浅埋深薄基岩矿井综放工作面导水裂缝带发育规律研究

转龙湾煤矿首采工作面煤层埋深160 m左右,基岩厚度60～120 m,属于浅埋薄基岩开采。本文分析了转龙湾煤矿II-3煤层覆岩特征,井下现场探测了首采试验区的采动覆岩破坏导水裂缝带发育高度,采用有限差分数值仿真方法模拟了薄基岩浅埋煤层综放开采条件下的覆岩运移破坏过程。研究表明,采动覆岩塑性破坏区的形态经历了"马鞍形"—"拱(箱)形"的演化发育过程;随着采动空间的增大,采空区两端超前破坏裂隙扩展速度较中部变慢,最大导水裂缝带发育高度位于采空区中部,裂采比为20。     

覆岩破坏充分采动程度定义及判别

随着煤层开采深度的逐年增加,非充分采动工作面越来越多。导水裂缝带高度是实现保水开采的关键参数,但非充分采动工作面开采条件下导水裂缝带高度小于充分采动工作面。为进一步研究其原因,采用理论分析、相似模拟、数值模拟等方法研究了导水裂缝带高度影响因素的敏感性及其与工作面尺寸的关系,提出了覆岩破坏充分采动程度的定义及判别方法。结果表明:工作面尺寸对导水裂缝带高度的影响仅次于开采厚度。当工作面尺寸较小时,覆岩破坏不发育;当工作面尺寸增加到一定值时,覆岩破坏仅形成垮落带;当工作面尺寸继续增加时,覆岩破坏形成裂缝带且导水裂缝带高度随着工作面尺寸的增加而增加;当导水裂缝带高度发育至最大值后,导水裂缝带高度不再随工作面尺寸的增加而增加。覆岩破坏过程中仅形成垮落带的阶段定义为覆岩破坏的极不充分采动(即覆岩极不充分破坏);覆岩破坏过程中形成裂缝带且导水裂缝带高度随工作面尺寸增加而增加的阶段定义为覆岩破坏的非充分采动(即覆岩非充分破坏);导水裂缝带高度达到最大值且不再随工作面尺寸增加而增加的阶段定义为覆岩破坏的充分采动(即覆岩充分破坏)。导水裂缝带高度刚达到最大值时的工作面尺寸为工作面临界尺寸。当工作面尺寸小于工作面临界尺寸时,覆岩破坏为非充分采动;当工作面尺寸大于工作面临界尺寸时,覆岩破坏为充分采动。覆岩破坏充分采动程度的主要影响因素有工作面尺寸、开采厚度、开采深度、覆岩力学性质、覆岩结构特征和覆岩破断角。     

覆岩破坏充分采动程度定义及判别方法

随着煤层开采深度的逐年增加,非充分采动工作面越来越多。导水裂缝带高度是实现保水开采的关键参数,但非充分采动工作面开采条件下导水裂缝带高度小于充分采动工作面。为进一步研究其原因,采用理论分析、相似模拟、数值模拟等方法研究了导水裂缝带高度影响因素的敏感性及其与工作面尺寸的关系,提出了覆岩破坏充分采动程度的定义及判别方法。结果表明:工作面尺寸对导水裂缝带高度的影响仅次于开采厚度。当工作面尺寸较小时,覆岩破坏不发育;当工作面尺寸增加到一定值时,覆岩破坏仅形成垮落带;当工作面尺寸继续增加时,覆岩破坏形成裂缝带且导水裂缝带高度随着工作面尺寸的增加而增加;当导水裂缝带高度发育至最大值后,导水裂缝带高度不再随工作面尺寸的增加而增加。覆岩破坏过程中仅形成垮落带的阶段定义为覆岩破坏的极不充分采动(即覆岩极不充分破坏);覆岩破坏过程中形成裂缝带且导水裂缝带高度随工作面尺寸增加而增加的阶段定义为覆岩破坏的非充分采动(即覆岩非充分破坏);导水裂缝带高度达到最大值且不再随工作面尺寸增加而增加的阶段定义为覆岩破坏的充分采动(即覆岩充分破坏)。导水裂缝带高度刚达到最大值时的工作面尺寸为工作面临界尺寸。当工作面尺寸小于工作面临界尺寸时,覆岩破坏为非充分采动;当工作面尺寸大于工作面临界尺寸时,覆岩破坏为充分采动。覆岩破坏充分采动程度的主要影响因素有工作面尺寸、开采厚度、开采深度、覆岩力学性质、覆岩结构特征和覆岩破断角。     

