浅埋煤层群重复采动覆岩运移及裂隙演化规律研究北大核心

为了准确掌握单一煤层和煤层群开采覆岩裂隙演化规律及分布形态特征,通过物理相似模拟实验、现场钻孔勘探、理论计算等方法分析煤层开采过程中覆岩运移破断特征及采动裂隙的分布形态。结果表明:在重复采动条件下,覆岩出现离层裂隙和纵向裂隙并伴随超前裂隙的产生,形成“采空区-工作面”和“采空区-采空区-工作面”结构时,覆岩裂隙经历产生、扩张、闭合、再产生、贯通、再闭合等6个动态循环变化阶段;煤层群在一次采动时形成“梯形”裂隙区,二次及多次采动下,覆岩受上覆载荷作用,裂隙区向工作面两侧煤柱扩展,上煤层受本煤层边界煤柱和下煤层开采形成的“悬臂岩梁”支撑影响,使工作面两侧裂隙明显高于工作面中部,覆岩形成“M”形裂隙分布形态;覆岩受采动影响产生周期性破断,以单岩层或多岩层同时产生变形、运移、破断垮落,由此可见,覆岩中存在控制上部岩层的硬岩层和其控制岩层以组合梁的形式同步运移、破断。根据覆岩破断特征建立了基于Winkler弹性地基煤层群重复采动覆岩破断特征的组合岩梁力学模型,由模型计算得到覆岩裂隙演化高度和相似模拟实验及现场所测高度相近,由此表明,该模型可作为浅埋煤层群重复采动覆岩裂隙演化高度计算的依据。     

采空区充水活化及覆岩变形规律试验研究

为了研究充水情况下老采空区“活化”机理及覆岩运动规律,基于相似理论制作了采空区相似材料模型,通过人工注水的方式模拟采空区垮落带浸水状态,进行了煤层开采及充水条件下覆岩沉降变形观测,对采空区充水后上覆岩层变形规律、覆岩破坏形式进行研究。结果表明,煤层被开采后,自下而上会产生垮落带、断裂带和弯曲下沉带,采动破坏岩石会支撑上覆岩体,使得采空区边界存在空洞区域;煤层开采后的老采空区存在大量空洞、空隙,充水后采空区覆岩会发生“活化”,垮落带破碎岩石进一步压实,离层裂隙中间区域的压密程度高于两侧,随着充水时间延长,覆岩裂隙逐渐拓展,且采空区充水第一次观测时沉降量较大,之后岩层沉降量变化有减小趋势;采空区充水后垮落带上方岩层沉降量最大,覆岩越靠近地表,采空区充水对覆岩影响程度越小。     

浅埋综采工作面覆岩裂隙发育及漏风规律研究#br# #br#

浅埋煤层煤炭开采过程中,上覆岩层发生全厚切落产生垂直裂隙,使工作面、采空区出现漏风现象,威胁矿井的生产安全。为了分析该类地质条件煤层开采上覆岩层裂隙发育及漏风特征,基于南梁煤矿30100工作面实际地质条件,对30100工作面开采过程中的裂隙发展进行还原,通过物理相似模拟实验对采空区裂隙进行模拟演化,揭示了该类煤层开采过程中覆岩导气裂隙的发育规律过程,同时进一步采取数值模拟验证,提出了采取封堵防治措施可有效减少工作面漏风,并确定了封堵的粘滞阻力、距离、施工周期等参数,具有较高的可行性。     

浅埋综采工作面覆岩裂隙发育及漏风规律研究

浅埋煤层煤炭开采过程中,上覆岩层发生全厚切落产生垂直裂隙,使工作面、采空区出现漏风现象,威胁矿井的生产安全。为了分析该类地质条件煤层开采上覆岩层裂隙发育及漏风特征,基于南梁煤矿30100工作面实际地质条件,对30100工作面开采过程中的裂隙发展进行还原,通过物理相似模拟实验对采空区裂隙进行模拟演化,揭示了该类煤层开采过程中覆岩导气裂隙的发育规律过程,同时进一步采取数值模拟验证,提出了采取封堵防治措施可有效减少工作面漏风,并确定了封堵的粘滞阻力、距离、施工周期等参数,具有较高的可行性。     

叠加开采下浅埋煤层裂隙演化与连通特征

浅埋近距离煤层群上覆岩层受重复采动影响,裂隙叠加发育易形成采空区与地表连通。以典型近距离开采煤层群为例,采用物理模拟实验和数值分析的方法对上、下煤层开采过程中上覆岩层的裂隙演化时空规律和应力分布特征进行了模拟。结果表明:两煤层开挖结束后,裂隙高度呈驼峰式分布,沿倾向和走向方向的两侧上方形成了较为明显的应力集中区;上部煤层开挖结束后,最大竖向裂隙发育高度为75 m,但并未连通地表;随着下部煤层开挖,裂隙重复发育,裂隙高度随工作面推进逐渐增加,两侧裂隙率先与地表连通。     

