煤矿采空区地表变形评价中的数值模拟分析

采空区的地表变形评价是煤矿灾害评价中的关键问题之一.目前主要是利用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中的概率积分法计算地表变形,但其预测结果往往与实际不符.该文以秀房沟煤矿为例,利用概率积分法和三维数值模拟法分别对其采空区地表变形进行预测,结果表明数值模拟法的预测结果比概率积分法的预测结果更接近于实...     

煤岩体全应力应变渗透性试验及主控因素分析

对影响渗透性的若干关键因素开展试验研究。系统分析了不同围压下、不同瓦斯压力和不同应力-应变状态下煤岩样的渗透特性,建立了煤样的渗透性与围压、瓦斯压力和应力应变等主要控制因素之间的定量关系,探讨了不同载荷条件下煤样的控制机制和变形规律。研究结果表明:固定瓦斯压力下,煤样渗透性随围压的增大而减小,服从指数函数变化规律;固定围压作用下,受Klinkenberg效应影响,渗透率与瓦斯压力关系呈"V"字型走势;在微型裂隙闭合和弹性变形阶段,煤样渗透率随应力增大而减小,进入屈服阶段后,渗透率达到最小值并在峰值强度到达之前完成反超过程。     

岩溶陷落柱周边裂隙带岩体渗透性的试验研究

以皖北刘桥矿区岩溶陷落柱为例，通过全应力-应变渗透试验，研究受采掘影响的不同应力场条件下柱边裂隙围岩渗透性的变化规律以及动水压力与岩体变形的关系，为陷落柱渗流场和应力场的耦合分析提供参数。     

采空区下煤层开采覆岩破坏规律数值模拟

基于古书院矿煤层的实际地质资料,利用RFPA2D分析软件对采空区下15#煤层开采覆岩破坏进行了模拟,观察开采后15#煤层坚硬顶板的裂隙发育状况,研究采动覆岩中三带的发育高度,并对结果从采场上覆岩层移动破坏规律、15#煤层顶板位移及应力变化特征方面进行了分析。通过对15#煤层三带分布研究,编制矿井冒落带和导水裂隙带高度的等值线图,确定15#煤层的导水裂隙带最大发育高度,预测在15#煤层回采过程中,9#煤层采空区积水下渗的可能性。根据裂隙发育情况,结合顶板岩性,为15#煤建立抽放系统、治理瓦斯的论证提供依据。     

构造应力下采空区上覆岩层破坏规律数值模拟

为研究构造应力下采空区上覆岩层的破坏规律,以山东新河矿业有限公司3下06工作面为工程背景,运用FLAC3D数值模拟、理论分析等方法对不同构造应力场中采空区上覆岩层的破坏规律进行了研究。结果表明:随着侧压系数的增大,采空区覆岩塑性区的范围和发育高度先减小后增大,其形状经历了从马鞍形到枕形再到拱形直至最终变化为帽形的过程;采空区顶底板受采动影响形成了明显的应力降低区域,随着侧压系数的增大,应力降低区域沿顶板进一步扩大,底板的应力降低区域沿底板则逐渐减小,顶板的拉应力区域减小,采空区两侧的应力集中区域增大,应力集中现象增强;采空区底板破坏的范围和深度随侧压系数的增加而不断增大。     

煤岩变形力学特性及其对渗透性的控制

通过煤岩力学试验研究了煤岩物理力学性质和煤岩全应力-应变过程中的渗透规律。研究结果表明：煤的力学强度相对煤层顶底板岩石具有低强度、低弹性模量和高泊松比特性,易于产生塑性变形;在全应力-应变过程中具有明显应变软化现象的煤样,在微裂隙闭合和弹性变形阶段,煤岩体积被压缩,煤岩渗透率随应力的增大而略有降低或渗透率变化不大;在煤岩的弹性极限后,随着应力的增加,煤岩进入裂纹扩展阶段,煤岩体积应变由压缩转为膨胀,煤岩渗透率先是缓慢增加然后随着裂隙的扩展而急剧增大;在煤岩峰值强度后的应变软化阶段煤岩渗透率达到极大值,然后均急剧降低,峰后煤岩的渗透率普遍大于峰前。在全应力-应变过程中应变软化现象不明显或者具有应变硬化现象的煤样,煤岩全应力-应变过程中最大渗透率主要发生峰值前的塑性变形阶段,在煤岩峰值强度后的应变硬化阶段,随着煤岩应力的增大,煤岩渗透率减小,峰后煤岩的渗透率普遍小于峰前。     

煤矿采空区水害特征及其防治技术

分析了采空区水的充水特征,介绍了采空区水的探放原则、探放工程设计内容、安全事项,提出了采空区水防治对策.     

某铁矿采空区稳定性的数值模拟分析

某铁矿Ⅰ号铜矿带浅部采用浅孔房柱法开采,经过近7a的开采,从800 m分段至880 m分段共形成145个采空区,采空区内存在大量尺寸不等的间柱、点柱、顶、底柱,部分采空区已贯通,空实比约为3∶1,采空区体积之和约为95.2万m3.为探讨该采空区的稳定性,在现场调查、室内岩石力学实验及矿岩体质量分级的基础上,采用FLAC...     