多煤层重复采动覆岩破坏高度发育规律研究

为了研究多煤层重复采动下覆岩破坏高度的发育规律,以公乌素煤矿三煤层开采为工程背景,通过现场实测、数值模拟研究方法,得到了单层开采和三层重复开采时16煤1604工作面覆岩导水裂缝带高度,采用3DEC数值模拟研究了单煤层开采及重复采动覆岩的破坏特征,理论分析了重复采动覆岩裂隙发育机理及裂缝带高度的计算方法。结果表明：钻孔冲洗液观测与钻孔窥视结合实测法更准确,公乌素16煤重复采动条件下,裂采比15.14,垮采比3.15|模拟显示采空区两侧裂隙发育明显且为离散裂隙,中部裂隙闭合,裂隙高度与实测较为接近|提出了3种不同程度的重复采动裂缝带发育高度的计算方法,为确定重复采动条件下覆岩裂隙发育高度提供理论依据。     

厚松散层薄基岩综采面覆岩破坏高度发育规律

为确保高承压松散含水体下缩小安全煤岩柱开采,合理回采防水煤柱内所留的煤层,在淮南煤田潘集矿区深厚松散层薄基岩条件下的综采工作面,采用地面地质钻孔、井下声波检层CT技术探测等多种现场实测手段,结合离散单元数值模拟,对深厚松散层薄基岩综采工作面覆岩破坏带高度发育的时空分布规律进行研究。研究结果表明：覆岩破坏带随工作面推进动态变化,随着综采工作面向前推进,导水裂缝带高度35.20～45.10 m,垮落带高度7.28～16.24 m;其覆岩破坏由下向上、由后向前逐步发展。     

复合水体薄基岩下综放安全开采研究

为研究三元煤矿3301工作面在复合水体(地表水和第四系松散含水层)薄基岩下厚煤层综放开采安全性,采用地质钻探方式确定了第四系底部粘土隔水层的覆存状态,采用数值模拟和现场实测方法研究了薄基岩条件下近第四系松散层底部综放开采顶板覆岩破坏和采动裂缝发育规律。探测结果表明,三采区第四系底部有一层稳定的粘土隔水层,能有效阻隔复合水体下渗和抑制导水裂缝带的上行扩展。数值模拟和实测结果表明导水裂缝带高度发育至第四系底部粘土层底界面。采用顶板水预先探放和留设防塌煤岩柱技术方案在薄基岩条件下实现了地表水体和第四系松散含水层复合水体下综放安全开采。     

薄基岩厚松散层条件覆岩破坏规律研究

为了实现薄基岩厚松散层地质条件下水体压覆煤层的安全开采，采用相似材料模拟实验、理论分析，探讨了薄基岩厚松散层的采动破坏发育规律，提出了覆岩自稳结构的判据。研究结果表明：厚松散层薄基岩很难在基岩内形成有效的自稳结构，工作面推进一定距离后，基岩将全厚度断裂，松散层将作为一个整体跟随基岩弯曲下沉|解析了厚松散层的采动隔水能力，认为松散层底部岩层岩性、厚度及所受采动变形将是决定导水裂缝带继续向上发育的关键|结合三元矿薄基岩厚松散层水体下采煤，通过地面钻探实测，论证了粘土层具有较好的隔水能力，薄基岩厚松散层导水裂缝带发育高度止于松散层底部。     

采动覆岩破坏规律的数值模拟

覆岩破坏规律的研究对水体下安全采煤至关重要。为获得采动覆岩破坏规律,以某矿22111工作面综采为例,应用FLAC3D数值模拟软件,建立了其三维数值模型,对工作面开采引起的覆岩破坏规律进行了分析研究,确定了导水裂缝带和垮落带的分布形态及发育高度,利用实测结果和经验公式计算结果进行了对比验证,数值模拟计算的结果表明:用数值模拟的方法预测采动覆岩破坏规律具有较大的优越性。     

