基于瓦斯抽放的顶板冒落规律模拟试验研究

为了给采空区瓦斯抽放高位长钻孔的设计提供依据，采用相似模拟试验与关键层理论分析采空区顶板产生裂隙、断裂、冒落和离层情况及其变化规律。随工作面的推进，关键层的弯曲变形经历从缓慢-剧烈-缓慢-破断的过程：亚关键层的弯曲下沉范围明显小于主关键层。关键层破断后，其下采空区两侧垫层的弹性变形得到恢复，下沉位移出现反弹。关键层的承载作用和岩层力学特性的差异使关键层间顶板的垮落角不同。覆岩关键层的破断使工作面顶板垮落角减小、周期垮落步距和来压强度都增大。依据覆岩关键层的破断形态、顶板的垮落角和周期来压（垮落）步距可以确定瓦斯抽放钻孔的终孔位置和钻场间钻孔的压茬距离，并预测钻孔的抽放瓦斯效果。     

覆岩主关键层位置对导水裂隙带高度的影响

 采用理论分析、模拟实验和工程探测等方法,就覆岩主关键层位置对导水裂隙带高度的影响进行深入研究。研究结果表明：覆岩主关键层位置会影响顶板导水裂隙带高度,当主关键与开采煤层距离较近并小于某一临界距离时,顶板导水裂隙带将发育至基岩顶部,导水裂隙带高度明显大于按我国《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(以下简称“规程”)中的顶板导水裂隙带高度确定方法得到的结果。对导水裂隙带高度产生影响的主关键层与开采煤层临界距离主要与煤层采高、顶板碎胀压实特性、主关键层破断块度等因素有关,可以粗略按7～10倍煤层采高计算该临界距离。当覆岩主关键层与开采煤层距离小于7～10倍采高时,不能按规程中的方法确定顶板导水裂隙带高度;当覆岩主关键层与开采煤层距离大于7～10倍采高时,仍可按规程中的方法确定顶板导水裂隙带高度。上述结果能很好地解释部分煤矿顶板异常突水灾害的发生机制,并指导神东矿区补连塔煤矿顶板突水灾害防治实践,取得显著的经济效益。     

岩层移动与控制的关键层理论及其应用

采用模型实验、 数值模拟、 现场试验和计算机图像分析等方法, 对关键层判别方法以及关键层运动对采场矿压显现、 覆岩移动与地表沉陷及裂隙场分布的影响规律等问题进行了深入的研究。 从两层坚硬岩层破断顺序的研究入手, 揭示了关键层上载荷分布规律及其对关键层破断顺序的影响, 并由此建立了判别覆岩中关键层位置的方法。 研究了关键层破断块度对“砌体梁”结构下沉曲线形态的影响, 并提出了“砌体梁”结构下沉曲线的拟合方程。 确定了关键层对采场矿压显现产生影响的判别条件与影响规律, 揭示了关键层破断前后煤柱支承压力分布规律。 揭示了表土层与关键层间耦合关系的一些基本规律及其对改进地表下沉预计方法的指导意义。 揭示了覆岩移动过程中离层与“导水、 导气”裂隙两阶段发育规律与“O”形圈分布特征。 编制了采动裂隙量化分析的图像处理软件FIMAGE。 将关键层理论应用于我国卸压瓦斯抽放实践, 建立了卸压瓦斯抽放的“O”形圈理论, 并在淮北、 阳泉矿区卸压瓦斯抽放中得到应用。 将关键层理论应用于地表沉陷控制实践, 建立了覆岩离层注浆钻孔布置的原则, 指导城下条带开采试验, 取得了显著的经验效益。     

