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。     

构造应力型浅埋矿山开采引起地表沉陷机理研究

采用FLAC3D对矿区原有和后续采矿活动进行仿真模拟,对其形成原因进行研究。研究表明:在原有采空区形成过程中,空区顶板覆岩形成显著应力集中,促使空区顶板覆岩遭受剪切破坏,完整性降低,岩体移动影响地表上升位移,围岩介质承受张应力状态,裂隙呈现张开状态,加上降雨使得地表水渗入空区顶板覆岩裂隙,降低岩体强度,这些内外因素共同诱发地表冒落塌陷。     

基于改进梁模型的地下空区顶板安全厚度分析

针对天然水平应力程度对地下采空区的影响,以某地下矿山采空区为工程实例,将地下空区顶板视为改进梁模型,结合岩梁、结构力学和材料力学理论,以顶板岩层抗拉强度为控制条件,推导出地下空区不同跨度下顶板的安全厚度。研究结果表明,顶板安全厚度随空区跨度的增加而增大,近乎呈线性关系。低水平应力时随空区跨度增加对顶板厚度整体影响都较小;当采空区跨度较小时,不同水平应力程度对顶板安全厚度的影响可忽略不计;当空区跨度达到一定程度时,随空区跨度的增加改进梁模型计算的顶板安全厚度增加幅度变大。     

煤炭地下气化场覆岩运动规律的数值模拟研究

 根据煤炭地下气化场实际地质结构,考虑高温对燃空区上覆岩层物理力学特性的影响,采用RFPA建立模型分析燃空区覆岩结构运动及“三带”分布规律,结果表明：（1）燃空区上覆岩层出现明显的“三带”特征,冒落带高度约为8m,裂隙带高度发育到煤层顶板上方约25m处,裂隙带之上至地表之间的岩层为弯曲下沉带。燃空区老顶关键层初次来压步距约为42m,周期来压步距约为12m。（2）随着燃空区扩展,燃烧煤壁前方形成剪应力集中区,由下向上发展成拱形分布;煤壁前方形成应力增高区,煤层支承压力增高系数为2.0~2.3;厚覆岩层支承压力集中系数亦逐渐增大,当燃空区扩展到厚顶板的极限破断跨距时,厚顶板上的载荷发生跳跃式变化,超前支承压力快速增大,后因冒落矸石的支撑作用,关键层上的载荷在燃空区范围内有所降低。（3）随着燃空区扩展,上覆岩层的移动范围及下沉量逐步增大;老顶关键层出现初次破断及周期来压后,厚硬岩层下沉量明显增大;同一时刻距离煤层越近的顶板,其垂直位移越大;上覆岩层位移下沉曲线基本呈对称分布。     

岩溶区地下开采引起覆岩移动变形规律研究

以贵州某煤矿1401工作面4~#煤层为研究对象,在充分考虑岩溶区溶洞、岩层节理存在的基础上,运用RFPA2D-Strata数值软件对开采引起覆岩移动变形过程进行分析。模拟结果显示:开采过程中覆岩发生应力重分布形成应力拱,应力拱和溶洞附近应力集中,覆岩变形、破坏首先发生于节理及溶洞附近,每一层岩层的冒落都会经历变形、离层、断裂和冒落这样一个过程,溶洞的存在改变了覆岩破坏途径。     

复杂环境下的空区顶板岩层移动破坏响应特征研究

为了使赋存于构造应力及河床等复杂环境下的某萤石矿矿体能被安全回采,依据矿山设计总体框架,研究采用现场监测和数值计算手段,分别分析了干式充填和灰砂比1∶4胶结充填采矿作业对空区顶板覆岩移动破坏的响应特征。研究结果表明灰砂比1∶4胶结充填采矿工艺能有效控制空区顶板覆岩移动破坏;干式充填采矿在空区顶板覆岩产出的下沉变形值、主应力差值及塑性破坏区等破坏特征值明显偏大,且采空区顶板覆岩遭受多次剪切破坏,裂隙带与河床贯通,不能保证矿山的安全顺利生产。     