中硬覆岩综放开采裂缝带发育高度研究

根据潞安矿区王庄煤矿6206综放工作面开采条件,在分析煤层顶板覆岩组合及力学结构特性基础上,采用现场实测、数值模拟、物理模拟等手段综合研究了中硬覆岩综放一次采全厚裂缝带发育特征。结合已有的裂缝带实测资料,通过回归分析,得出中硬覆岩综放裂缝带发育高度与一次采放总厚度成正比,与已有经验公式相比,更能揭示综放覆岩破坏剧烈的特点。     

浅埋深薄基岩地表水体下重复开采危险性分析

煤层重复采动的覆岩破坏规律较为复杂,尤其是面临浅埋深薄基岩层下地表水体下的安全开采。以某矿实际地质情况为基础,通过构建数值模拟模型及现场实测反演确定出2-3煤层开采时的覆岩力学参数,在此基础上,进行3-1煤层重复开采的数值模拟分析,最终确定了重复采动影响下的覆岩破坏高度,并论证了该区域的重复开采的安全可行性。     

采场上覆岩层采动裂隙演化规律相似模拟研究

为得到薄基岩厚风积沙地区采场裂隙带发育高度及演化特征,基于采场覆岩"三带"的划分,对薄基岩地区厚风积沙煤层采动过程中裂隙发育特征进行相似材料模拟试验研究,得到开采过程中上覆岩层垮落破坏特征及运移规律,岩层内部压力分布规律,分析采动裂隙带发育高度及存在形态与工作面推进速度的关系。结果表明:补连塔煤矿12406工作面周期来压步距为22.5~30.0 m;上覆岩层的破断角在采空区侧为64°,在煤壁侧为61°;裂隙带高度为157.1 m,为工作面采高的26.18倍;工作面上覆岩层下沉趋势呈非线性曲线,移动形态具有非对称性。     

榆林矿区浅埋深厚土层薄基岩煤层开采覆岩破坏规律研究

通过对陕北地区浅埋煤层的地质采矿条件研究,揭示陕北地区新近系红土层胶结性好,隔水能力强,能够抑制导水裂缝带的发育;由数值模拟及实践开采得出陕北地区浅埋深厚土层薄基岩煤层的覆岩结构为"上软下硬",岩性属软弱,煤层开采后覆岩破坏实测高度小于经验预计数值,符合"泥盖效应"规律,为类似条件保水开采提供了技术依据。     

深厚松散层薄基岩条件下覆岩破坏高度实测分析

赵固一矿首采面上覆松散层厚大于518 m,基岩厚小于80 m,为获得开采后覆岩垮落带和导水裂缝带的高度,合理确定工作面开采上限,采用地面钻孔观测法对该首采面覆岩的破坏高度进行了观测,并对钻孔设计、钻孔施工和"两带"高度判别方法进行了研究分析.观测结果表明:该首采面垮落带发育高度为13.1 m,垮采比为3.85,导水裂缝带发育高度大于29.2 m,裂采比大于8.59,该结果与相似模拟试验值和数值模拟值基本吻合,相互得到验证.     

近距离煤层重复采动覆岩破坏规律及“两带”发育高度分析

为研究近距离煤层重复采动下覆岩破坏规律与“两带”发育高度,预防工作面开采过程中由导水漏风通道引起的工作面顶板漏水、采空区自燃等各种安全事故,以鄂尔多斯市某煤矿为工程背景,采用井下窥视法和数值模拟对近距离煤层开采后覆岩破坏规律以及“两带”发育高度进行分析,揭示了规律形成的原因。研究结果表明：在近距离煤层重复采动影响下,“两带”发育高度远超过上煤层开采,下煤层推进80 m时裂隙带最大发育高度为88 m,与地表贯通形成导水漏风通道;初次采动与重复采动时的裂采比分别为19.33、29.33;裂隙带的发育呈台阶式上升,阶段间的变化表现为激跳形式;覆岩的破坏表现为“拱形→帽形→马鞍形→外O内蝶形”;数值模拟及拟合公式所预测的“两带”发育高度与实测值之间误差率为1%左右,验证了预测的准确性,可为相似工作面的开采以及相似工程提供借鉴。     

