大倾角采场矸石充填量化特征及覆岩运动机制

为了揭示大倾角煤层开采矸石非均匀充填对采场围岩控制的作用,基于大量的工程实践和实验研究,分析了大倾角采场矸石分区充填量化特征及其作用下顶板破坏内在机制,得出了各充填区域长度和充填作用下基本顶垮落长度的量化公式,并以枣泉煤矿120210工作面为工程实例,通过相似模拟实验和矿压监测验证了其合理性.结果表明:大倾角煤层长壁开采工作面垮落矸石沿倾斜滑移充填呈现下部充填压实、中部完全充填、上部部分充填的分区特征,形成对覆岩变形、破坏和运移的非对称约束效应,导致围岩破断运移具有明显的时序性和不均衡性,顶板垮落形态向上部区域偏移.     

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.     

煤矿矸石井下处理的研究

针对煤矿矸石地表堆积对人类生存环境和条件带来的威胁与危害，研究了矸石井下处理技术．该项技术运用开采沉陷理论预计地表允许沉陷范围内充填区域矸石充填压实后残余空间的最大高度，确定矸石充填巷的布置；基于数值模拟方法分析了充填巷两侧煤柱应力分布、消除充填巷开掘时的“多洞效应”问题，优化矸石充填巷掘进顺序；设计了矸石充填工艺．此项技术在邢东矿井得到成功应用，实现了矸石井下处理与建筑物下煤炭资源的开采利用．     

综合机械化固体充填采煤的充填体时间相关特性研究

采用MTS 815.02电液伺服岩石力学试验系统对综合机械化固体充填采煤技术中的矸石与粉煤灰充填体的时间相关特性进行了测试,得到了3,7,13和20MPa压力条件下矸石与粉煤灰充填体时间相关特性曲线,应用流变的基本理论,选取PTh体作为矸石与粉煤灰充填体的流变模型,并建立了流变方程;根据矸石充填体时间相关性试验结果及试验矿井的相关数据,计算得出流变参数K1,K2,η,并得到综合机械化固体充填采煤工作面顶板的下沉量与时间的具体流变方程,根据流变方程得出了综合机械化固体充填采煤工作面顶板的下沉量与时间关系曲线,并得出当经历1 000h(约40d)之后,充填体流变进入稳定阶段,其变形量逐渐趋于定值,最大值约340mm.     

厚及特厚煤层工作面顶板垮落高度的确定

采用理论分析、数值计算、相似模拟以及现场实测相结合的方法,分析了厚及特厚煤层工作面采空区顶板垮落高度.研究表明,关键层理论计算分析适用于岩性坚硬、结构完整的顶板条件;考虑顶板挠曲与矸石碎胀影响的采空区顶板垮落高度计算方法具有一定的普适性,得到了影响采空区顶板垮落高度的因素为煤层开采高度、顶板破断块体碎胀系数以及顶板分层极限挠曲变形量;2种理论分析结果给出大同矿区同忻煤矿8105工作面采空区坚硬顶板的垮落高度分别在143m与76~141m,实测得到的顶板垮落高度为80~120m,理论值与实测值基本一致,验证了2种理论分析方法的正确性.     

放顶煤开采上覆巨厚砾岩层变形移动规律研究

放顶煤开采时上覆巨厚砾岩层垮落直接影响综放工作面的安全生产,为了研究放顶煤开采上覆巨厚砾岩层变形移动规律,以河南大有能源股份有限公司耿村煤矿综放工作面特厚煤层及其上覆巨厚砾岩层为工程背景,采用相似材料模拟试验,研究了放顶煤开采时上覆巨厚砾岩层变形移动全过程。结果表明:(1)随着煤层开采,依据巨厚砾岩层裂隙场的特征,巨厚砾岩层变形移动和垮落的全过程分为下位和上位垮落过程,其中下位砾岩层初次断裂时垮落体形态为梯形,上位砾岩层断裂控制着地表的变形;(2)当工作面停采后,巨厚砾岩层裂隙演化发展具有较明显的时间效应;(3)下位砾岩层初次垮落步距650. 0 m,周期垮落步距175. 0 m,上位砾岩层初次垮落步距825. 0 m,地表下沉系数0. 267。研究结果可为耿村煤矿巨厚砾岩层下综放开采提供安全技术支撑。     

膏体充填工作面底板破坏深度研究

为了研究工作面膏体充填后对底板承压水的防治效果,需对底板破坏深度进行测试.通过单孔恒水压法对底板破坏情况进行测试,得出了采用膏体充填后完整底板最大破坏深度小于5 m,断层影响处底板最大破坏深度小于12 m.而采用垮落法开采时,由经验公式法得出的完整底板最大破坏深度为9.1 m,即采用膏体充填后完整底板的破坏深度下降了46%.该研究可为测定底板破坏深度提供参考依据.     