水平应力作用下层状顶板回采巷道围岩失稳机理及支护分析

建立水平应力作用下层状顶板岩层冒落分析方程并进行分析,结果表明:层状顶板岩层自下而上逐步冒落并收敛,层间破坏始于弱面位置,层状顶板冒落形态差异受侧向应力系数、岩层硬度和厚度及其下覆岩层跨度影响。通过层状顶板冒落机理分析,提出四道柳煤矿6003进风顺槽联合支护对策。     

急倾斜特厚煤层水平分段开采煤岩应力演化规律数值模拟研究

急倾斜特厚煤层赋存条件非常特殊,为揭示急倾斜特厚煤层开采过程中灾害的致灾机理,基于COMSOL Multiphysics数值模拟软件对乌东煤矿45~#急倾斜特厚煤层水平分段开采条件下,岩体及煤体的应力演化规律进行数值模拟研究,研究结果表明:煤层顶板附近的岩层应力较大,靠近煤层底板处的岩层应力变化不大;覆岩局部区域内产生了应力集中现象;工作面煤体的应力集中多分布在靠近顶板处的煤体,而靠近底板处的煤体其应力集中程度较顶板小;工作面煤体的轴向应力的分布分为塑性区、弹性区和原岩应力区三个区,工作面煤体沿走向方向上的侧向应力随距离工作面的距离增加而减小。     

厚层软岩断顶充填沿空留巷关键参数研究

针对厚层软岩顶板沿空留巷的技术难题,提出厚层软岩顶板断顶充填沿空留巷技术,创建"断顶卸压+巷旁垮落充填"沿空留巷围岩协调控制方法,构建厚层软岩断顶充填沿空留巷数值模型,研究断顶角度和预制裂缝间距对实体煤壁支承应力、巷旁垮落充填体稳定性对覆岩变形规律的影响。研究结果表明:断顶角度为5°时,减小了充填体上方岩层回转变形的空间,减小了剪切破坏区,缓解了采空侧顶板下沉剧烈程度;预制裂缝间隔为1 m时,在工作面后方,顶板岩层预制裂缝能及时扩展贯通,在巷旁形成垮落充填结构,采空侧垮落岩体抑制上覆岩层的弯曲下沉,减弱应力集中,压力变化幅度较小。研究成果在常兴煤业取得成功应用,监测结果显示在工作面后方70～80 m处,围岩变形趋于稳定,顶板没有明显离层、错位现象,巷旁垮落充填体结构稳定。     

挂帮矿崩落法开采顶板破坏规律及地表岩移数值模拟

崩落法开采时,顶板及围岩的崩落过程、岩层移动角的确定一直是国内外众多学者研究的重点。 以四川某矿山挂帮矿开采为工程背景,利用MIDAS/GTS软件模拟并分析了该挂帮矿崩落法开采时 顶板拉应力及塑性区变化规律。研究结果表明：老顶先于直接顶发生拉破坏。强制崩落顶板拉破 坏区后,顶板应力状况明显改善;老顶及直接顶拉应力的面积以及老顶拉破坏区的面积随直接顶 暴露面积增大而显著增大,而直接顶拉破坏区面积受暴露面积影响较小。并通过数值模拟法及工 程类比法综合确定岩层移动角。     

