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.     

浅埋煤层群开采顶板双关键层结构及支护阻力研究

采用现场实测、物理相似模拟和理论分析方法,分析了浅埋煤层群间隔岩层双关键层的形成条件、双关键层结构稳定性和支架载荷计算方法.基于对神府矿区4-2与5-2煤层开采的实测发现,浅埋煤层群较单一煤层开采周期来压步距缩短25%,来压强度增加15%～22%.物理相似模拟表明,间隔岩层存在双关键层结构时,直接顶以"短悬臂梁"形式周期破断,间隔岩层下位关键层与上位关键层分别形成铰接结构,上煤层已垮落的顶板形成活化的砌体梁结构.根据顶板结构组合形态,可将浅埋煤层群双关键结构分为"台阶-砌体-砌体"结构、"台阶-台阶-砌体"结构和"砌体-砌体-砌体"结构.双关键层结构同步与非同步破断运动形成大、小周期来压现象.通过建立的"台阶-砌体-砌体"结构力学模型,给出了动、静载荷作用下工作面支护阻力计算方法.     

特厚煤层坚硬覆岩柱壳结构特征模型及应用

以大同矿区同忻煤矿石炭系坚硬覆岩特厚煤层开采为工程背景,基于关键层理论分析了同忻矿3-5#煤层特厚煤层综放开采坚硬覆岩的破断特征和采场覆岩结构特征;应用弹性板理论,建立了大空间采场坚硬覆岩柱壳结构力学模型和数学模型.研究表明:坚硬覆岩柱壳结构模型,较好地揭示了同忻矿8105,8106等工作面开采过程中产生大小周期来压、采动影响范围大、易产生冲击载荷等特殊矿压现象的机理.     

浅埋煤层重复采动覆岩裂隙及漏风通道演化模拟研究

为了研究浅埋藏近距离煤层群重复采动下地表漏风对采空区煤自燃的影响,利用FLAC~(3D)数值模拟软件,对神东矿区补连塔矿回采不同阶段覆岩孔隙率的发育规律、塑性区分布以及覆岩垮落高度进行模拟分析。结果表明:(1)上煤层回采完毕后,覆岩裂隙发育呈"U"形分布,最大裂隙高度达130 m,尚未通达地表;下煤层回采完毕后,覆岩最大裂隙高度达162 m,贯通地表。(2)上煤层回采完毕后,覆岩在上煤层上方62 m处发生明显离层,离层区下方覆岩下沉高度1.75~4 m,离层区至上覆岩层下沉高度0.25~1 m;下煤层回采完毕后,离层区进一步发育,离层区下煤层采空区顶板垮落,上煤层采空区岩体进一步沉陷,最大下沉高度达7 m,离层区至上覆岩层下沉高度1~2 m。(3)在回采同一阶段,同一高度覆岩孔隙率变化率两侧大于中部;下煤层的回采使上煤层覆岩孔隙进一步发育,孔隙率变化率明显增大。     

基于地表点下沉阶段特征的覆岩裂隙带高度演化

煤炭开采引起覆岩破断及地表下沉,覆岩及地表运移规律可反映裂隙带高度的动态演化过程,因地表下沉滞后于煤炭开采,采空区封闭后,长期压实作用导致裂隙带高度较采动期间有所降低.基于地表点下沉速度的阶段特征将裂隙带高度的演化全程分为2个阶段,第1阶段裂隙带发育对应岩层破断逐步向上传递的过程,第2阶段裂隙带高度降低对应离层及裂隙闭合、断裂岩层受压后变形回弹及破碎岩体自然压实的过程,针对不同阶段裂隙带高度演化开展了试验研究和理论推导,揭示了不同阶段裂隙带高度的演化特征及影响机制,并结合同忻煤矿和太平煤矿实测结果进行了验证.研究结果表明,关键层的控制作用使得裂隙带高度阶段性增长,关键层最终破断层位及其上方部分岩层的岩性特征决定了第1阶段裂隙带发育高度,第2阶段裂隙带高度由第1阶段结束时裂隙带高度及垮落带高度、不同状态下的垮落带碎胀系数及地表动态下沉结束后的下沉量决定.研究可为废弃采空区卸压瓦斯地面抽采钻井结构设计及煤矿地下水库极限库容计算提供参考.     

