Overlying strata movement law in fully mechanized coal mining and backfilling longwall face by similar physical simulation

Fully mechanized coal mining and backfilling technology with gangue, fly ash and losses etc. changes the overlying strata movement characteristics and strata behavior law in the fully mechanized coal mining and backfilling longwall face (FMCMBLF). Based on the similar theory, a model of the overlying strata movement in FMCMBLF is established with sponge and plastic foam whose thickness ratio is 1:2 as the similar backfilling body. From the similar physical simulation, the following conclusions have been drawn: (i). The overlying strata movement develops from bottom to top as the mining progresses in the FMCMBLF and consequently, the subsidence curve of the strata assumes symmetrical bowl. (ii) No caving zone but only fissured and bended zones are found in the overlying strata herein. (iii) The subsidence velocity undergoes a changing process of “minimum, successive accretion, reduction, and stabilization,” and the overburden strata movement lasts for a long time. The test results would provide reference for further research of strata control as well as fully mechanized coal mining and solid backfilling technology.     

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。     

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。     

下保护层工作面过断层区覆岩裂隙-应力演化规律研究

为深入研究下保护层开采过断层区上覆岩层裂隙发育与应力演化特征,运用相似模拟研究方法,分析下保护层开采过断层过程中裂隙场演化、顶板断层应力变化趋势、上覆岩层运移特征。结果表明:下保护层采动容易引起顶板断层附近煤岩体破碎,形成断层带;覆岩裂隙在顶板断层带内显著增加,其密度曲线呈现"W"形分布;顶板断层底端与顶端随采动工作面接近与远离应力峰值表现出不同变化;覆岩运移具有时空效应,同一层位覆岩随工作面推进位移下沉,呈现"瀑布"状分布。     

西部缺水矿区地下水库保水的库容研究

利用井下采空区进行水源蓄存和循环利用的地下水库技术是实现西部矿区保水采煤的有效措施,研究确定采空区的合理储水容量对于地下水库技术的安全高效实施至关重要。综合采用理论分析、模拟实验与现场实测等手段,就地下水库储水容量计算、以及极限库容与合理库容的确定等问题进行了研究,结果表明：地下水库的储水容量即为储水范围内覆岩垮落带破碎岩块间自由空隙量与裂隙带断裂岩层离层裂隙量的总和;基于覆岩垮落带类抛物空间形态模型的构建,得到了考虑煤层倾角条件下垮落带岩体空隙量的计算公式;利用覆岩采动裂隙分布的“O”形圈理论模型,获得了覆岩各层关键层底界面及相邻关键层间断裂岩层的离层空隙量确定方法;由此根据储水水位在覆岩垮裂带内的不同位置,建立了地下水库储水容量的数学表达式,形成了地下水库极限库容与合理库容的确定方法,指导了李家壕煤矿地下水库工程实践。     

基于数字散斑技术的煤层群开采覆岩运移规律试验研究

为研究缓倾斜近距离煤层群开采时上覆岩层运移及含水层水动力演化规律,防止煤层群下行开采时发生突水事故,采用流固耦合相似模拟试验、应用数字散斑技术、理论分析等研究手段对某煤矿六采区综采工作面煤层群开采后的顶板变形破坏进行研究。结果表明:(1)14~#上组煤层开采过程中,隔离煤柱能够较好地控制顶板的移动变形,15~#下组煤层重复开采时会破坏上组煤层隔离煤柱,导致顶板的变形破坏加剧;(2)煤层群开采后覆岩位移传播方向为竖直方向,同一岩层位移呈现出中间下沉量大、两侧下沉量小的盆地特征;(3)应用数字散斑技术测得14~#上组煤层和15~#下组煤层开采后覆岩位移最大影响高度分别为29.0m和32.8m,与经验公式法计算结果进行对比,观测误差分别是1.8%和5.3%;(4)工作面依次下行开采14~#煤层和15~#煤层时,K_4含水层有发生突水的危险。     

寺家庄矿15106采煤工作面覆岩裂隙“三带”规律研究

为研究寺家庄15106工作面回采过程中上覆岩层裂隙的动态发育规律，基于工作面覆岩地质条件，采用理论分析、数值模拟和相似模型实验的方法研究覆岩裂隙的发育，并划分“三带”。依据矿业控制理论，得到垮落带高度为14.37~17.25 m，裂隙带高度为54.8~72.6 m。基于UDEC程序，模拟得到k2石灰岩底板距离煤层顶板18 m为跨落带高度，k4石灰岩底板距离煤层顶板66 m为裂隙带高度。根据相似模型实验得到垮落带高度为18 m，裂隙带高度为64 m。理论推导、数值模拟和模型实验得到覆岩“三带”高度基本一致，以坚硬的石灰岩高度为准，确定垮落带高度18 m，裂隙带高度66 m，为高抽巷层位选取提供了一定的理论指导。     