沿空留巷底板变形力学分析及底臌防控

上覆岩层垮落产生的动载荷通过巷帮煤体、巷内支护体以及巷旁支护体传递给底板,造成工作面后方一段距离的沿空留巷底臌变形加剧。为了控制上覆岩层垮落引起的底臌变形,在分析沿空留巷力学环境的基础上,建立底板力学模型,计算出沿空留巷煤帮弹性压缩区、塑性区、破裂区的宽度,以及煤帮对底板的作用力。应用关键层理论,确定顶板硬岩层位置及其破断顺序,以及垮断极限层的层位;采用顶板载荷条带分割法,计算出巷旁支护体对底板的作用力,并引入等效载荷的概念,构建底板等效载荷分布力学模型,将沿空留巷底臌与上覆岩层垮落紧密联系起来,分析上覆岩层垮落对底板的受力及变形影响,推导出底臌变形计算式。研究结果表明:上覆岩层垮落引起的底臌主要是由于塑性区煤体和巷旁支护体下方底板岩层高应力压剪破坏,以及巷道底板和采空区底板在强卸荷条件的拉伸破坏共同影响造成的。基于此,提出了降低塑性区煤体和巷旁支护体传递给底板的作用力,提高采空区冒落矸石对底板的作用力,防止巷道底板岩层拉伸破坏,巷旁支护体宽度、刚度与底板岩层强度相匹配等底臌防控措施,并应用于工程实践。     

榆神府矿区双煤层开采覆岩破坏及地面沉降特征研究北大核心

为研究双煤层开采条件下浅埋煤层覆岩破坏特征及地表沉降规律,以榆神府矿区典型浅埋煤层地质条件为基础,采用数值模拟方法,分析了6种不同工况下双煤层开采时覆岩破坏与地表沉降特征,并用物理相似模拟实验加以验证。结果表明:浅埋煤层覆岩破坏方式为全厚切落,留煤柱开采时隔水层中采动破坏呈现“泥盖效应”,不留煤柱开采时采空区两侧形成离层裂隙发育区,裂隙沿采空区两侧上方呈约45°发展;煤层开采时地表呈台阶式下沉,随着工作面推进,地表沉降中心不断前移,隔水层重量对地面沉降的影响逐渐减小,煤层厚度与地表沉降值呈正相关性;煤层开采过程中存在应力集中现象,上覆岩层中垂直应力沿煤层开采方向依次出现应力集中区、应力卸压区和应力集中区。     

金属矿山开采过程上覆岩层应力与变形特征

采用数值分析方法, 研究了动态开采过程中金属矿山采空区覆岩在拉应力、垂直应力作用下的位移及变形破坏特征。研究发现拉应力对覆岩造成的破坏较其它应力显著, 是覆岩垮落的主导因素。分析覆岩内部垂直应力发现: 开采初期覆岩内部压应力显著, 随着开采进行, 在采空区的正上方, 压应力逐渐向拉应力过渡; 垂直应力呈“凹”形分布在采空区两端部, 其形状和应力值随采空区的增大而增大。随着工作面的推进, 覆岩下沉范围和下沉量均逐渐增大; 下沉曲线的最大下沉点, 向工作面推进方向逐渐移动; 下沉曲线的光滑程度体现了监测点在覆岩所属区域是弹性区、塑性区还是垮落区。研究结果可为矿山围岩支护提供一定参考依据。     

条带开采顶板岩层破断机理研究

为了揭示条带开采顶板岩层破坏失稳机理,通过建立均布荷载下连续深梁力学结构模型,得出了条带开采下顶板岩层的应力分布规律。同时确立了岩层拉伸破坏、剪切破坏准则,为条带开采覆岩移动破坏分析提供了理论依据。结合虎龙沟煤矿开采实际,对8#煤层采空区顶板岩层的破坏失稳过程进行了具体计算分析,得出虎龙沟煤矿8#煤层采空区冒落高度为3.5 m,为条带开采顶板稳定性预测分析提供了依据。     

大角度俯采覆岩运动规律数值模拟

针对大倾角煤层俯采过程中覆岩运动所引发的支架倾倒、输送机下滑和顶板破碎等安全事故,以霍州煤电辛置煤矿10 428C工作面为例,运用FLAC3D数值模拟软件,分析了顶板岩层沿工作面走向和倾向采动特征。结果表明：大倾角俯采煤层顶板岩层无论沿工作面走向或倾向方向上,垂直应力等值线和位移等值线均呈现非对称拱形态。工作面下方支承压力和位移值普遍大于上方,岩层运动范围在中上部扩展较快。工作面顶板塑性破坏区向顶板发展,工作面下方顶板破坏范围明显增大。     

