采动应力与采空区压实承载耦合分析方法研究

采空区垮落带在覆岩沉降作用下的应力恢复对采动应力场有显著影响。基于围岩应力与采空区压实承载的耦合作用,研究了垮落带岩体压实承载的力学特性及参数反演方法,分析了裂隙带岩体的拉伸劣化力学特性,提出了采动应力场与采空区压实承载耦合分析方法,通过实例仿真模拟分析进行了验证。研究表明:垮落带渐进压实承载的力学特性是指数型表达式,压缩刚度随压缩应变呈非线性增长。由双屈服本构模型反演得到与理论解拟合度较好的垮落带力学参数,实现了垮落带压实承载特性的仿真模拟。裂隙岩体劣化系数表达式反映了模量劣化特性,应变软化本构模型增加模量劣化算法组成岩体劣化本构模型,实现了应变软化和裂隙岩体模量劣化的动态分析,较真实严谨的反映裂隙带岩体的力学特性。基于垮落带与裂隙带特征的仿真模拟,实现了采动应力场与采空区覆岩"两带"特征的耦合分析。通过工作面支承压力场演化特征的实例仿真分析,验证了采动应力场与采空区压实承载耦合分析方法的可行性和正确性,提高了采动应力场和围岩采动响应研究的严谨性和可靠性。     

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。     

急倾斜煤层开采与开拓巷硐群扰动效应数值模拟分析

针对王家山煤矿急倾斜煤层开采与开拓巷硐群工程越界对地方煤矿安全开采问题,建立了急倾斜煤层开采与开拓巷硐群数值计算模型,分析了覆岩移动变形与应力演化规律。研究结果表明：急倾斜煤层开采,采空区上方煤层先破坏、垮落,顶板沿层理面法向发生弯曲、离层,采空区上部煤体先垮落,呈拱形结构,抑制了上覆煤岩体向采空区的垮落和移动;工作面采高5.2m,顶板发生垮落,底板也会发生滑移,顶板一侧的沉陷大于底板一侧的,在底板一侧出现断崖式现象,但垮落带发育高度小于工作面距井田边界的距离;巷硐群最大位移均发生在泥岩、煤层等软弱岩层以及断层破碎带区域,其扰动效应增加;在软弱岩层时巷道最大影响圈边界增加,影响边界贯通,但最大裂隙带高度为11.5m,裂隙带上脚未发育至井田边界标高。因此,工作面开采与开拓巷硐群对地方煤矿开采没有影响。     

垮落带破碎煤岩样循环加卸载渗流特征实验研究

在煤层群开采过程中,前期开采煤层形成的采空区垮落带将会受到后期开采煤层的重复扰动,垮落带内的破碎煤岩体将会进一步破碎,进而影响瓦斯在采空区中的运移情况。本文简要总结了国内外针对采空区垮落带内应力、孔隙率、渗透率等参数随着工作面推进的变化关系的研究成果,给出了采空区压实过程中应力及渗透率的预测方法,并在此基础上进行了不同煤岩比例的破碎煤岩样重复加卸载的渗流实验。实验结果表明:颗粒的再次破碎及结构调整,是破碎煤岩样孔隙空间大幅度减小、渗透率损失的主要原因;破碎样(煤岩样)的强度决定渗透率的应力敏感性,组合煤岩样中煤的比例越大,渗透率的应力敏感性越高,渗透率越小;随着加卸载次数的增加,应力敏感性逐渐减弱。最后,根据实验结果给出了不同加卸载阶段破碎煤岩样的应力-渗透率计算模型。     