"两软一硬"不稳定煤层工作面覆岩"两带"发育高度研究

为探索禹州煤田西南部云盖山煤矿二矿软煤、软底和硬顶(简称“两软一硬”)及开采煤层厚度变化较大的不稳定煤层顶板垮落带和导水断裂带发育高度,采用现场钻孔成像技术、经验公式类比分析和数值模拟综合研究方法,对该矿23301采煤工作面顶板覆岩垮落带、导水断裂带高度进行了分析,获得了工作面在非充分采动垮落和充分采动垮落条件下“两带”高度量化取值,垮落带最大高度为14.4 m,导水断裂带最大高度为50.0 m,认为现场钻孔成像技术可用于采动覆岩“两带”发育高度的计算。研究结果对研究区预采掘顶板水害防治及顶板支护具有较重要的参考价值。     

浅埋房式采空区下煤层长壁综采矿压规律研究

根据温家梁三号煤矿地质生产条件,采用理论分析、数值模拟及现场实测等方法,分析了浅埋房式采空区下综采长壁工作面矿压规律。结果表明:工作面充分采动后覆岩呈现冒落带与裂隙带的"两带"发育特征;在工作面来压期间出现顶板沿支架前方煤壁处切落现象,台阶下沉量高达1.0m,在地表形成断裂地堑。     

采场覆岩两带与采空区自燃三带相关关系研究

为研究采煤工作面覆岩两带（冒落带、裂隙带）与自燃三带（散热带、窒息带、氧化带）的关系,通过建立覆岩运移模型,应用CDEM软件模拟分析了试验工作面采动空间上覆岩层两带的扩展过程,分析垂向方向覆岩两带分布对水平方向上垮落煤岩堆积状态的影响情况。通过现场埋管实测的手段以及氧体积分数法进行了采空区煤自燃三带的划分。研究表明,冒落带高度稳定情况下,采煤推进距离（48 m）与采空区散热带和氧化带的分界线（进风侧采空区以里50 m左右,回风侧采空区以里40 m左右）有较好的吻合关系。裂隙带高度稳定情况（顶板150 m处的岩层最大下沉值趋于基本稳定）下,采煤推进距离（126 m）与采空区氧化带和窒息带的分界线有较好的对应关系。     

薄煤层破碎顶板综采工作面“拖管”式充填试验研究

针对黄河北薄煤层、薄基岩、厚冲积层、顶板破碎、吨煤利润低、地表建筑物密集、全部跨落采煤地表下沉大等问题,在对综采架后自压式矸石充填、（似）膏体充填和（超）高水充填及高位离层注浆充填对比分析的基础上,提出了综采架后垮落带“拖管”充填的概念。结合赵官煤矿1703综采工作面开采技术条件,相似材料模拟试验和原生矸石、淋浆矸石压实度仿真试验,提出了“冒落”矸石压实分区和残余碎胀系数概念和“拖管”式充填时间-空间模型及工艺系统,并在该工作面试验成功。结果表明：薄煤层、破碎顶板、缓仰斜工作面,在不改造支架、不需堵漏的情况下进行垮落带“拖管”式充填是可行的;根据采-充量预计地表下沉系数为0.4,地表最大下沉量为50 cm。     

特厚煤层大采高综放工作面矿压及顶板破断特征

针对大采高综放工作面覆岩活动空间大、开采扰动强烈的特点,以不连沟煤矿特厚煤层大采高综放开采为背景,采用现场实测和理论分析等方法对大采高综放采场矿压及顶板运移破断特征进行分析,建立了大采高综放采场周期来压岩层破断的力学模型,得出了液压支架工作阻力的计算方法。结果表明:大采高综放工作面来压时安全阀开启频繁、顶板快速下沉,额定工作阻力13 800 kN的液压支架不能满足顶板控制的需要;开采空间的增大、直接顶厚度增大,低位基本顶转化为直接顶成为悬臂结构、高位基本顶形成砌体梁,二者形成"上位砌体梁-下位倒台阶组合悬臂结构";工作面来压强烈、动载明显、持续时间短的矿压现象是由于高位砌体梁结构滑落失稳造成的,据其力学特征确定了液压支架的工作阻力。     