采高变化对覆岩移动变形的影响分析

以河南新登煤矿31071综采工作面为工程背景,建立覆岩移动变形的Flac3D数值模拟计算模型,研究开采不同采高条件下覆岩位移及应力的变形破坏情况。结果表明：上覆岩层的塌落带、裂隙带范围相应增大,且变化明显,同时,煤层顶板上方应力得以重新分布的距离随着采高增大也逐渐增加。     

大倾角大采高采场覆岩应力路径时空效应

为揭示大倾角大采高采场覆岩变形破坏的时空演化特征及应力路径效应,以2130煤矿25221工作面为研究背景,采用3DEC数值模拟方法,在对覆岩变形破坏时空演化特征的综合厘定与分析的基础上,提出了大倾角采场上覆岩层在采动应力作用下的扰动分区,量化了采场沿工作面走向、倾向及不同层位覆岩采动应力路径的空间演化规律,揭示了采场空间不同区域覆岩采动应力与断裂失稳过程中的对应关系。研究结果表明：在大倾角大采高开采中,重力-倾角效应作用下矸石呈现非均匀充填特征,导致覆岩垮落形态及顶板承载拱在采场空间均呈现出典型的跨层迁移转化特性,包络面内中上部区域“倒三角临空面+倾斜砌体结构+高位梯阶岩层”形成空洞现象,“高位梯阶岩层”失稳易诱发“倾斜砌体结构”同时断裂,对支架形成较大的冲击动载荷。工作面煤层开采导致采场上覆岩层的三向采动应力大小、方向均发生了显著变化。沿工作面走向,覆岩最大主应力演化先增大再减小,最小主应力则先减小再反向增大,最大和最小主应力沿推进方向的垂直平面内向采空区旋转,上覆岩层的极限平衡状态界面沿工作面倾斜方向呈非对称展布。沿工作面倾向,煤柱侧上方岩层产生应力集中,工作面上方岩层卸荷,覆岩层...     

厚煤层综放开采矿压显现规律及支架选型优化

针对厚煤层综放开采矿压规律研究不足带来的支架选型不合理、煤壁片帮、端面冒顶等问题,以某矿1109综放面为研究对象,分析该矿综放开采覆岩位移和应力分布规律,进行液压支架选型及参数确定,采用现场实测对支架适应性分析。研究表明:随工作面推进,顶板下部岩层发生拉破坏,顶板破坏高度不断增大,冒落带高度为28.1m～33.2m;在工作面前方煤壁为应力增高区,出现应力峰值,达到18MPa;综合分析,确定采用ZF6400/17/32型液压支架支护顶板,全部垮落法管理顶板,支架间距为1.5m。现场试验结果表明:该支架工作阻力较好地满足工作面支护强度要求,具有良好适应性。     

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。     

数字散斑技术在沿空掘巷煤岩体变形特征研究中的应用

根据柳巷煤矿3号煤层的赋存条件,采用数字散斑相关法和相似模拟实验,通过CCD相机构建图像数据采集系统,研究沿空掘巷上覆岩层移动规律和围岩体的变形特征。工作面回采后,上覆岩层之间出现了大量的斜交裂隙,但岩层之间依然保持连续性,整体倾斜弯曲下沉。沿空掘巷煤柱的x、y方向位移等值云图和剪应力云图表明,采空区边缘的位移最大,煤柱和顶板之间有剪应力,距离采空区边缘5 m剪应力最大,煤柱受到压、弯、剪的复合应力作用;使用虚拟引伸计进行煤层和顶板之间5个监测点的层间滑动位移分析,煤层和顶板存在不均匀滑动位移,靠近采空区层间滑动位移最大;煤层下方应力随着工作面的回采不断增大,应力在空间上分布呈现先增大后减小的单驼峰形状,在采空区边缘附近形成了应力集中现象。