浅埋采空区垮落岩体碎胀特性研究

基于岩石碎胀特性对浅埋采空区垮落岩体空隙储水工程的重要意义,采用理论分析、数学建模与现场应用相结合的方法,对神东矿区某矿32302工作面采空区垮落岩体应力变化与碎胀系数分布规律进行研究.分析覆岩"两带"结构特征,划分采空区垮落岩体应力和碎胀系数分区.根据悬臂梁及弹性地基梁理论,推导各分区垮落岩体应力变化公式,建立碎胀系数分布模型,并利用岩石压实实验进行验证.应用数学模型计算32302工作面采空区垮落岩体空隙储水体积为5 700 651.68m3,与岩移法估算结果较为接近,误差仅为7.14%.结果表明:针对浅埋煤层赋存条件,运用数学方法分析采空区垮落岩体碎胀特性是可行的,促进岩石碎胀特性研究方法多元化发展,为浅埋采空区垮落岩体空隙储水量预测提供新的途径.     

神东矿区浅埋煤层开采覆岩移动与裂隙分布特征

以神东矿区3类典型的煤层赋存条件为主要研究对象,采用实验室相似材料和计算机数值模拟的方法,分析了浅埋煤层长壁开采覆岩移动与裂隙在水平方向和垂直方向的扩展与分布的动态演变特征.研究表明,随工作面的推进,覆岩会出现与地表同步垮落现象;工作面推进越快,裂隙扩展的时间越短,裂隙闭合也越快;覆岩强风化带的存在,有利于消解部分采动裂隙.     

FLAC3D在张集煤矿开采沉陷预测中的应用分析

利用FLAC~(3D)数值分析软件,分析了高潜水的张集煤矿巨厚松散层下12171工作面重复开采对上部17278工作面移动变形区的走向位移、垂直应力分布和塑性破坏区的影响。分析结果表明:数值模拟结果与实测数据基本相符;多煤层重复采动地表下沉具有特殊性,下沉量相比于初次采动是逐渐增大的,随着重复采动次数的增加,下沉量逐渐趋于稳定;同时随着工作面累计推进距离的增加,地面沉陷范围逐渐增加,并形成塌陷盆地;两工作面顶板围岩以剪切破坏为主,局部发生拉伸破坏。     

矸石充填采煤覆岩移动的弹性地基梁模型分析

基于弹性基础梁解析方法,考虑顶板岩梁触矸前的下沉,建立了长壁工作面采空区矸石充填顶板岩梁力学模型,推导了岩梁下沉基本微分方程,实验得出矸石地基系数为26～127MN/m3.分析了矸石充填条件下矿压显现规律及影响因素、岩梁下沉与地表下沉的关系,结果表明:工作面煤壁后方10～20m后顶板岩梁下沉就接近最大值,矸石地基系数是影响采空区顶板下沉最重要的因素,煤壁附近充填矸石承受的压力随地基系数变化而变化,减少地表下沉最有效的途径是增加kg值和减小W1值,控制煤层之上直接顶板的下沉是控制地表下沉的关键.在煤厚2.1m、埋深437m的条件下工业试验表明,W1可以减少至12～64mm,实测的地表最大下沉平均值为253mm,与解析法预测的261mm很接近.     

采煤面顶板覆岩破坏模拟试验研究

采煤工作面开采过程中"两带"高度值是指导矿井防水煤柱留设、保证矿井安全生产的重要参数,试验以内蒙古某矿3-1煤层首采面为地质模型,通过模拟其开采过程,运用并行电法系统,确定"两带"高度值及其变化特征。同时在给定边界条件和初始条件下,运用数值模拟方法,获得顶板应力变化分布图。综合分析模拟试验结果,判定该工作面回采过程中垮落带高度为40m,导水裂缝带最大高度为80m。根据不同时间电阻率分布图和垂向应力分布云图,可清晰分辨出煤层顶板覆岩破坏的过程和规律,可为煤矿安全生产提供参考。     

朱集矿采动上覆岩层活动演化规律相似模拟研究

以朱集矿工作面开采技术条件为背景,建立了工程地质模型,采用相似模拟实验,研究了工作面开采后,上覆岩层变形移动及裂隙分布演化特征,获得了采动岩层破断垮落及位移特征参数,以及与工作面推进度的相互作用关系,为留巷位置的合理确定、上行开采可行性等工程实践提供了科学依据。     

采空区顶板冒落数值模拟模型边界尺寸确定及冒落规律

结合赵庄煤矿综采工作面顶底板岩层性质,在通用离散元软件UDEC中建立物理模型,对比了不同上边界、侧向边界尺寸模型数值模拟结果中老顶的下沉量,确定了为消除边界效应所需的模型边界.结果显示,模型上边界尺寸大于70 m,侧向边界尺寸大于100 m时,才能得到可靠的模拟结果.得到了不同工作面推进距离条件下的老顶冒落下沉规律,当推进距离大于300 m后,老顶沿推进方向在采空区中部最大下沉量不变;从采空区边界处开始随向采空区内部深入中粒砂岩下沉量逐渐增加,在距离采空区边界100 m左右增加至最大值2.70 m;随着距工作面距离增加,老顶中粒砂岩下沉量呈线性增加,在工作面后方120 m位置处下沉量达最大值2.70 m.     