厚煤层采动裂隙发育演化规律及分布形态研究

结合弹塑性和断裂力学相关理论分析厚煤层上覆岩层采动裂隙扩展力学原理,根据覆岩内原生裂隙、次生裂隙和贯通裂隙分布情况将采动裂隙瓦斯流动通道沿工作面倾向分为:孤立区、局部网络区和网络区,运用UDEC数值软件模拟不同倾角和工作面长度条件下覆岩采动裂隙分布规律.结果表明:受采动影响,厚煤层工作面采空区覆岩出现"O"形裂隙圈,其随煤层倾角增大且沿煤层倾向向上发育,由水平煤层的等腰梯形演化为急倾斜煤层的不对称钝角梯形,瓦斯积聚于"O"形圈顶部;煤层倾角不变的情况下,"O"形裂隙圈随工作面长度的增加而增高.     

110工法顶板结构运动全过程力学模型的研究与应用（英文）

由于以往对110工法覆岩结构动态运动特征不了解,难以精确计算巷道支护阻力,造成巷道的过度支护,导致巷道支护成本大幅度增加。本文针对上述问题,对110工法沿空留巷的覆岩结构运动及巷道变形规律进行了深入研究。首先,依据两次采动影响下巷道顶板结构受力和支撑边界的动态变化过程,对切顶沿空巷道划分典型阶段;其次,以关键块为主要研究对象,基于沿空巷道的覆岩顶板破断结构和垮落特征,建立回采不同阶段切顶巷道支护阻力的力学模型和计算公式;然后,利用数值模拟软件,初步确定具体分阶段支护起始范围并验证支护方案的可行性;最后,结合现场实测数据,总结出110工法在两次采动影响下巷道分阶段压力显现及其变形规律。本文所叙研究成果与现场实测结果基本一致,为110工法在不同阶段的分区精准支护提供理论依据。     

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.     

关键层对急斜下保护层开采保护作用的影响

以某矿多煤层下保护层急倾斜俯伪斜工作面为例,确定了沿工作面伪斜方向顶板硬岩层承受的栽荷和充填体的支撑栽荷的表达式.基于关键层理论和有限元数值模拟方法,确定了下保护煤层开采后上覆岩层中的关键层的位置及其破断距;得出了急倾斜煤层开采后受关键层影响下的上覆岩层移动特点和破坏形态;分析了关键层对保护层开采保护范围的影响.研究表明,距下保护层K6煤层17 m的硅质石灰岩为上覆岩层中的关键层,其破断距为30 m左右;关键层破断之前,关键层上部的被保护层卸压并不明显;关键层破断以后,保护层的保护作用逐渐明显;且被保护层的瓦斯涌出规律与关键层破断距成周期变化,倾斜上部瓦斯得到充分释放,而倾斜下部由于冒落矸石的充填导致岩层变形较小,瓦斯不能充分释放,使保护范围在倾向上部比下部大.     

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.     

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.     

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.     

基于位移连续监测的采场两带变形垮落特性试验研究

相似模拟试验是研究采动覆岩垮落带和裂隙带特征的有效方法,岩层位移的准确监测是采场两带高度试验研究的关键。为实现准确、连续、实时地监测采动覆岩位移,提出模型内部位移测试原理,研发了以微型多点位移计、光栅尺和可视化软件等组成的光栅位移连续监测装置。借助此装置并基于相似模拟试验,研究了工作面采动覆岩两带变形垮落特性。研究表明:1)光栅位移连续监测装置可连续监测模型内部测点位移,结果与模型表面散点位移结果吻合。2)在试验模型表面不暴露的情况下,本文方法可有效监测试验模型内部的测点位移。3)基于位移连续监测模拟试验得到了某煤矿采煤工作面采场两带高度,其中:垮落带高度为8.0 m,约为采高的6.3倍;裂隙发育高度为30.0 m,约为采高的24倍。4)采场垮落带垂直位移具有阶梯状的变化规律,裂隙带垂直位移变化相对平缓,可据此判断垮落带和裂隙带的分界,为工程现场两带高度鉴定提供参考。     

