的探讨

基于岩层控制关键层理论,通过相似材料模拟实验及UDEC与FLAC数值模拟计算,对岩层移动模拟研究中将部分岩层省略,而代之以均布载荷作用在模型上部边界的作法所存在的问题及应遵循的原则进行了研究。结果表明,当简化为均布载荷的岩层中包含关键层时,将引起岩层载荷分布特征的改变,从而导致岩层破断距模拟结果的失真;只有主关键层上部的岩层可以简化为均布载荷,包含关键层时不能简化为均布载荷,其等值载荷与被省略岩体中关键层的位置及其破断特征有关。     

华丰煤矿顶板突水机理研究

为了解决新汶矿业集团华丰煤矿4煤层顶板突水问题，基于矿山压力控制理论，在分析顶板突水水源的基础上，研究了该矿的顶板突水机理．结果表明：顶板突水同顶板覆岩运动过程中形成的离层、冲击地压及斑裂线存在密切的因果关系，斑裂线和沿层离层是造成顶板水主要沿工作面下平巷涌出的主要因素，斑裂线是导致华丰煤矿顶板大量突水的主要导水通道．通过3405工作面出水实例和化学连通试验说明离层带注浆浆液中的水能够通过顶板岩层的裂隙进入工作面．     

底板岩体结构稳定性与底板突水关系的研究

将煤层底板至含水层之间承载能力最大的一层岩层看作底板关键层，从而将采场底板突水的研究转化为对底板关键层破断机制的研究，将关键层看作受水压等均布载荷作用的弹性薄板，得出了它的极限破断跨距公式，并提出了利用已知突水事故资料反演预测岩体强度的方法，提高了理论计算精度。最后，分析了底板关键层破断后的块体平衡条件，解释了突水点的分布特点与突水时产生的底鼓现象。     

覆岩关键层位置的判别方法

建立了判别覆岩中关键层位置的实用方法,并编制了相应的计算机软件ＫＳＰＢ。首次 相邻两层硬岩同步破断的理论判别式,并就相邻两层破断顺序的影响因素进行分析,结果表明,两硬岩层厚度、间距以及上层硬岩所承受的载荷大小是影响相邻层硬岩民支破断顺序的主要因素。     

Evolution of a mining induced fracture network in the overburden strata of an inclined coal seam

The geological conditions of the Pingdingshan coal mining group were used to construct a physical model used to study the distribution and evolution of mining induced cracks in the overburden strata. Digital graphics technology and fractal theory are introduced to characterize the distribution and growth of the mining induced fractures in the overburden strata of an inclined coal seam. A relationship between fractal dimension of the fracture network and the pressure in the overburden strata is suggested. Mining induced fractures spread dynamically to the mining face and up into the roof as the length of advance increases. Moreover, the fractal dimension of the fracture network increases with increased mining length, in general, but decreases during a period from overburden strata separation until the main roof collapses. It is a1so shown that overburden strata pressure plays an important role in the evolution of mining induced fractures and that the fractal dimension of the fractures increases with the pressure of the overburden.