浅埋煤层采空区岩体应力空间分布特征研究

基于浅埋煤层采空区岩体应力空间分布特征严重影响煤矿地下水库的稳定运营,选取神东矿区拟建地下水库22615面为研究背景,采用相似材料模型实验模拟浅埋煤层采空区覆岩运动规律;根据薄板挠度弯曲理论和Winkler弹性地基板原理,推导关键层下沉轨迹函数微分方程;结合岩石压实变形特性,进一步建立浅埋煤层采空区岩体应力空间分布数学模型,并开展实例应用和现场验证。研究结果表明:浅埋煤层采空区岩体应力分布与覆岩运动密切相关,裂隙带岩层以走向中心线为对称轴呈"∪"形沉降,对应垮落带岩体应力则表现为"∩"形变化;运用模型计算22615面采空区低应力区、应力恢复区和应力平稳区的走向长度为12.02,60.13,856.64m,倾向长度为4.21,21.08,300.37m,岩体应力为0,0～1.41,1.41MPa,与现场实测数据最大偏差为20%,较好地验证模型的准确性,为煤矿地下水库矿压控制及库容设计提供理论依据。     

采后10 a垮裂岩体自修复特征的钻孔探测研究——以神东矿区万利一矿为例

采动垮裂岩体在煤层采后多年的长期演变过程中,常易发生导水能力逐步降低的自修复现象,研究其产生机制与规律对于实现矿区采损环境的生态再恢复意义重大。为了揭示神东矿区万利一矿煤层开采约10 a后垮裂岩体的自修复特征,采用钻孔原位探测方法对单一煤层采动和多煤层重复采动这2类典型条件下的覆岩垮裂特征及其自修复规律进行了观测研究。结果表明,历经8～12 a时间的演变,上覆垮裂岩体的自修复现象显著,表现为钻进冲洗液漏失量小、孔内水位下降缓的低渗透现象。采煤时覆岩的初始垮裂程度直接影响采后多年探测揭露的岩体自修复效果;从横向上看,开采边界附近为采动裂隙的显著发育区,因而其垮裂岩体自修复效果要低于盘区中部压实区的垮裂岩体;从纵向上看,垮落带中下部及导水裂隙带中上部自修复效果最好,而垮落带上部及其与导水裂隙带交界的过渡区由于普遍赋存有厚硬砂岩,因而其岩层垮落块度大、自修复效果相对偏低。煤层埋深越大,较大的支承压力更易促使超前煤岩体的压缩、以及边界附近显著发育裂隙的开度减小,这有助于促进裂隙的自修复;因而浅部矿区垮裂岩体实现自修复所需的年限更长。相比单一煤层开采,多煤层重复采动产生的二次活化作用会改变上煤层...     

急倾斜短壁综放采场围岩采动应力演化规律

以新疆龙泉煤矿3-3c急倾斜煤层水平分段短壁综放开采为工程背景,通过物理相似模拟实验和数值计算相结合的研究方法,分析了多分段采场围岩变形破坏规律,量化表征了第一主应力大小、方向演化特征,揭示了采动应力传递演化机理,确定了急倾斜煤层短壁综放开采合理阶段高度。研究结果表明：急倾斜煤层短壁综放采场围岩应力传递路径呈非对称偏转特征,沿采空区上方顶板形成非对称应力包络拱,采空区倾斜中上部岩体应力释放,分段底部靠近顶板侧岩体应力集中。开采一分段至三分段过程中,顶板垮落高度与裂隙发育增幅较小,应力拱高度与采高比值相近,第一主应力集中峰值较小、应力偏转程度较低,多分段采场围岩结构稳定性较好。开采至四分段,顶板发生大面积垮落,垮落矸石冲击底板诱发滑移破坏,发生围岩大范围链式灾害,应力拱高度突增,拱高与采高比值增大。确定合理阶段高度为3个分段高度30 m左右,能有效防止围岩失稳突变诱发链式灾害,从源头消弭采场动力灾害的产生。     