重复采动停采边界关键层失稳诱发灾害研究

基于岩层控制的关键层理论,分析了重复采动过程中上覆巨厚关键层岩块形态特征、冒落和移动规律.结果表明:重复采动停采边界矿震机理归结为2种形式:1)采高增加引起顶板冒落高度增加,造成高位关键岩块铰接平衡结构失稳诱发矿震;2)重复采动引起顶板岩层移动线外扩,导致采场边界顶板活动范围增加,造成高位关键层破断诱发矿震.依据此机理,提出了降低推采速度(低扰动)、优化开采边界(低应力)等防控动力灾害的技术方法.通过3下510工作面实施运用与开采实践,达到了采场边界矿震及动力灾害的防控目的,保证了工作面安全和地面稳定.     

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.     

离层注浆控制冲击矿压危险机理探讨

煤层上覆坚硬厚层岩层组成的主关键层对冲击矿压的发生具有强烈的影响,主关键层岩层的剧烈活动是冲击矿压发生的集中区域,而且震级也高;冲击矿压的发生需要煤层及其周围岩层中聚集大量的弹性能外,还需要主关键层破裂等释放的外部能量;该外部能量与岩层厚度的平方、抗拉强度的2．5次方成正比;破断中心距巷道工作面越近、释放的能量越大,传播到巷道工作面处的能量越大,越容易引发冲击矿压。因此,可采用覆岩离层注浆等技术手段保证覆岩主关键层的长期稳定,消除主关键层岩层破断引发的冲击矿压危险。     

基于微震监测的采空区覆岩高位裂隙体识别方法

为了研究覆岩采动裂隙分布状态及瓦斯运移规律,合理地确定出瓦斯富集区并优化瓦斯抽采钻场布置方案.借助于高精度的微震监测系统,结合淮南矿区工业性试验,对覆岩采动裂隙发育实时动态的分布状态进行了研究.结果表明:工作面采动效应引起了采场背景应力场的变化,高应力区的出现促使煤岩体萌生了微裂隙,而微裂隙的扩展和逐渐贯通又成了瓦斯解析、运移及连通的通道;覆岩产生大量的微裂隙,采空区中部的离层裂隙会被覆岩的移动所压实,而在采空区周围则形成了一个不规则闭合"圆柱形横卧体"裂隙区,其边界为:高约25~40m;宽约30~50m;左边界为采动影响边界线,与煤层底板夹角约为105°,右边界以45°左右偏向采空区发展,此裂隙区覆岩的透气性成倍增加,为瓦斯的运移提供了通道和聚积的空间.     

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。     

远距离下部煤层回采对上部采场巷道影响分析

为了研究远距离多煤层开采时下部煤层回采对上部采场巷道破坏的原因和影响范围,结合云煤一矿和正德矿业的井下采掘关系,通过覆岩破坏高度经验公式和UDEC数值模拟,得到远距离多煤层开采覆岩破坏的特点以及部分巷道受损的原因。利用概率积分和FLAC3 D数值模拟揭示了正德矿业倾斜岩面移动变形特征以及巷道破坏的主要原因;采用岩层移动角计算云煤一矿开采对正德矿业的影响范围,确定了巷道受损数目。研究结果表明:受损巷道少部分是由下部工作面回采引起的覆岩破坏和岩层移动变形共同造成的,而大部分受损巷道则仅由岩层移动变形造成;在采场倾斜岩面上,由于自重力和平行于岩面原岩应力分力的影响,下部工作面回采对其上山影响范围大于下山;采用优化的岩层移动角计算云煤一矿对正德矿业的采动影响范围,确定了巷道受损数量和位置,基本与现场实际情况吻合,可以为相似案例提供参考。     

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。