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.     

Knothe模型改进及充填开采岩层移动动态过程分析

Knothe模型是岩层移动动态预测最常用的时间函数模型,但该模型与岩层移动动态演化过程客观规律并不完全相符.通过分析Knothe模型岩层移动预测缺陷,增加表征时间影响函数变化和岩层移动非线性特征的双参数,建立了Knothe时间函数改进模型;基于弹性力学理论,建立充填开采岩层移动的小挠度弯曲变形薄板模型;将Knothe函数改进模型与建立的充填开采岩层移动模型相结合,构建了岩层随时间移动的动态演化过程函数表达式,并将演化过程划分为初始期、活跃期及衰退期.以新汶矿区翟镇煤矿2205工作面矸石充填开采实测数据为样本,开展了充填开采岩层移动动态过程实例验证分析.结果表明:在第22.9个月,地表最大下沉点的下沉速度达10.526mm/月;岩层总移动时间为38.9个月,其中初始期为20.5月、活跃期为5.1月、衰退期为13.3月.基于Knothe改进模型构建的岩层移动动态演化过程的函数表达式能够更客观真实地反映出岩层下沉量、下沉速度、下沉加速度的客观变化规律.     

高水材料巷旁预充填在煤矿开采中的应用

云驾岭煤矿在12802工作面拟采用巷旁预充填无煤柱开采技术,为了掌握高水材料巷旁充填体的稳定性及顶板活动规律,通过现场实测对云驾岭煤矿12802工作面运巷巷旁充填体进行受力及稳定性分析,掌握了充填体上方顶板的活动规律以及充填体的受力及稳定性.充填体远离工作面后受力逐渐趋于稳定,稳定后的应力值小于该处的原岩应力,巷旁充填位置选择合理,受力状态较好,有利于保持充填体的完整和稳定.该结论为后期下区段开采时沿充填体掘进回风巷,采用合理的支护设计及安全回采提供依据.     

下分层综放工作面上覆岩层结构特征

我国综放开采技术是在分层综采技术的基础上发展起来的,对于一直采用分层综采的一些大型厚煤层生产矿井,面临着顶分层采后下分层综放开采技术问题,这个问题与一次采全厚整层综放开采矿压显现有所不同.下分层综放开采时,二次垮落的直接顶岩层碎胀系数较小,垮落带高度与采高的比值将增加,造成顶分层开采时下位老顶岩层垮落后转化为规则垮落带,成为下分层综放工作面的上位直接顶,促使下分层综放工作面的老顶“砌体梁”式平衡结构向更高层位岩层发展.上位直接顶岩块强度较高、块度较大,容易形成“岩-矸”半拱式平衡结构.该结构的周期性失稳和垮落,造成采场出现小的周期来压现象;而“砌体梁”平衡结构的周期性失稳和垮落,将导致采场出现大的周期来压现象.     

褶皱区应力场分布规律及其对冲击矿压的影响

为探讨褶皱构造区应力场分布规律及其对冲击矿压的影响,采用FLAC2D数值模拟程序,研究了褶皱构造形成过程中的应力分布规律和工作面开采导致的局部应力场变化规律.结果表明,褶皱形成后,褶皱核部的最大水平应力比翼部大,翼部的最大水平应力比背斜处大,褶皱构造区具有初始地应力场分布的非均匀性;与仰采推进相比较,从背斜往向斜的方向俯采推进时,煤岩体内应力集中程度更高,褶皱区具有开采后局部地应力场变化的方向性.褶皱向斜部分是水平应力集中区,采掘时冲击危险性较高,而翼部、背斜处的冲击危险性次之;褶皱区工作面最有利的推进方向应是自向斜起往背斜方向推进.     

基于微震裂缝参数反演的深部矿井"两带"结构规律

微地震监测可以有效监测煤矿在采煤作业中裂缝事件的发育过程,探讨深部矿井采煤作业进程的微地震地质参数,能够有效确定煤矿放顶煤作业中断裂带与垮落带("两带")的发育高度.采用矩张量反演计算推导深部矿井在采煤作业中引起微地震事件的震源机制,在此基础上求解推导放顶煤采煤法诱发的"两带"裂缝事件点的地质特征参数.通过计算得到剪切型裂缝的方位角分布规律和深部矿井采煤工作面实测的应力分布,构建放顶煤采煤法下采煤工作面顶板的剪切型应力裂缝模型,分析微地震发展演化与"两带"活动规律,对解释采煤工作面的周期来压、"两带"边坡角、采煤工作面应力场的特征分布等重要理论问题和保证矿山安全生产具有重要意义.