孤岛工作面围岩整体失稳冲击危险性评估方法

根据孤岛工作面采空区上覆岩层受采动影响的程度,将其顶板结构分为全悬顶结构、半悬顶结构和完全移动结构。通过理论分析3种顶板结构的应力传递机制,建立了孤岛工作面支承压力估算模型,提出了支承压力估算方法,并构建了存在基于弹性承载区的孤岛工作面围岩整体失稳冲击危险性评估方法。采用本文提出的估算模型及评估方法,对“全悬顶-完全移动结构”和“全悬顶-全悬顶结构”孤岛工作面进行了冲击危险性判定,为矿山决策孤岛工作面能否安全开采提供了理论依据。     

综放工作面垮落带高度测定方法研究

为解决高瓦斯矿井综放工作面垮落带高度难以精确测定,造成工作面两端头难维护、预抽钻孔终孔位置难以确定等问题,依据工作面采动后顶板岩层破断垮落、弯曲下沉对采空区煤层底板施加压力的情况,结合采空区上覆各岩层的厚度和密度,提出了垮落带发育高度的测定方法.以大平矿N1S2综放工作面为例,现场测试结果表明:利用该测定方法测得的垮落...     

条带间垮落区注浆充填覆岩移动规律研究

结合工程背景,采用相似材料模拟试验,对比研究了条带开采垮落区注浆充填与条带开采覆岩移动特征.结果表明:在已开采条带垮落区实施注浆充填能有效地减小覆岩垮落角和垮落高度,既可阻止主关键层破断,又可限制煤岩柱侧向垮落和变形,使相邻工作面垮落空间无法贯通,形成非充分开采;与条带开采相比,当充填量为30%时,条带开采垮落区注浆充填既可减小地面变形、又可提高煤炭采出率20%, "关键层-煤柱-注浆充填体"的共同作用可有效地控制开采沉陷.     

浅埋煤层工作面的UDEC数值模拟研究

利用UDEC数值模拟软件对山西焦煤集团东曲矿浅埋煤层工作面开采导致的覆岩移动及裂隙发育过程进行数值模拟研究,真实反映了在工作面推进过程中覆岩移动及裂隙发育规律,得出浅埋煤层开采后直接顶和老顶的垮落步距以及上覆岩层移动规律.     

长壁矸石充填开采上覆岩层移动特征模拟实验

长壁矸石充填工作面采空区由于被充填材料占据,上覆岩层移动特征将不同于垮落法管理顶板,采用相似模拟和数值计算模拟工作面回采和矸石充填过程。通过改变支架初撑力和工作阻力、充填材料的夯实力,模拟不同充填率情况下上覆岩层应力变化和岩层移动特征,结合现场实测结果认识长壁矸石充填开采上覆岩层移动规律。研究发现：支架工作阻力对充填效果影响显著,充填支架高初撑力和工作阻力可以限定顶板的变形,保证足够的时间使更多的充填材料充进采空区,进而减小缓慢下沉带高度,控制地表变形。采空区内充填材料限制直接顶的变形、下沉以及冒落,直接顶以断裂和冒落为主,冒落后整齐地排列在采空区矸石上。基本顶以弯曲下沉形式随直接顶移动,上覆岩层冒落高度显著降低。     

周源山煤矿24采区上覆岩层关键层研究

结合周源山煤矿24采区上覆岩层实际情况,根据关键层强度和刚度理论判断了该煤矿关键层的位置及初次破断距,并且利用RFPA软件进行数值模拟分析,验证了理论计算的正确性,为煤矿开采提供开采参考依据。计算结果与该矿24采区已开采的工作面矿压显现及顶板下沉的实测结果大致相符。     

基于计算机模拟的煤炭地下气化场覆岩运动规律分析

顶板控制和覆岩破裂规律研究是井下开采支护的理论基础。以张家口蔚州煤矿地下气化场煤层为研究对象,利用计算机仿真技术模拟了"三带"发育、覆岩结构规律、围岩剪应力分布、煤层支撑压力分布、燃空区厚岩层载荷分布以及覆岩垂直位移变化规律。该研究为煤矿井下气化场煤层覆岩支护措施的设计提供了参考。     

上覆岩层冒落带和裂隙带高度的确定

通过观测枣庄、淮南、开滦、峰峰、大屯、大同等矿区,开展了覆岩破坏特征的研究,得出了煤层覆岩的破坏范围形态,以及冒落带和裂隙带高度的计算公式,准确确定冒落带和裂隙带范围,为煤层开采、顶板管理奠定基础。