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.     

覆岩宏观支撑结构演化过程与特征

针对近水平煤层开采采场覆岩支撑结构的宏观特征,构建了覆岩宏观支撑结构的板-壳组合演化模型,分析了覆岩宏观支撑结构的形成-演化过程及其基本特征,在此基础上建立梁-拱力学模型,得到了覆岩宏观支撑结构中壳体形态、关键层悬露长度以及"充分采动"时采空区几何特征的计算方程.结果表明:近水平煤层开采采场覆岩宏观支撑结构的演化过程主要表现为倾向巷道→见方→走向巷道.在关键层影响下,覆岩宏观支撑结构整体呈现为板-壳组合的阶梯状结构,水平剖面形态为圆角矩形,倾向和走向剖面形态为梁-拱组合.如在采空区见方之前关键层已破断垮落,则在采空区见方时会伴随产生覆岩裂隙带高度、煤壁支承压力达最大值等"充分采动"现象;如在采空区见方时关键层未破断垮落,则在工作面推进距离与工作面长度之比为1～3时,也可能出现"充分采动"现象.研究结果得到了杨柳煤矿10414工作面实测数据的验证.     

厚松散含水层下覆岩破坏规律分析

以钱营孜煤矿东一采区的工程实例为背景，运用FLAC^3D软件对工作面开采进行数值模拟，结果显示“两带”即覆岩垮落带和导水裂隙带的发育高度分别为10.9 m和42 m。设计并施工了两个采后“两带”高度探查孔，显示工作面垮落带高度实测值为10.66～12.00 m,导水裂隙带高度实测值为40.87～44.87 m,与按规程理论计算和数值软件模拟所得结果接近，可作为相似条件下工作面煤岩柱留设与安全评价的依据。     

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。     

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.     

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。     

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。     

吉克煤矿首采区上行开采可行性分析

通过理论计算和数值模拟方法,对吉克煤矿首采区M11煤层上行开采的可行性进行了研究。结果表明,计算得出M11煤层开采后覆岩最大垮落带高度为8．47m,导水裂隙带高度为21．1m-32．4m,M9煤层位于导水裂隙带之内。数值模拟结果表明,M9煤层内部的垂直应力显著下降,垮落带和导水裂隙带高度分别为10m和36m,M11煤层开采对M9煤层的卸压效果明显。首采区利用M11煤层作为M9煤层的解放层是可行的。     

卧龙湖煤矿8101工作面采动覆岩破坏特征研究

煤矿开采过程中覆岩破坏容易引发工作面溃砂、突水事故,为了保证卧龙湖煤矿8101工作面安全开采,根据矿区覆岩工程地质特征及矿区岩层柱状图,建立了FLAC3D数值模拟模型.通过FLAC3D软件模拟,得到了工作面推进时的覆岩应力场及覆岩塑性区分布图,由此分析得出在开切眼和煤壁处覆岩主要为剪切破坏,采空区上部主要为拉伸破坏,得到煤层开采时覆岩最大主应力1.78MPa,最大导水裂隙带高度31m.     

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.     

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。     

全国优秀博士学位论文摘要矿山采动裂隙岩体地球物理场特征研究及工程应用

地下矿床开采引起采场围岩变形破坏产生采动裂隙,采动裂隙是矿山一系列灾害的根源,研究矿山采动裂隙岩体的地球物理场特征,提出可行的地球物理方法对裂隙岩体实施高精度高分辨率探测,对于防治矿山灾害发生,保障矿山安全,具有重要的理论意义和实际应用价值.本文通过理论分析、数值和物理模拟以及现场试验等技术途径,全面系统地研究了矿山采动裂隙岩体的地球物理场特征.主要研究内容、方法、结论及发现点如下:1)根据覆岩变形破坏产生冒落带和裂隙带这一特征,建立煤层开采前和开采后电性数学模型,利用高精度有限单元法进行电场数值模拟.计算结果表明:采动裂隙引起煤层上覆地层的视电阻率变化,其影响范围较实际破裂范围大得多,基本上是覆岩冒裂带范围的两倍,其视电阻率值最大影响区为冒落带,变化率可达19%;在裂隙发育带,视电阻率的变化率可达10%～12%.2)通过建立与实际采矿活动对应的相似材料物理模型,实施直流电阻率法的动态数据采集及反演计算,获得了覆岩采动裂隙的电场响应特征.选择采矿活动引起覆岩采动裂隙的4个关键时段,进行代表性的电场观测和计算分析.物理模拟结果表明:在覆岩变形破坏产生的裂隙带中,电场特征变化表现为正常场电阻率值升高2～3倍;而在冒落带中,电阻率值增加4～6倍;在弯曲变形带,采动过程中电性特征有一定的变化,主要表现为电阻率值略有增大.3)利用相似材料物理模拟进行覆岩变形破坏的弹性渡速度场响应特征研究,获得了覆岩采动裂隙的波场响应特征.建立与实际采矿活动对应的相似材料物理模型,进行煤层开采之前和开采之后两个不同时段时所模拟的岩层进行声波CT测量,反演计算所模拟岩层的波速场的分布.实验结果表明:在所模拟的覆岩破坏产生的裂隙带中,速度场变化表现为正常场值降低约10%～20%;而在冒落带中,采后很难接收到弹性波穿透的有效信号.在受开采影响但未破坏的采空边缘区,波速的升高是主要特征.4)结合含完整采空区的采区三维地震资料,全面分析了在煤层采空区、裂隙带及采动影响边界的地震波场特征.研究表明:对应采空区的位置,煤层反射波消失或能量变弱,覆岩层中出现波组零乱的反射波,能量弱,连续性差;对应支撑压力区,反射波组能量明显增强;对应采动影响带,包括上倾和下倾方向边界角范围内岩层的反射渡能量明显减弱,局部出现反射空白带.根据这些特征可以划分采空区范围、采动裂隙发育高度、裂隙"天窗"、采动影响范围,为水体下煤炭资源开采以及岩层沉陷控制提供了可靠的地质依据和监测技术.5)建立煤层开采前以及开采后生成离层(离层充水、离层充气)的波场数学模型,利用有限差分法进行波场数值模拟.结合现场利用地震技术探测离层层位,分析了离层发育的具体位置及注浆充填离层带的效果,理论与实际相结合,并经实际检测.6)结合煤层开采底板岩体采动裂隙的动态弹性波CT现场实测试验,研究采动过程中采动裂隙产生过程与弹性波场的响应关系.探讨了动态探测方法的观测方案,确定关键观测时段和观测系统,根据CT反演的速度场特征,全面分析了底极岩体产生采动裂隙的速度场响应特征,在此基础上确定底板破坏裂隙最大发育深度,探测效果明显,为承压水上安全开采底板破坏监测提供了新的技术途径和地质保障.7)综合分析采动裂隙岩体的电性特征和波场特征,结合现场试验的结论和效果分析,提出了采动裂隙岩体地球物理方法监测初步技术体系.     