保护煤层开采引起覆岩垮落及其被保护煤层透气性变化的数值模拟

在充分考虑到岩石的非均匀性、存在的节理、裂隙等基础上，运用岩石破裂过程分析系统（RFPA），进行由于深部煤层（保护层）开采诱发的上覆岩层垮落过程及被保护煤层透气性系数变化的数值模拟。模拟结果较好地展示在开采保护煤层过程中覆岩节理、裂隙的发育、顶板的垮落以及被保护煤层的弯曲、变形和透气性系数的变化过程，反映出岩层移动的三带特征：垮落带、断裂带、整体弯曲下沉带以及这三带演化的动态过程。从破坏点空间分布中可以看出岩层破坏的逐层传递性。文中阐明被保护煤层在保护煤层开采期间的应力场与透气性变化之间的联系。     

厚松散层下三软煤层开采覆岩导水裂隙发育规律

为掌握厚松散层下三软煤层开采覆岩运移及导水裂隙发育规律,以澄合矿区为背景,采用物理相似材料模拟实验,综合运用全站仪监测、高清钻孔电视监测、3DEC离散元数值模拟软件以及SPSS专业统计分析软件相结合的研究方法,同时引入开采损害理论,研究该条件下覆岩运移规律、裂隙发育演化及导水裂隙带分布特征。结果表明:覆岩运移呈现非对称性,最大下沉值处于采空区中央偏开切眼侧,松散层运移范围大于基岩顶部岩层,整体呈现出"类双曲线"状。理论公式推导得出基岩破断角较小,为56°～58°。垮落带高度13.75 m,垮采比3.06,导水裂隙带高度75m,裂采比16.67;裂隙发育数量自地表而下逐渐增多且在导水裂隙带区域突然增多,裂隙发育主要受到北偏东33°方向上采动应力场控制,导水裂隙带发育演化呈现出"缓慢发育→逐级渐进升高→大幅突然升高→周期小幅升高→稳定发育"五个阶段;通过3DEC数值模拟得出,导水裂隙带高度与松散层厚度成指数函数关系,与采高成线性关系,与埋深和工作面斜长成对数函数关系。运用SPSS专业统计分析软件,基于多元非线性回归理论拟合出导水裂隙带高度预测经验公式。通过对比计算结果,验证了回归经验方程在预测导水裂隙带高度时的合理性;由于K_5砂岩含水层单位涌水量较大且距煤层较近,对工作面开采过程中覆岩裂隙导水影响较大,为避免煤层的开采受到覆岩K_5砂岩含水层的影响,根据所得预测经验公式,煤层的最大采高应不超过3.8 m。该研究对相似地质条件下煤矿保水开采等具有重要的参考价值。     

多煤层开采时岩层垮落过程的数值模拟

 运用自行开发的岩层破断过程分析(SFPA2D) 系统模拟了多煤层开采时岩层的垮落过程。数值模拟结果表明,虽然上部煤柱的存在改变了上覆岩层结构, 但岩层的垮落仍具有明显的周期性, 地表的水平移动和垂直下沉仍具有明显的对称性; 当垮落带高度达到上部煤柱后, 可能出现大面积的垮落, 产生较大的次生来压现象, 从而影响下部长壁工作面的安全。通过和相似材料模拟以及理论分析结果的对比, 本次数值模拟基本上反映了多煤层开采时采动岩体的动态发展过程, SFPA2D系统可以作为模拟采动覆岩破坏过程的一种新方法。     

煤层开采后覆岩破坏规律研究新方法

电阻率法动态监测技术是研究煤层开采后覆岩破坏规律的一种新方法 ,该方法通过在采煤工作面覆岩中预埋入电极传感器,动态、连续的观测工作面回采前后上覆煤岩体电阻率及供电电流,根据电阻率及供电电流的变化情况分析工作面煤层开采后顶板岩层破坏的形态,查明工作面开采后覆岩"两带"发育的动态变化规律,得到煤层采后顶板"垮落带"和"导水裂缝带"的发育高度。     

