密实充填矿压显现时空演化规律研究

建立和分析密实充填矿压显现时空演化力学模型,运用相似材料模拟方法研究充填开采条件下的采场矿压显现时空演化规律,并以邢台某矿充填实践为工程实例进行分析验证。研究结果表明:顶板下沉活跃期间,充填体受力与充填步距和推进时间呈正相关;在充填开采物理模拟中,顶板测点应力普遍经历了应力升高-急剧卸压-缓慢升压再到稳定的过程,且工作面前方顶板应力峰值和煤柱受力随着充填步距的增加而增大;充填体受力随着工作面推进而不断增加至趋于稳定,稳定后的顶板应力和充填体受力均小于原岩应力;停采后静置阶段,随着时间增长,充填区顶板依然存在缓慢下沉现象。某矿充填实测结果显示距离切眼15和40 m处的充填体压力为3.5和5.5 MPa,且顶板下沉和覆岩离层在工作面推进过程中均随着充填距离的增加和充填时间的推移表现出了规律性变化。     

非对称综放开采煤层三维应力分布特征及其层厚效应研究

基于非对称综放开采布置特点,以谢桥煤矿1151（3）综放面地质技术条件为背景,采用计算机数值模拟,并结合现场实测研究,揭示非对称开采煤层三维应力分布及一次开采煤厚变化对应力分布的影响规律。研究结果表明,非对称开采工作面煤层应力呈非对称分布,煤柱侧工作面煤层应力峰值及其超前距离和应力降低区的范围最大;随一次开采煤厚的增加,煤层应力峰值降低,峰值距煤壁的距离增大,应力向煤层深部煤体转移。研究为煤柱合理留设、巷道合理布置、采场围岩稳定性控制、提高煤炭资源采出率、安全高效开采等方面提供理论依据。     

综放工作面开采速率对围岩应力环境影响的研究

综放工作面开采速率影响着工作面围岩应力重新分布和变形破坏的结果。主要归结于：（1）开采速率的不同影响围岩应力转移过程的完整程度；（2）开采速率的不同造成单位时间开采截深的变化，从而影响了围岩的加卸载过程以及加载速率的变化；（3）开采速率的不同对岩石蠕变时间有一定的影响，从而影响岩石的变形及应力分布。以谢桥煤矿为工程背景，通过数值模拟分析，揭示开采速率对工作面围岩应力影响的规律。随着综放工作面推进速度的增加，工作面周围应力降低区的面积减小：与之对应，工作面周尉岩体破坏区的范围减小工作面前方峰值应力向丁作面靠近，峰值应力变大；围岩岩体的变形时间缩短，工作面周围岩体的位移减小。提出适当提高综放开采推进速度有利于工作面管理和安全生产。     

千米深井采动工作面矿压显现规律及覆岩位移特征研究

深部煤炭开采过程中,岩体受到高地应力和强开采扰动的作用,是典型的动静组合加载问题,特别是千米级深井开采中少有成熟工程可借鉴,井下衍生的一系列工程地质灾害直接影响回采安全。为探索千米深井采动工作面矿压显现规律及覆岩位移特征,以平煤十矿24130工作面为依托,构建矿压立体监测–覆岩离层位移监测体系,对采动条件下,保护层开采过程中工作面前方钻孔应力、锚杆应力与巷道顶板离层位移进行长效监测与数据分析。结果表明,深部煤岩体受开采扰动影响呈现出显著非线性力学特性,而非单一线性增减,且开采扰动不是在整个回采过程中均对矿压显现产生明显影响,而是在开采至距采面45～65 m与25 m以内2个范围内存在显著影响;在上述2个范围内推进速度增加,扰动效果显著,因而在围岩较破碎的区域适当降低推进速度至0.5m/d左右,可保证煤岩体结构完整,始终具有一定承载力;此外,釆动对巷道顶板矿压影响相较于巷道巷帮更显著,在支护设计时应该对巷道顶板加强支护;采面前方15～5 m范围为采动对覆岩位移的主要影响区域,该范围内顶板离层发育较快,且顶板离层发育速度受到工作面推进速度的影响更显著,表明该区域内适当控制开采速度在0.8～1.1 m/d时,可保证生产要求的同时更利于工作面前方顶板管理,为千米级深井的采面安全生产提供科学指导。     