煤层开采过程中上覆岩层裂隙演化规律研究

以淮南煤矿典型工作面为例,采用离散元数值软件UDEC(universal distinct element code)对工作面回采过程中上下煤岩体内应力场的变化及直接顶冒落过程进行了模拟,分析了上覆煤岩体裂隙产生、发展的形成过程,得到了上覆煤岩裂隙演化规律。研究结果表明,倾向方向工作面回采后,上覆煤岩体内产生冒落、裂隙带和离层带,在工作面内上角位置产生O型圈裂隙带,裂隙发育最大高度为45m。煤层走向回采方向得到了初期来压步距约50m,周期来压步距约20m,上覆煤岩体裂隙在采空区上方约呈45°角发展,并随工作面的前进由下向上、由后往前依次演变。该结果对于煤与瓦斯共采中瓦斯抽放钻孔方位的布置具有工程指导意义。     

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.     

矿山采动裂隙岩体地球物理场特征研究及工程应用

地下矿床开采引起采场围岩变形破坏产生采动裂隙,采动裂隙是矿山一系列灾害的根源,研究矿山采动裂隙岩体的地球物理场特征,提出可行的地球物理方法对裂隙岩体实施高精度高分辨率探测,对于防治矿山灾害发生,保障矿山安全,具有重要的理论意义和实际应用价值.本文通过理论分析、数值和物理模拟以及现场试验等技术途径,全面系统地研究了矿山采动裂隙岩体的地球物理场特征.主要研究内容、方法、结论及发现点如下： 1）根据覆岩变形破坏产生冒落带和裂隙带这一特征,建立煤层开采前和开采后电性数学模型,利用高精度有限单元法进行电场数值模拟．计算结果表明：采动裂隙引起煤层上覆地层的视电阻率变化,其影响范围较实际破裂范围大得多,基本上是覆岩冒裂带范围的两倍,其视电阻率值最大影响区为冒落带,变化率可达19％;在裂隙发育带,视电阻率的变化率可达10％～12％． 2）通过建立与实际采矿活动对应的相似材料物理模型,实施直流电阻率法的动态数据采集及反演计算,获得了覆岩采动裂隙的电场响应特征．选择采矿活动引起覆岩采动裂隙的4个关键时段,进行代表性的电场观测和计算分析．物理模拟结果表明：在覆岩变形破坏产生的裂隙带中,电场特征变化表现为正常场电阻率值升高2～3倍;而在冒落带中,电阻率值增加4～6倍;在弯曲变形带,采动过程中电性特征有一定的变化,主要表现为电阻率值略有增大． 3）利用相似材料物理模拟进行覆岩变形破坏的弹性波速度场响应特征研究,获得了覆岩采动裂隙的波场响应特征．建立与实际采矿活动对应的相似材料物理模型,进行煤层开采之前和开采之后两个不同时段对所模拟的岩层进行声波CT测量,反演计算所模拟岩层的波速场的分布．实验结果表明：在所模拟的覆岩破坏产生的裂隙带中,速度场变化表现为正常场值降低约10％～20％;而在冒落带中,采后很难接收到弹性波穿透的有效信号．在受开采影响但未破坏的采空边缘区,波速的升高是主要特征．4）结合含完整采空区的采区三维地震资料,全面分析了在煤层采空区、裂隙带及采动影响边界的地震波场特征．研究表明：对应采空区的位置,煤层反射波消失或能量变弱,覆岩层中出现波组零乱的反射波,能量弱,连续性差;对应支撑压力区,反射波组能量明显增强;对应采动影响带,包括上倾和下倾方向边界角范围内岩层的反射波能量明显减弱,局部出现反射空白带．根据这些特征可以划分采空区范围、采动裂隙发育高度、裂隙”天窗”、采动影响范围,为水体下煤炭资源开采以及岩层沉陷控制提供了可靠的地质依据和监测技术．5）建立煤层开采前以及开采后生成离层（离层充水、离层充气）的波场数学模型,利用有限差分法进行波场数值模拟．结合现场利用地震技术探测离层层位,分析了离层发育的具体位置及注浆充填离层带的效果,理论与实际相结合,并经实际检测．6）结合煤层开采底板岩体采动裂隙的动态弹性波CT现场实测试验,研究采动过程中采动裂隙产生过程与弹性波场的响应关系．探讨了动态探测方法的观测方案,确定关键观测时段和观测系统,根据CT反演的速度场特征,全面分析了底板岩体产生采动裂隙的速度场响应特征,在此基础上确定底板破坏裂隙最大发育深度,探测效果明显,为承压水上安全开采底板破坏监测提供了新的技术途径和地质保障．7）综合分析采动裂隙岩体的电性特征和波场特征,结合现场试验的结论和效果分析,提出了采动裂隙岩体地球物理方法监测初步技术体系．     