煤矿采空区岩体渗透性计算模型及其数值模拟分析

煤矿采空区岩体渗透性是煤矿采空区煤层气抽采设计的基本参数。从煤矿采空区岩体变形-破坏特征分析入手,通过理论分析研究了岩体渗透性与应力之间的耦合关系和模型,揭示了采空区岩体应力-应变和渗透性分布规律。研究结果表明:不同岩性岩石的渗透性在全应力-应变过程中为应变的函数,采空区岩体渗透性决定于岩体破坏程度和断裂的张开度,基于采空区岩体应力-应变导致断裂开度变化,推导了采空区岩体渗透系数与应力之间的三维关系与模型;应用FLAC~(3D)计算软件,对采空区岩体应力-应变-渗透性进行了数值模拟计算,分析了采空区岩体的变形破坏的分区分带特征,在纵向上自上而下形成弯曲下沉带、断裂带和垮落带;在横向上划分为原岩应力区、超前压力压缩区、卸载应力区和岩体应力恢复区;揭示了采空区岩体渗透性分布与采空区岩体应力-应变和破坏规律相一致的特征。无论是垂直渗透系数比(K_z/K_(z0)),还是水平渗透系数比(K_y/K_(y0)),均随着距开采煤层垂直距离的增大,采空区岩体渗透性逐渐减小,且采空区边缘的渗透系数较大,采空区两侧煤柱区岩体渗透性显著降低。     

充填开采覆岩变形破坏规律研究

利用FLAC3D对唐山矿铁三区9~#煤层充填开采进行了模拟,对比研究了垮落开采与充填开采下的覆岩变形破坏特征,并结合现场覆岩钻孔探测得到的顸板离层范围及裂隙扩展进行了分析,结果表明:充填开采塑性破坏呈长条状分布,覆岩变形以整体弯曲下沉为主,与垮落开采相比,塑性区分布范围明显减小,破坏高度降低63.5%,采空区顶板下沉量减少40.9%,现场充填开采效果良好,采空区上方仅直接顶及8~#煤层范围内存在破裂区,直接顶内裂隙发育程度及岩层破碎程度随孔深增大逐渐减弱,8~#煤层以垂直裂隙为主,部分区域破碎较为严重。     

大倾角煤层开采大型三维可加载相似模拟试验

由于煤层赋存条件特殊,大倾角煤层开采采场围岩空间应力分布及演化、围岩运动特征复杂。现有三维模型试验平台存在模型加载、空间开采与监测等技术缺陷。通过采用新型三维可加载模型试验系统,实现模型均布加载、密闭空间开采模拟等技术创新,对枣泉煤矿120210工作面大倾角煤层开采进行大型三维可加载相似模拟试验研究,得出在工作面上部区域覆岩垮落充分、裂隙发育,关键域形成层位高,下部区域覆岩垮落不充分,关键域形成层位低,覆岩空间垮落呈非对称拱壳形态,上部区域应力值、来压强度、支承压力区应力集中系数等特征量明显大于下部区域。以上结果验证了大倾角煤层开采围岩空间结构形态和应力演化规律。     

采空区下近距离煤层综采工作面支架载荷分析

基于采空区下近距离煤层采高和顶板岩层结构,按照支架的力源将采空区下近距离煤层开采时顶板分为"直接顶岩层+垮落带岩层"、"直接顶岩层+垮落带岩层+裂隙带岩层"、"直接顶岩层+基本顶岩层+垮落带岩层"、"直接顶岩层+基本顶岩层+垮落带岩层+裂隙带岩层"4种类型。针对不同类型顶板结构,运用相应的力学模型分析其支架-围岩关系,计算采空区下近距离煤层工作面载荷,确定支架的工作阻力,给出定量的计算公式。     

大同煤田石炭二叠系煤层顶板导水裂隙带发育规律研究

根据侏罗纪煤层地质特征及其开采方法,通过理论分析,研究侏罗纪煤层开采、采空区形成过程中的围岩破裂特征及其时空演化规律.针对双纪煤层地质及水文地质特征,分析石炭二叠纪煤层开采过程中及开采后,双纪煤层间岩层的变形破坏、垮落和移动规律,计算分析导水裂隙带高度,及其与侏罗纪采空区底板裂隙带的连通机制,研究揭示大同矿区侏罗纪采空...     

