薄煤层钻采卸压覆岩运动相似模拟研究

针对螺旋钻开采薄煤层保护层的条件,采用相似模拟实验,模拟薄煤层钻采后上覆岩层运动破断规律,确定了岩层破坏形式与裂隙发育特征。在近距离煤层群开采时,采用钻采方式开采保护层能够在不破坏被保护层整体结构的同时,起到有效卸压作用。钻采工作面覆岩运动规律与顶板位移与长壁工作面存在差异。     

采动岩层渗透率与应力耦合关系数值模拟研究

根据上覆岩层在采动条件下渗透率随应力变化的分布特点,建立了渗透率-应力模型,并通过fish语言将渗透率-应力模型镶嵌到FLAC3D软件,对采动条件下上覆岩层的渗透率与应力变化规律进行了模拟,同时以渗透率变化来判定采动卸压带的高度。结果表明:岩层采动后,渗透率随应力增大而减小;卸压带高度随开采距离增加而增加,但最后却趋于某一恒定值;开采保护层能很好地增强被保护层煤岩层的渗透性,能有效提高被保护层瓦斯抽采效率;被保护层开采后,其采空区上覆岩层的渗透率是保护层开采时上覆岩层渗透率的3倍左右。     

基于数字散斑方法的相似材料模型变形和破坏特征

为了验证数字散斑方法研究保护层开采物理相似模拟的采空区上覆岩层垮落、变形规律的可行性,设计了利用数字散斑方法研究相似材料试件的变形和破坏特征的实验。实验获得了相似材料试件单轴压缩过程中的散斑位移云图。通过对试件破坏前、破坏过程中和破坏发育完全3个关键阶段的散斑位移云图进行分析,获得了试件单轴压缩过程中的变形和破坏特征,揭示了试件单轴压缩产生剪切破坏的机理,并验证了利用数字散斑方法研究保护层开采物理相似模拟采空区上覆岩层垮落、变形规律的可行性。     

上行开采上覆煤岩变形破坏规律研究

以朱仙庄矿Ⅱ5采区为研究对象,采用相似模拟和数值模拟研究方法,研究了下保护层10#煤开采时上覆岩层变形破坏规律。研究结果表明,覆岩呈梯形破坏演化特征,向前和向上渐进式发展,离层发育高度随工作面推进距离增大呈间断跳跃式增加特征;采空区上方15~60 m横向裂隙较发育,竖向裂隙明显减少,上覆岩层垮落角约为60°。     

采空区覆岩破坏规律及区带划分数值模拟研究

针对综放面开采过程中的上覆岩层破坏导致的采空区漏风情况,采用FLAC3D数值模拟软件,通过模拟综放面开采后采空区上覆岩层的应力场及变形场的破坏情况,根据应变、应力、塑性区云图,分析了上覆岩层的应力、应变、塑性区域破坏规律,结合数值模拟结果与经验公式计算,确定了竖三带和横三区的范围,为漏风及遗煤自燃治理提供了理论依据。     

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。     

近距离采空区下开采覆岩移动规律相似模拟研究

通过实验室相似材料模拟试验,分析了近距离采空区下进行采煤,上覆岩层的破坏状况和支承压力分布规律,以及顶板冒落和采动裂隙发育的特征。分析了上覆岩层来压规律对煤炭开采过程中的安全影响,以此为在采空区下安全采煤防止上覆岩层裂隙水的侵入提供有效的理论和实践上的依据。     

关键层结构对保护层卸压开采效应影响分析

由于保护层卸压开采,导致覆岩结构的运动,致使上覆煤层变形,产生卸压效应,改变被卸压煤层的透气特性,为卸压瓦斯抽采创造有利条件.采用RFPA2D-Flow数值模拟软件,分析了上覆煤岩层采动裂隙演化、卸压煤层采动应力及位移分布、瓦斯参数变化等规律,结果表明:1)下保护层开采引起的上覆煤岩层采动裂隙集中分布在采场两端部,并呈竖向偏采空区方向发育,离层裂隙发育至被卸压煤层上方;2)开切眼和停采线附近区域顶板裂隙明显发育,卸压开采导致上覆煤层产生膨胀变形,透气性明显增加;3)由于被卸压煤层和保护层之间关键层结构的力学效应,使被卸压煤层透气系数增加幅度不显著,导致抽采孔瓦斯压力降低速度放缓.无关键层结构时,采动影响区内抽采孔瓦斯压力降低较快.     

远距离下保护层开采对上覆煤岩层卸压效果的影响

为探究晋城矿区下保护层开采对上覆岩层卸压效果,综合运用数值模拟和现场实测等手段,并以该矿区开采9号煤层作为3号煤层下保护层为工程背景开展研究。采用数值模拟手段研究下保护层开采上覆煤岩体卸压效果及被保护层煤体膨胀变形规律,并确定有效保护范围。研究结果表明:保护层回采后,上覆煤岩体出现分区卸压效应,卸压效果随与工作面垂直距离增加而降低;被保护层倾向卸压角为63°,走向卸压角为60°;采空区中部被保护层膨胀变形率保持在4‰左右,为稳定卸压区域。现场工业试验后,通过钻孔电视发现被保护层煤体受采动影响产生离层裂隙。煤层瓦斯参数测定发现,被保护层煤体瓦斯含量、瓦斯压力分别降低至开采前50%和60%,表明开采9号煤层作为保护层对上覆3号煤层卸压消突效果显著。     

上覆坚硬厚顶板煤岩卸压增透数值模拟及应用研究

基于榆树田煤矿上保护层开采时被保护煤层上覆岩层为坚硬厚岩层的实际情况,采用物理实验、数值模拟和现场应用等方法,研究上保护层开采推进时被保护区域的应力变化尤其是垂直应力演化规律和原岩应力区、应力增高区和降低区的演化规律,继而设计保护层开采方案并选定高位定向长钻孔进行瓦斯抽采。结果表明,被保护层上覆的坚硬厚岩层会形成关键层直接影响保护层效果;上保护层开采后被保护层的卸压程度为50%,膨胀变形量为0.391%,被保护层工作面回风瓦斯浓度降低至0.35%。现场应用结果表明,被保护煤层上覆坚硬厚岩层时,采用上保护层开采配合高位定向长钻孔抽采能够取得理想的卸压增透和瓦斯抽采效果。