多煤层开采进岩层垮落过程的数值模拟

运用自行开发的岩层破断过程分析（SFPA^2D）系统模拟了多煤层开采时岩层的垮落过程。数值模拟结果表明,虽然上部煤柱的存在改变了上覆岩层结构,但岩层的震落仍具有明显的周期性,地表的水平移动和垂直下沉仍具有明显的对称性;当垮落带高度达到上部煤柱后,可能出现大面积的垮落,产生较大的次生来压现象,从而影响下部长壁工作面的安全。通过和相似材料以及理论分析结果的对比,本次数值模拟基本上反映了多煤层开采时采动岩体的动态发展过程,SFPA^2D系统可以为模拟采动覆岩破坏过程的一种新方法。     

离层注浆条件下覆岩变形破坏特征的连续探测

覆岩破坏的发育高度及其分布形态是合理确定开采边界及留设防水煤岩柱的基础。为了探讨覆岩离层注浆条件对导水裂隙带形态的影响,采用前端泄露式多回路注(放)水系统,应用井下仰孔分段注水法对东滩煤矿14308工作面覆岩离层带实施注浆充填条件下综采放顶煤导水裂隙带的破坏特征进行了连续探测。探测结果表明:厚煤层综采放顶煤条件下覆岩离层带注浆时的覆岩采动导水裂隙带高度略高于正常条件下的覆岩采动导水裂隙带高度,走向方向的采动导水裂隙带高度低于倾向方向的采动导水裂隙带高度;离层带注浆时的覆岩破坏形态和范围向工作面外侧突出较大。     

大采高开采覆岩台阶错动演化规律及突水防治

 在厚煤层大采高开采条件下,覆岩垮落带和裂隙带高度增大,岩层活动程度增强,将造成裂隙带岩层的台阶错动失稳,是开采中引发突水事故的重要条件,而裂隙带岩层的台阶错动失稳与其下位岩层的岩性结构和组合状况有关。因此,分析岩性结构对覆岩台阶错动失稳及突水防治的影响,并运用数值计算和现场实测分析的方法,研究厚煤层大采高条件下,煤层群开采煤层间不同岩性结构组合对上煤层完整性和连续性的影响规律。当煤层间岩性呈软硬岩层组合结构时,随着下位硬岩层或软岩层所占层间距比例的增大,上煤层产生的台阶错动量减小,软岩层结构比硬岩层结构更有利于减小上煤层台阶错动。给出判定台阶错动量的岩性结构构成条件,现场实测覆岩台阶错动及裂隙分布规律,提出突水防治的有效措施,保障工作面的安全生产。     

覆岩离层区积水引发的采场突水机制研究

 通过工程探测和理论分析,就海孜煤矿745工作面巨厚火成岩条件下顶板异常突水事故的机制进行深入研究。研究结果表明：距开采煤层62 m的巨厚火成岩下封闭的离层区积水是引发745工作面异常突水的水源;按传统估算方法计算导水裂隙高度为25.3～36.5 m,不会沟通巨厚火成岩下的离层区积水,但由于离层区积水的载荷传递作用,导致下部2层亚关键层发生复合破断,使得顶板导水裂隙高度异常发育,沟通了离层区积水,这是引发745工作面异常突水事故的原因。突水机制表明,可以通过向积水离层区施工放水钻孔的方法来防治此类突水事故。     

上覆高位岩浆岩下离层空间的演化规律及其预测

针对工作面上覆高位硬厚岩浆岩条件,采用相似材料模拟试验研究了主关键层下离层空间的演化过程与形态特征,分析了离层空间的层位演化与横向扩展规律、覆岩与主关键层的运移规律;通过理论分析揭示了离层空间形成的机理与条件,提出了离层空间演化特征的确定方法,建立了主关键层底部最大离层空间的分析模型与预测方法。研究表明:岩层组合失稳运移形成"月牙"形离层空间,以间歇式跳跃上升至岩浆岩底部,岩浆岩底部存在较大的离层空间,并由"月牙"形逐渐转变为"一字"形,岩浆岩破裂运移导致离层闭合。离层空间在亚关键层及主关键层底部自下而上动态发育与闭合,层位高度及发育范围与推进距离呈正相关性,可采用"多梯形"方法确定其演化过程。覆岩运移经历下位关键层沉降、运移向主关键层底部发展、底部盆地沉降、岩浆岩运移及整体稳定等5个状态,覆岩下沉形态先后呈"V"型、"√"型及"U"型。岩浆岩运移过程分为下部支撑、底部离层扩展、破裂随动、失稳运移及离层闭合稳定等5个阶段。建立了最大离层空间的覆岩结构及弹性基础梁模型,得到其断面积和体积的预测计算式,为高位岩浆岩下安全开采提供了理论依据。     