近距离煤层群多重采动覆岩破坏特征及应力传递规律研究

近距离煤层群开采覆岩破坏特征不同于单层煤开采,同时存在层间相互影响的问题。以晋能控股煤业集团燕子山煤矿11~#煤层、14-2~#煤层、14-3~#煤层三层近距离煤层为研究对象,通过进行物理相似模拟实验和数值模拟计算,研究分析了近距离煤层群开采时顶底板围岩的覆岩破坏特征及应力传递规律。研究结果表明：近距离煤层群下行开采过程中,随着采动次数增加,顶板横向裂隙超前发育和纵向裂隙穿层效果更为明显,垮落块度明显减小,来压规律不明显;煤层顶板覆岩因采动产生的应力峰值随采动次数增加而降低;初次采动影响下,稳定后的覆岩应力要明显小于原岩应力,而多次采动稳定后的覆岩应力与该次采动前相近;上覆岩层在多重采动影响下,破坏更彻底,形成台阶式的岩层切落。研究结果可为条件相似的近距离煤层群开采顶底板围岩控制、采空区积水及瓦斯防治提供参考依据。     

特厚煤层分层开采下伏煤层应力分布及破坏特征研究

对于特厚煤层分层开采,掌握煤层开采后下伏煤层应力分布及破坏特征能够为精准判定采空区瓦斯富集区提供一定理论依据。因此,为厘清倾斜特厚煤层下伏煤层应力及塑性破坏区的分布特征,开展了不同煤层倾角工作面回采的数值模拟计算。首先基于采空区压实理论,获得了采空区垮落岩体的应力-应变关系,进而通过迭代反演确定了破碎岩体的岩体力学参数。在此基础上,通过数值模拟计算及分析,得到了煤层倾角变化对下伏煤层应力分布及破坏特征的影响规律。结果表明:在采空区底板范围内,随着煤层倾角增大,采空区应力恢复"O"形圈不再以采空区中部走向线对称分布,而向倾向下部偏移。沿倾向,在采空区的上下两端,侧向应力集中系数均随煤层倾角增大而减小,但倾向上端侧向应力集中系数始终小于倾向下端侧向应力集中系数。沿走向,在工作面底板,超前支承应力集中系数随着煤层倾角增大而增大。最后,通过分析下伏煤层塑性破坏区的分布可知,工作面以及倾向上下端底板煤体内的塑性破坏深度均随着煤层倾角增大而增大,但倾向上端底板破坏深度始终小于倾向下端底板破坏深度;采空区底板最大塑性破坏深度所在位置逐渐远离采空区中部,向倾向下端偏移。     

房柱采空区下特厚煤层开采煤岩垮落特征相似模拟试验研究

针对房柱采空区下特厚煤层开采覆岩垮落运移引起冒顶压架的灾害问题,以斜沟煤矿13号煤层大采高放顶煤工作面为工程背景,运用相似模拟试验,对房柱式采空区下特厚煤层开采覆岩垮落特征进行分析。研究结果表明:底煤开采过程中有着明显的顶煤初次垮落,直接顶初次垮落,基本稳定在0.23 m(23 m)左右;进出煤柱时,压力较大,围岩破碎严重,且可能与老采区裂隙带贯通造成突水、瓦斯突出等事故。研究结果可为了类似条件下覆岩垮落规律提供依据和参考。     

采空区裂隙岩体渗流特征及渗透性试验研究北大核心

为了探索采空区裂隙岩体内地下水的渗流特征,确定裂隙岩体的渗透系数值,为定量研究含水层受开采影响评价提供参考;采用相似材料模型试验与渗流试验方法,基于采空区的裂隙发育情况与分布特征,对裂隙岩体的渗流特征以及不同裂隙率采动岩体的渗透性能进行了研究。结果表明:采空区裂隙岩体内的地下水流呈非线性渗流特征,水流特征与渗透性能明显受岩体裂隙率影响;裂隙岩体的水平渗透系数与垂向渗透系数均与裂隙率呈正相关关系,渗透性能随裂隙率的增大分为缓增区与激增区2段;采空区裂隙岩体的垂向渗透系数介于0.067~0.649 cm/s之间,水平渗透系数介于0.744~6.847 cm/s之间,较煤层开采前扩大了2~4个数量级。     