薄基岩厚风积沙浅埋煤层覆岩变形破坏规律研究

为了研究薄基岩厚风积沙浅埋煤层开采时覆岩移动破坏规律,根据某矿工作面开采技术条件和岩石力学参数,采用数值模拟的方法,分析了采场上覆岩层破坏变形规律以及应力分布特征;基于关键层理论,推导了导水裂隙带的发展高度。研究成果为薄基岩厚风积沙浅埋煤层保水开采提供了理论依据。     

厚松散层薄基岩综放开采覆岩破断机理研究

采用数值模拟、理论分析、现场实测等方法对厚松散层超薄基岩厚煤层综放开采覆岩的破断机理以及对采动裂隙发育的影响进行了深入研究。研究结果表明：超薄基岩在风化作用下,力学性质大幅度降低,煤层顶板中无基本顶关键层,工作面推进过程中形成动态平衡的应力拱,拱脚分别位于采空区稳定矸石上和工作面前方煤壁内,在应力拱的作用下,工作面矿压显现不明显;应力拱阻止了采动裂隙的发育,应力拱最终发育高度决定了采动裂隙的发育高度,采动裂隙在风化基岩中发育速度快,也极易闭合,虽然采厚较大,但最终有效导水裂隙带发育不高。研究结果合理解释了厚松散层超薄基岩综放开采静压大、动压小,动载系数小、采动裂隙发育不充分等现象,实现了超薄基岩下厚煤层综放开采安全高效生产。     

浅埋薄基岩重复采动条件下“两带”高度发育规律实测研究

为了研究浅埋薄基岩重复采动条件下覆岩"两带"高度发育规律,以隆德煤矿实际地质采矿条件为工程背景,采用理论计算、现场实测的分析方法研究了隆德煤矿101工作面单一煤层开采及209工作面重复采动条件下的"两带"高度发育规律。研究结果表明:浅埋薄基岩煤层单一工作面开采的垮采比为5.34～5.64,裂采比16.31～16.66,与理论值相近,厚及巨厚坚硬岩层对导水裂缝隙带发育具有抑制作用;重复采动条件下,上部煤层的垮采比增大,下部煤层垮采比减小,现行采煤规范中重复采动条件下的"两带"高度计算公式忽略了两层煤的相互影响;隆德煤矿浅埋薄基岩条件下101、209工作面重复开采的导水裂缝隙带高度约为90.31～99.95 m,裂采比为22.58～24.99。     

沙吉海煤矿厚煤层综放开采覆岩破坏特征研究

应用室内相似材料模拟和地表钻孔实测方法,对沙吉海煤矿侏罗系中统厚煤层综放开采的覆岩破坏特征进行研究,实测得出了该矿B10煤层开采的覆岩破坏高度,明确了采动裂缝发育的基本特征。研究表明,B10煤层开采的覆岩破坏最大高度可以按照裂采比13.59、垮采比3.80进行预计。研究结论可为沙吉海煤矿及新疆地区类似条件矿井受水害威胁煤炭资源的安全回收提供可靠的数据支撑。     

薄基岩条件下条带开采模拟方法研究

采用工程地质力学模型实验、有限元数值模拟相结合的综合研究方法,分析了薄基岩条件下条带开采覆岩与地表移动变形及破坏的工程地质机理,揭示了薄基岩条带开采的移动变形规律,岩土层内波浪沉降发育规律及与条采尺寸、采出率、覆岩特征的相互关系等,提出了薄基岩条带开采煤柱的留设方法,为薄基岩条件下条带开采覆岩与地表移动变形的工程地质机理的研究奠定基础.     

山区内浅埋煤层导水裂隙带高度发育研究

本文以高原低山丘陵地貌的11607浅埋深工作面工程背景,进行了工作面开采过程中上覆岩层导水裂隙带高度发育研究,通过现场实测、相似模拟结合数值模拟的方法,研究了采动影响下,覆岩破坏变形规律,导水裂隙带发育高度等特征,三种方法所测得结果相互得到了验证,该项研究对山区内覆岩导水裂隙带发育规律研究起到一定参考借鉴意义。