浅埋煤层的矿压特征与浅埋煤层定义

根据3个不同条件的浅埋煤层工作面矿压实测，得出了中国特大浅埋矿区顶板破断规律与普通采场不同，主要特征是顶板切落式破断和台阶下沉，顶板垮落一般形成冒落带和裂隙带。并初步提出了以关键层、基载比和埋深为指标的浅埋煤层定义，为正确建立顶板结构模型和进行顶板控制奠定了基础。     

德格隧道施工过程分析及冒落成因机理

为探明公路隧道过深埋破碎带施工中地层变形与受力特性,揭示围岩碎裂形成冒落破坏的成因机理,依托川藏公路新建德格隧道,对隧道施工过程进行了三维数值模拟和力学分析。研究表明:受构造破碎带和埋深影响,隧道过冲沟深埋段施工中拱顶位移均较大且会有突变,施工在竖向对围岩压应力的影响非常明显,而在水平方向对拉应力的影响更为显著,围岩竖向与水平向较大的压应力差值增加了围岩松弛区范围;深埋自重应力场较大,受施工扰动位于冲沟底部的破碎带围岩碎裂变形加剧出现冒落体,因松动地压超过支护结构承载力最终导致冒落破坏。     

地铁车站基坑突涌治理措施分析

城市地铁车站建设中经常会遇到富水地层或岩溶地区,其地下水极其丰富;随着地铁车站基坑开挖卸荷,作用于承压水上部的地层厚度逐渐减小,易造成车站基坑施工底部发生突涌灾害。为此,依托某地铁车站基坑工程突涌灾害,通过分析突涌水量变化过程,提出有效地突涌水治理措施,为类似工程建设提供重要的参考。     

Black water and two peculiar types of stratification in an organically loaded strip-mine lake

During summer stratification a strip-mine lake in which fish were cultured in floating cages developed black water in its anoxic zone. The blackness was evidently produced by ferrous sulfide. Two types of black water stratification were observed. In one the blackness occurred throughout the anoxic zone but was more intense in the upper part, while iron and alkalinity were high throughout this zone. In the second the black water was confined to a meter-thick stratum within the anoxic zone, and iron and alkalinity were remarkably low except in two strata: the one with black water, and the one at the top of the anoxic zone.It is suggested that both types of stratification were caused by a high rate of sulfide production in the metalimnion. The relatively high temperature there (as compared to the hypolimnion) and the presumably higher concentrations of organic matter and ammonia, resulting from fish food and fish wastes, would account for this high rate of sulfide production. Because of sharp oxygen stratification two carbonate-forming processes, photosynthesis and sulfate reduction, occurred in close proximity to each other. In especially calm weather vertical density currents could be initiated by the calcium carbonate crystals and produce the second type of stratification. If the second type of stratification could be produced at will it might be used to improve the quality of strip-mine lake water.     

三维地层构造的块体理论方法

三维地层建模方法是地层可视化研究的关键问题之一,主要有面建模和体建模方法两大类。本文针对体建模问题,探讨了一种通过块体理论构造三维地层的新方法。该方法将地层区域内部结构面和边界面作为某虚拟岩体的裂隙面,这些裂隙面可将地层区域全部切割成有限块体;将虚拟岩体的剩余部分切割成一定数目的无限块体和有限块体,利用块体理论中块体的矢量判别法判别出地层区域内的有限块体,并求出其顶点坐标及其在各侧面上的排列顺序后,即完成三维地层的构造和剖分过程。在此基础上通过OpenGL绘制地层块体,从而实现三维地层可视化。