极近距煤层群重复采动覆岩破坏规律相似模拟试验研究

针对近距离煤层群下行开采时重复采动引起的覆岩冲击性破断问题以及再生破碎顶板条件下工作面安全开采问题，以潘二矿11221,11223工作面为研究背景，通过物理相似模拟试验，对极近距煤层群重复采动覆岩破坏及裂隙发育规律进行了研究。结果表明，1煤工作面覆岩垮落带平均高度22 m,裂隙最大发育高度85 m,“两带”发育高度相当于采高的24.2倍；受3煤、1煤工作面联合采动影响，裂隙带相对向上发育增加15 m,覆岩采动充分垮落角基本对称，顶板破坏范围增大；随着工作面推进，煤层群顶板均经历垮落、裂隙发育、采空区冒矸被压实的演变过程，14 m厚的粗砂岩层作为关键层抑制裂隙向上发育，在回采结束后其下方产生较大离层；3煤顶板覆岩垮落形态近似呈非对称“Π”型，相对于3煤，1煤采完后，工作面呈现出“两大一小”的特征；“两带”高度发育大，垮落带和裂隙带的高度分别增加了46%、21%,顶板下沉量大，顶板垮落步距小，初次垮落步距和周期垮落步距明显减小，来压较为缓和。研究结果可为煤层群开采的围岩控制提供参考。     

霍尔辛赫煤矿3103单U型工作面瓦斯分布规律研究

针对煤层开采后由于采动引起的顶板垮落及上覆岩层的破碎断裂,在采空区后方形成大量的裂隙空间,大量的吸附瓦斯随漏风进入采空区,同时也将老采空区瓦斯带至上隅角,加大工作面瓦斯治理难度。以霍尔辛赫煤矿3103工作面为研究对象建立数值模型,对工作面单U型通风方式下采场瓦斯运移规律进行研究。通过模拟得出了在霍尔辛赫煤矿地质条件下的单U型工作面瓦斯体积分数分布规律,为矿井单U型工作面上隅角瓦斯治理方法的选择提供参考。     

大柳塔煤矿多煤层开采覆岩变形破坏模拟研究

针对大柳塔煤矿远距离多煤层开采冒裂带发育及采动影响问题,通过相似模拟和数值模拟计算,系统研究了2个主采煤层开采过程中覆岩垮落、裂隙发育及地表沉陷规律。研究结果表明：浅部2-2煤覆岩主关键层破断后,顶板基岩会发生直达地表的整体切落现象,5-2煤一次采全高长壁开采冒裂带连通上部采空区,形成工作面涌水的导水通道;重复采动岩层与地表移动和变形值增大,非连续性破坏增加;采空区上覆岩体依据主应力分布可划分为双向拉应力区、拉压应力区和压应力区3个区,主应力状态对采动裂隙的形成、发育起着控制作用;采动影响与工作面几何参数密切相关,地表沉陷随着工作面斜长或采厚的降低而减小。研究成果对大柳塔及类似条件下的煤矿安全开采与设计有指导意义。     

松散层下覆岩裂隙采后闭合效应及重复开采覆岩破坏预测

为研究开采覆岩裂隙发育的时间效应和为残煤复采评价提供依据。采用彩色钻孔电视、冲洗液漏失量观测、岩芯RQD指标等对厚松散含水层下煤层开采15 a后的覆岩裂隙闭合效应进行了研究。结果表明：距煤层顶板较远的岩体裂隙张开度、裂隙率均较小且易闭合,距煤层顶板较近的岩体裂隙张开度大、裂隙率大且未能闭合,开采15 a后覆岩导水裂隙高度比煤层开采结束时的最大导水裂隙带高度降低了近40%,垮落带高度稍有降低。对比分析发现,开采后的覆岩岩块平均强度比开采前降低了约20%,采用Hoek-Brown经验公式换算得到破碎岩体单轴抗压强度仅为0.237 MPa,破碎岩体抗压强度已小于自重应力值,处于“潜塑”状态。因此,残留煤层的重复开采覆岩破坏高度计算时,覆岩应按软弱岩类型考虑。计算表明,杨庄煤矿3号煤层复采厚度2和3 m时,分别留设15.7和18.2 m的防砂安全煤柱即可起到防溃砂作用。