中深孔开采急倾斜薄矿体采场顶板力学模型及围岩扰动规律研究

以果洛龙洼金矿开采为工程背景,首先基于弹塑性理论,将中深孔开采急倾斜薄矿体采场顶板简化为两端固支的高次超静定梁,并建立力学分析模型。分析顶板4个不同的受力变形阶段,即弹性阶段、顶板两端出现塑性区阶段、顶板两端破裂并变为简支阶段、整个顶板成为塑性流动机构阶段,确定不同阶段的顶板极限跨度,分别为7.38,9.27,9.53和10.43 m。然后基于Kachanov蠕变损伤理论对不同阶段顶板损伤断裂时间进行预测,不同受力阶段顶板断裂时间分别为51.8,15.3及14.5 d,并给出顶板两端损伤断裂时间与顶板跨度的函数关系图,基本呈三次函数关系。最后根据现场应力监测,对开采过程中围岩应力变化规律进行研究,分析表明随着工作面的推进,采场围岩应力经历缓慢增加、急剧增加、急剧降低和缓慢恢复4个阶段。     

砂土基型浅埋煤层保水煤柱稳定性数值模拟

浅埋煤层间歇开采保水采煤的关键是确定工作面的合理推进距离和煤柱尺寸,通过相似材料模拟已得到工作面的合理推进距离,并为实践所证实。以相似材料模拟所得到的工作面推进距离与覆岩裂隙高度关系为依据,建立了数值模拟模型,以计算工作面合理的煤柱尺寸。运用ALGOR有限元程序,模拟了基岩厚度30m以下、土层20m以下的砂土基型和基岩厚度30m以上、土层20m以上的砂土基型2种类型的工程地质条件,通过煤柱上的米赛斯应力分布、上覆岩层的拉应力分布以及顶板的下沉量等模拟结果分析,判断了煤柱和覆岩的稳定性,得出了不同基岩厚度工作面实现保水开采的合理推进距,这对实现陕北砂土基型地质条件下的保水采煤和矿区荒漠化防治具有重要意义。     

极近距离薄煤层群联合开采常规错距理论 与物理模拟

 伴随着中、厚煤层资源的枯竭,潞安集团下属十几个矿井都将进入下组煤开采。下组煤15–1#和15–3#煤层是以薄煤层群赋存在一起,平均间距为4.4 m,因此提出极近距离薄煤层群联合开采常规错距开采模型,并进行理论和物理模拟试验研究。从理论上给出近距离薄煤层群联合开采下的工作面常规错距计算公式,并进行理论求解。为避免15–1#煤层顶板的周期垮落与15–3#煤层工作面回采时的超前效应相互影响,从安全角度考虑,将错距定为1.3～1.5倍的周期垮落步距,结合试验结果将常规错距定为17.5 m。物理模拟试验结果表明,常规错距下联合开采技术上是可行的。另外分析了工作面上方附近几个测点总是被抬高的原因,并总结了在工作面推进过程中,顶板下沉主要经过两次大的变化,即上、下两煤层工作面回采过程中发生垮落时,尤其是下层煤顶板垮落造成影响较大。     

承压水上工作面破坏及裂隙演化相似模拟试验

随着我国煤炭开采深度的逐渐增大,承压水上开采工作面底板破断、突水事故呈上升趋势。以某煤矿承压水上开采工作面底板为研究对象,采用理论分析和开采固-流耦合相似模型对承压水上开采底板破断失稳特征进行了研究,并对回采过程中裂隙演化特征进行了数字化分析。研究结果表明:某煤矿承压水上开采工作面底板存在明显“三带”规律;工作面底板破坏深度为19.2 m,有效保护层厚度为2.3 m;随着工作面向前推移,底板所受应力随着距开切眼距离的增大而增加;采动过程中近煤壁底板为裂隙聚集区;采动过程中煤层底板裂隙数量随着深度的增加而减少;底板裂隙演化能很好反映底板破坏过程,可为矿井突水临突监测监控提供可靠数据。     

基于Data Mining技术的平顶山矿区不同赋存深度采动煤岩体巷道稳定性研究

为探究不同赋存深度采动煤岩体巷道稳定性及其差异性,选择Data Mining(数据挖掘)技术,基于平顶山矿区不同赋存深度(700 m,850 m,1 050 m)巷道的现场监测数据,选择多元线性回归和神经网络模型对顶板离层进行公式拟合和影响因素的权重分析,并开展顶板离层及锚杆应力的时序预测研究,初步揭示不同赋存深度开采扰动影响范围、巷道变形及应力变化特征。研究结果表明:(1)距工作面距离及锚杆应力对顶板离层变化影响最大,但随着赋存深度的增加,其所占权重降低近50%。(2)顶板离层及锚杆应力的时序预测分析发现,随工作面推进,赋存深度1 050 m巷道顶板离层位移及锚杆应力将出现激增现象,且其最大锚杆应力预测值达15 MPa,为千米以浅两巷道的2~3.5倍;离层预测值高达80 mm,为千米以浅两巷道的6~8倍。表明随着赋存深度增加,煤岩巷道变形及应力变化受开采扰动的影响越来越剧烈,对千米以深巷道应及时加强开采过程中的稳定性监测及控制工作。以上技术路线和研究结果对不同赋存深度煤炭资源安全高效开采具有一定指导作用。     