废弃煤矿采空区积水过程分析

煤矿废弃后，地下水动力场将发生变化，将形成不同于开采阶段的新的地下水动态平衡。通过对唐村煤矿水文地质条件和矿井废弃后地下水动力模式分析，分析了水位回弹过程中矿井的容水空间及其分布特点，分析了废弃矿井水位回弹的时空过程和最终动态平衡模式。     

煤矿采空区在数值模拟中的处理方法

针对一般条件下的采空区,依据直接顶冒落和基本顶沉降的状况,将其划分为3个区域。通过现场观测得出的冒高经验公式和顶板冒落的碎胀值,在数值模拟中,作相应转化,划分出相应的区域,不同的区域采用不同的处理方式,使采空区更加接近现场条件。     

曙光矿井底车场小煤窑遗留采空区支护技术

分析了曙光煤矿井底车场小煤窑遗留采空区支护的特点和难度，提出采用注浆加固、高强度锚杆、再配合预应力锚索支护方案。矿压监测结果表明，该支护方式满足了井底车场巷道小煤窑遗留采空区支护，为现场解决了特殊地质条件下的巷道支护。     

煤矿采空区地表重力异常效应模拟研究

地下大规模采煤形成的空洞效应导致重力场发生变化,通过地面重力变化来反演采空区上方空洞特征及其演变对于煤矿安全生产和地面保护具有实际意义。长期以来,煤矿地下采空导致的地表重力异常效应因量级较小而被忽视。基于布格重力理论采用数值模拟方法得到采空区地表的重力异常分布特征,建立采空区深度、宽度、厚度及开采边界与地表重力异常分布的关系,并使用三阶紧致差分逼近算法得到采空区地表重力异常的一次差分曲线。通过加入随机误差模拟得到采空区地表重力异常值,采用不同拟合方法进行曲线平滑处理,依据其一次差分曲线的峰值来推断采空区的边界位置,为现有技术条件下利用重力变化反演煤矿采空区演变提供了可行性。     

废弃煤矿采空区煤层气资源评价模型及应用

如何评价废弃煤矿采空区煤层气资源是其开发中遇到的关键问题。在对煤炭开采覆岩变形破坏规律研究的基础上,通过理论分析和数学推导,建立了废弃矿井煤层气资源量评价模型和方法,对山西晋煤集团晋圣煤矿采空区煤层气资源进行了评价。研究结果表明,煤炭开采导致采场周围岩体应力重新分布,引起煤层顶底板岩体发生变形与破坏。采空区煤层气资源主要由吸附气和游离气组成,主要来源于煤柱及残留煤层、临近未采煤层和围岩中的游离气和吸附气。基于采动覆岩变形破坏分带特征,根据破碎岩体孔隙率和碎胀系数关系,分别建立了采空区垮落带和断裂带内岩体孔隙体积模型。结合煤层气资源在废弃矿井中的分布特征,考虑煤炭开采采空区积水情况,建立了采空区积水量计算和含水饱和度计算模型,提出了废弃矿井煤层气资源量计算方法,对山西晋煤集团晋圣煤矿采空区煤层气资源进行了评价分析,评价结果认为,废弃煤矿采空区煤层气资源丰富,井田面积为6.5 km2,二叠系山西组3号煤层煤层气总资源量为5.871 7×108m3,其中吸附气资源5.835 3×108m3,游离气资源0.036 4×108m3,资源丰度为0.902 0×108m3/km2。     

基于双屈服模型的采空区下特厚煤层破坏特性

为了研究上煤层采空区对其下伏近距离特厚煤层的影响,确定下煤层巷道布置内错距离;以国投塔山煤矿为背景,基于有限差分数值方法,运用双屈服本构模型实时修正手段,模拟了上煤层采空区垮落带岩体压实特性,阐明了采空区下伏煤岩层内应力场传递规律及塑性破坏发育范围;结合理论分析及现场钻孔窥视结果,验证了数值结果的可靠性,确定了下煤层回采巷道布置内错距离。结果表明:上煤层采空区内遗留区段煤柱下方应力场在下煤层中形成近似正梯形影响范围,上下影响宽度分别为32、56 m;遗留区段煤柱下方塑性区在下煤层中呈倒梯形分布,上下塑性区宽度分别为81.36、61.47 m;结合理论分析及现场钻孔窥视结果,最终确定下煤层回采巷道内错距离应为13.5 m。     

北方地区复杂地形下的煤矿采空区地质稳定性建模分析

为了探明采空区中需要尤其注意的不稳定区域,分析北方地区复杂地形下的煤矿采空区地质稳定性。使用ANSYS和FLAC3D有限元软件数值分析回采、冻融循环、交通荷载以及建筑荷载之下采空区域的地质稳定性。数值分析结果显示,回采扰动时,局部拉应力发生在采空区上方的覆岩位置,底鼓出现严重位移变形;冻融循环之下,土体受冻发生膨胀,导致土体出现裂缝,影响采空区地质稳定性;交通荷载之下,土层发生较大规模移动,发生较大残余下沉量,采空区易出现失稳情况;建筑荷载之下,采空区中心位置稳定性较差,是今后重点需要注意的区域。     