采空区上覆岩体裂隙分形规律的实验研究

以山西省霍州矿务局辛置煤矿2204采掘工作面为原型,利用相似材料模拟实验模拟采空区上覆岩体裂隙的形成过程扣分布状态,运用分形几何理论研究采空区冒落带、裂隙带和弯沉带岩体裂隙的分形规律。实验结果表明：上覆岩体裂隙分形维数随工作面推进经历了由小→大→小并趋于稳定的变化过程,开采结束且岩层基本稳定之后,其分形雏数为采动前分维值的0．5％-5％,且模型采空区边缘地带“三带”的分形维数值较采空区中心的分形维数值大。     

.煤层群覆岩裂隙带煤与瓦斯共采协同机制研究

煤层群采动覆岩裂隙演化与煤炭开采、卸压瓦斯渗流具有内在的联系,为建立煤炭开采与卸压瓦斯抽采(共采)的协同作用机制,阐明了共采协同的内涵,应用协同学理论建立了以单宽工作面煤炭日产量Q_m、覆岩裂隙带日扩展体积V和卸压瓦斯涌出量Q_g为协同变量的共采系统序参量方程,试验研究了覆岩裂隙垂向与水平扩展特征,建立了裂隙带发育体积演化模型,通过对序参量方程进行线性稳定性分析,建立了协同变量的相互影响机制.以沙曲矿为背景进行了共采协同机制应用研究,构建了24208工作面共采协同变量的相互影响机制.结果表明:裂隙钻孔抽采层位选择裂隙带日扩展体积V曲线拐点位置(距顶板19.5～22.6 m)较为合理.     

采煤面顶板覆岩破坏模拟试验研究

采煤工作面开采过程中"两带"高度值是指导矿井防水煤柱留设、保证矿井安全生产的重要参数,试验以内蒙古某矿3-1煤层首采面为地质模型,通过模拟其开采过程,运用并行电法系统,确定"两带"高度值及其变化特征。同时在给定边界条件和初始条件下,运用数值模拟方法,获得顶板应力变化分布图。综合分析模拟试验结果,判定该工作面回采过程中垮落带高度为40m,导水裂缝带最大高度为80m。根据不同时间电阻率分布图和垂向应力分布云图,可清晰分辨出煤层顶板覆岩破坏的过程和规律,可为煤矿安全生产提供参考。     

察哈素煤矿采空区覆岩"两带"高度研究

在煤层开采中,上覆岩层"两带"高度的确定对于矿井瓦斯抽采、水防治和顶板管理都具有重要的技术指导意义。本文采用现场冲洗液漏失量法和彩色钻孔电视孔内观测法,并与理论分析相结合研究了察哈素煤矿上覆岩层"两带"高度,结果表明:(1)垮落带高度为22.42～29.20 m,垮高比4.40～6.15;导水裂隙带高度为63.82～106.50 m,裂高比12.51～23.67,为了保证安全,取106.50 m为最大导水裂隙带高度,29.20 m为最大垮落带高度,察哈素煤矿属于超高导水裂隙带;(2)由同一个工作面的钻孔实测得到的"两带"高度比较吻合,由不同工作面地面钻孔实测得到的"两带"高度中,垮落带高度比较接近,而导水裂隙带高度差异较大;(3)钻孔实测结果与经验公式计算结果部分存在较大差异,提出在计算"两带"高度时应尽量考虑与其关系密切且重要的影响因素,使计算结果更接近于实际情况。     

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.