底层大采高综放全厚开采20 m特厚中硬煤层的物理模拟研究

根据酸刺沟煤矿6-1^#煤层的赋存条件，运用1：30的大比例物理模拟试验，研究底层4．5m大采高综放全厚开采20m特厚煤层顶煤和项板垮落特征、采空区垮落矸石的碎胀特性和堆积角、支架的工作阻力、煤炭回收率以及煤壁前方支承压力作用特征等。研究结果表明：（1）底层大采高综放全厚开采20m特厚中硬煤层，在技术上是可行的。（2）根据项煤、顶板垮落特征，工作面的开采过程可分为初采阶段、过渡阶段和正常放煤阶段。在初采与过渡阶段，煤炭回收率n随工作面推进距离L的增加呈对数规律提高。（3）进入正常放煤后，项煤放出率可以达到70％，工作面采出率可以达到75％。项煤放出率随顶板岩梁的垮落呈周期性变化。（4）在支架后方会出现大厚度顶煤悬伸，顶板周期性垮落时会发生大高度切项现象，要求支架有足够的抵抗项煤、顶板断裂产生的向后旋转作用力。（5）为确保安全和项煤及时垮落，应实施预爆破或预注水弱化顶煤措施。     

煤炭地下气化多层热弹性基础梁模型及其应用

 为了得到条带地下气化开采覆岩移动下沉规律,以华亭煤炭地下气化为例,在气化过程傅里叶传热分析的基础上,建立含温度场的多层热弹性基础梁模型,分析温度场的存在对岩梁挠度的直接和间接影响,通过引入煤层烧变损伤因子并确定损伤范围,最后求得含损伤弹性基础的热弹性基础梁挠度解析解,并理论分析岩梁挠度、弯矩、剪力和载荷随时间的变化规律。结果表明：温度场的存在使岩梁在垂直方向和水平方向分别产生附加弯矩和热应力,其随时间在直接顶内呈先增大后减小,在老顶内呈一直增大趋势;岩梁挠度、弯矩、剪力和载荷基本都大于常温状态下的数值,且随覆岩热传导时间基本呈先增大后减小趋势。通过与现场实测下沉曲线的对比,说明该模型是合理的和符合实际的。     

煤炭地下气化空间扩展规律及控制方法研究综述

 在介绍煤炭地下气化特点的基础上,对地下气化空间扩展及气化过程影响进行了分析, 综述了国内外在煤炭地下气化空间扩展规律及控制方法的研究进展, 结合中国的气化工艺特点, 提出了需进一步研究的课题。     

8.5m超大采高综采面回采巷道合理煤柱宽度分析

为确定8.5 m超大采高综采面大断面、超长距离回采巷道合理煤柱宽度,以上湾矿12401综采面回采巷道为背景,采用回归分析、理论分析、数值模拟方法进行分析。在经验法基础上采用回归分析科学预测煤柱宽度;基于D-P准则引入洛德参数修正极限平衡理论以考虑中间主应力对屈服函数的影响,并在此基础上,提出“塑性区宽度等同理论”分析煤柱宽度。研究结果为:回归分析法、载荷估算法、塑性区宽度等同理论预测值分别为25.31 m、23.5 m、24.2 m;数值模拟预测值为25 m。综上确定8.5 m超大采高回采巷道合理煤柱宽度为25 m,研究成果可为综采面回采巷道支护及稳定性等方面提供理论依据。     

采煤面覆岩破坏动态测试模拟研究

 利用煤层顶板钻孔及巷道形成电法测试系统,根据采动速度测取不同时期岩层电场变化特征,可对上覆岩层受采动影响的变化规律进行全面分析研究,所获得的垮落带和导水裂缝带(以下简称“两带”)高度值对煤矿安全生产具有重要的指导意义。以井下实测煤层为地质模型,通过相似模拟技术构建煤层开采条件,结合孔巷电法系统进行测试模拟与综合分析,提高对“两带”高度值判断的准确性。模拟研究结果表明,孔巷电阻率法对岩层采动产生的结构变化反应灵敏,单次测试电阻率与背景电阻率比值剖面可有效分辨模型开挖过程中的应力超前、岩层变形、破坏等特征,判定垮落带高度为0.07 m,导水裂缝带高度为0.33 m,其相似比例为100,该结果与井下实测值相一致。     