晋城寺河井区煤矿采空区煤层气地面抽采关键技术研究

随着煤层气勘探的不断深入,煤矿采空区煤层气已成为煤矿区煤层气重要资源之一。基于晋城矿区寺河井区煤矿采空区分布特征,通过地质分析、采空区煤层气成分、浓度试验和资源量模型计算等方法系统研究了煤矿采空区煤层气资源条件及地面抽采关键技术,揭示了采空区煤层气赋存规律,给出了不同赋存状态下煤层气资源量计算模型和方法,探索了煤矿采空区煤层气地面抽采关键技术。研究表明,煤矿采空区煤层气来源于煤柱及残留煤层、邻近未采煤层和围岩中的游离气和吸附气。根据吸附气和游离气资源量计算模型计算寺河井区煤层气总资源为213.016×10⁸m³,其中游离气资源为0.102×10⁸m³,吸附气资源为212.914×10⁸m³。采煤方法和采空区密闭性对采空区煤层气的来源和富集程度有重要影响。针对采空区上部岩体裂隙发育特征,将采空区煤层气抽采井身结构由二开优化为三开结构,实现了二开固井封闭断裂带上部含水层,三开下入割缝套管护壁,有效解决了采空区上部含水层涌水对钻井井身稳定性影响及抽采效果等问题。在此基础上,研发了潜孔锤+压缩空气(氮气)钻井工艺,用氮气取代空气作为循环介质,形成了安全揭露含气断裂带钻井工艺技术,为采空区煤层气安全抽采探索了有效途径。     

煤岩全应力-应变过程中渗透特性的研究

选取安徽淮南张集矿的煤样,对加工成的9个标准试件(50 mm×H100 mm)进行全应力-应变过程中的渗透测试及CT扫描试验。渗透试验结果表明：煤岩的渗透率-应变曲线与应力-应变曲线具有相似的变化规律,且渗透率表现出应变滞后性,表明瓦斯在煤岩中的流动特性与受载过程中煤岩内部产生的损伤演化密切相关;围压使煤岩内部的瓦斯通道发生压密闭合,导致渗透率随围压的增大而减小。在渗透试验前后对试件进行CT扫描,结果表明,渗透试验前试件上基本观测不到有微观孔隙裂隙的存在,渗透试验后有明显的贯通裂缝产生,导致试件的渗透率在应力-应变峰后呈现急剧上升的趋势。     

考虑含水率影响的煤岩变形及渗透率模型

煤矿开采深度不断增加,煤层瓦斯含量升高导致动力灾害逐渐增多,给煤矿安全开采带来严峻考验。对于瓦斯在煤层中流动的研究一直以来都备受关注,其中渗透率正是影响煤层中瓦斯流动的关键参数之一。因此,为准确模拟开采环境变化导致的煤岩变形及渗透特性变化,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,开展不同含水条件下孔隙压力升高过程中煤岩渗透特性的试验研究,建立考虑含水率的吸附方程和吸附-渗透率模型,探讨含水率和孔隙压力共同作用对煤岩变形及渗透特性的影响。研究结果表明:①孔隙压力升高过程中,径向应变及轴向应变随孔隙压力的升高均呈降低趋势,瓦斯流量的变化呈上升趋势,煤基质由于吸附瓦斯产生膨胀变形,体积应变逐渐减小。②当含水率恒定时,随着孔隙压力的升高,瓦斯吸附量随孔隙压力增大先增大而后趋于平缓,产生的吸附变形的变化趋势与其相同;当孔隙压力恒定时,煤岩的吸附量和吸附变形均随着含水率的增大而减小。③在恒定含水率条件下,煤岩渗透率曲线随孔隙压力的升高先减小后趋于平缓;而在相同的孔隙压力条件下,随含水率的增加,煤岩渗透率整体逐渐减小,而且含水率越大孔隙压力对渗透率的影响越弱,水分子对渗透率的影响越强。④构建了考虑含水率的吸附量计算方程,并在此基础上进一步构建考虑含水率煤岩吸附-渗透率模型,其中所计算的渗透率值与试验所测结果基本一致,反映了煤岩渗透率变化规律。     

深井综放沿空掘巷围岩变形破坏机制及控制对策

通过对赵楼煤矿综放沿空掘巷现场调查和变形监测,分析了巷道围岩变形破坏特征,深入揭示了围岩变形破坏机制,认为围岩强度低,地应力高,围岩松动破坏范围大,支护结构及参数不合理,巷道围岩应力环境复杂和断面尺寸大是围岩变形破坏的主要原因。基于强力让压耦合支护和关键部位加强支护的围岩控制原理,提出了顶板锚网带索、纵向钢带+两帮锚网梯索、纵向钢筋梯+窄煤柱帮部锚索加强和喷浆+实体煤帮钻孔卸压的支护对策并进行现场试验。结果表明:掘巷稳定后,巷道围岩控制效果良好;锚杆、锚索受力最大值均在其屈服范围内,并为回采期间留够了充足的余量。研究结果为类似复杂难支护巷道提供了借鉴。