深部强冲击厚煤层开采上、下解放层卸压效果相似模拟试验研究

为了研究深部强冲击厚煤层开采上、下解放层的卸压效果,采用相似材料模拟试验的方法,通过监测解放层开采过程中及稳定后被解放层应力变化情况,分析应力变化规律,计算下解放层下部合理卸压角,确定了被解放层下平巷的合理位置;比较两次开采上解放层模拟试验的卸压程度,确定了上解放层工作面的合理位置;证明了开采下解放层后,被解放层上平巷附近区域仍是高应力集中区,易发生冲击地压,而开采上解放层后,该区应力明显减小,说明上解放层卸压效果明显;验证了井下发生大能量冲击地压之前,地表沉降出现"反弹"的异常现象。该研究为工作面开采设计提供理论指导,对防治冲击地压具有重要的现实意义。     

晋城矿区地应力场研究及应用

 随着矿井开采深度与强度的不断增加,地应力对围岩变形与破坏的影响更加突出,在煤矿矿区进行地应力测量,并分析地应力场分布特征具有重要意义。在晋城矿区,采用小孔径水压致裂地应力测量装置,进行10个煤矿、62个测点的二维与三维地应力测量。实测数据表明：晋城矿区原岩应力以水平应力为主,构造应力占绝对优势,属于典型的构造应力场类型;地应力值属于中等水平;矿区东部与西部水平主应力方向变化较大,主要原因是受晋获褶断带的影响。基于实测数据,绘制晋城矿区地应力分布图;采用回归方法分析地应力随埋藏深度的变化规律;论述水平主应力与垂直主应力的比值同埋藏深度的关系,并与霍克–布朗包线进行比较。选择典型矿井,将地应力测量结果应用于巷道布置与支护设计,根据地应力场分布特征提出合理的巷道轴线布置方向,并在井下应用中得到验证。井下地应力测量为晋城矿区提供了可靠的基础数据,对指导矿区井田开拓、巷道布置与支护设计、采煤方法的选择等工程实践具有重要参考价值。     

煤地下气化技术的发展与应用

介绍了煤的地下气化工艺、煤的气化开采及利用。     

深部厚煤层综放沿空掘巷煤柱合理宽度试验研究

 煤柱合理宽度的确定是影响综放沿空掘巷围岩稳定性的重要因素。以深部厚煤层综放沿空掘巷赵楼煤矿11302工作面轨道巷为工程背景,首次提出一种新型侧向支承压力监测方法,通过现场应力监测和数值模拟相结合的研究方法确定区段煤柱合理留设宽度。现场应力监测与数值模拟结果显示,采空区侧向支承压力影响范围为50～56 m,低应力区宽度为12～15 m,考虑沿空巷道应处于应力降低区内,煤柱留设宽度不应大于7～10 m;同时,从有利于锚杆锚固出发,煤柱宽度不应小于4 m。综合考虑煤柱稳定性、次生灾害控制及煤炭资源回收等因素,最终确定煤柱留设宽度为5 m。采用大型地质力学模型试验与现场试验对煤柱宽度合理性进行验证,结果表明,巷道表面位移均呈现沿空帮＞顶板＞实体帮＞底板的变化趋势,掘巷稳定后,现场实测顶底板移近量最大为271 mm,两帮移近量最大为359 mm,巷道围岩控制效果较好;同时,锚杆、锚索受力均在其屈服范围内,并为回采期间预留充足的余量。研究结果可为类似开采条件下的区段煤柱宽度确定提供参考依据。     

裂隙岩体中力学-渗流-传输耦合离散元模拟

深部地下工程包括增强型地热系统、核废料的地下处置、CO₂地下封存、煤炭地下气化等,都涉及到复杂的水-力-化多场耦合过程。全面理解力学过程影响下的溶质(如放射性核素)传输过程是以上各类工程成功建设和安全运行的重要理论基础。本文基于离散裂隙网络模型的思想,采用离散元方法来模拟应力-渗流耦合过程,而溶质传输过程则用粒子追踪法(Particle tracking algorithm)来进行模拟。溶质传输机理主要考虑了单岩石裂隙中的平流(Advection)、弥散(Hydrodynamic dispersion)以及原岩-裂隙之间的扩散(Matrix diffusion)。结果显示,力学过程对溶质传输过程有着显著影响,会明显改变溶质在裂隙网络中的停滞时间、传输路径和位置分布等。当水力梯度较小时,原岩-裂隙之间的扩散过程将是溶质在裂隙网络中停滞时间的决定性因素。     

块体结构岩体中的应力传递与采场基本顶结构载荷计算

应力在块裂介质中的传递规律与在连续介质中的传递规律不同。研究了属于块裂介质的块体结构岩体中自重应力传递所遵循的法则。研究结果表明，岩体中的应力大小受岩块数量以及岩块的几何参数控制。将研究结果应用在煤炭地下开采中的采场基本顶结构载荷计算中，为岩层控制研究领域块体结构岩层的应力分布计算和岩层结构的载荷确定提供了新的理论依据。