长壁工作面采动覆岩层理开裂机理及侧向裂隙发育规律

长壁开采煤层覆岩下沉变形过程中,岩层内部形成弯曲应力,并可能沿抗拉和抗剪强度较小的层理开裂形成侧向导水通道。针对相邻采空区积水侧向渗漏引起的工作面突水问题,研究了长壁开采覆岩层理开裂机理,分析了侧向裂隙发育规律。首先基于Winkler弹性地基梁理论建立采动覆岩弯曲下沉挠度方程,考虑煤柱和采空区上覆岩层不同支承压力与破坏程度确定对应的上覆载荷和地基系数,给出各层位岩层的下沉、转角、弯矩和剪力曲线计算公式。在此基础上,将采动覆岩层理裂隙分为张拉离层裂隙和剪切错动裂隙,并根据岩层非同步弯曲下沉特征与组合梁理论计算岩层内部弯曲应力分布情况,提出了张拉离层裂隙和剪切错动裂隙发育判断依据,给出了覆岩任意层理面上侧向裂隙发育位置、长度和隙宽等参数的计算方法。最后以凌志达煤矿15102工作面工程地质条件为依据,计算了上覆各岩层的挠度曲线和弯曲应力分布,分析了采动覆岩层理裂隙发育规律。结果表明,15102工作面在区段煤柱上方发育有超过50 m的剪切错动裂隙,超过了15101和15102工作面之间区段煤柱最大宽度;采空区边界上覆岩层中剪切错动裂隙和张拉离层裂隙共同发育;采空区中部上覆岩层中主要为张拉离层裂...     

渗流作用下软弱覆岩相似模拟实验研究

针对含水层下采场软弱覆岩破坏特征及透水机理问题,利用二维物理相似模拟实验对其综放开采过程进行探究,分析了导水渗流区域的形成机理,探讨了导水优势路径的判断依据。实验探究表明:渗流作用下覆岩受采动破坏影响出现裂隙发育区,裂隙压实区和潜在裂隙区等裂隙运移区域。地表至煤层方向,自上而下覆岩裂隙率逐渐增大,水体沿着裂隙率较大的导水优势裂隙渗流至采空区。渗流区域在隔水层之上呈"漏斗状"分布,在隔水层下大致沿着岩层断裂线所形成的"破坏拱"分布,水流渗透痕迹由"破坏拱"从内至外逐渐消散。煤层走向方向上,涌水量的相对大小关系为开切眼一侧采空区上覆岩层停采面一侧。     

急斜煤层覆岩关键层对防水煤柱尺寸的影响

为了对水体下急斜煤层的安全回采提供依据,基于龙湖煤矿南二采区急斜煤层的水文工程地质和煤岩层赋存条件,采用离散元UDEC2D数值计算,分析了覆岩关键层对急斜煤层开采导水裂隙分布和防水煤柱稳定性的影响,结果表明:当上覆岩层无关键层时,急斜煤层开采导水裂隙呈“耳型”分布,而当上覆岩层存在关键层时,导水裂隙以平行于岩层层面的离层裂隙为主,且随着煤层采厚的增加呈抛物线型增大趋势,硕板初次破断后导水裂隙向关键层及其上方岩层发育;急斜煤层覆岩关键层的存在,将明显增大防水煤柱的抽冒范围,水体更易沿防水煤柱塑性破坏区渗流进入工作面采空区.据此,现场设计了分带仰斜充填开采方法,并采取了加固防水煤柱的措施,有效确保了水体下急斜煤层的安全回采.     

浅埋煤层开采数值模拟及顶板突水危险性分析

为实现伊犁矿首采面煤层安全开采,对其上覆岩层运动特征进行研究,分析其顶板突水危险性。利用UDEC软件进行数值模拟,分析随着工作面的推进,上覆岩层的破裂过程和来压特点。分析物理模拟上覆岩层运动特征,得到裂隙带高度随工作面推进而增大、裂隙带高度与采空区跨度有非线性关系等规律。分析首采面顶板充水条件,结合裂隙带高度发展规律,认为首采面顶板突水危险性较小。研究结果为矿区首采面煤层安全开采提供理论依据,同时,为制定防治水措施提供科学依据。     

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。     

浅埋近距煤层覆岩导水裂隙发育规律固液耦合试验研究

为弄清浅埋近距煤层采动覆岩导水裂隙发育规律,设计了固液耦合相似模拟试验,分析了浅埋近距煤层开采过程中覆岩导水裂隙发育规律及隔水层弥合特征。下煤层开采过程中,浅埋近距煤层上煤层开采后已压实稳定的覆岩导水裂隙会二次发育,不同开采区域的覆岩导水裂隙发育程度不同。采动隔水层裂隙发育与其遇水膨胀是同步动作的。开采边界的隔水层裂隙在上煤层开采过程中遇水膨胀后能够弥合,在下煤层开采过程中由于遇水膨胀能力不足而无法弥合。采空区中部的隔水层裂隙在岩层回转挤压和隔水层遇水膨胀共同作用下能够弥合。     

潘一东矿近距离煤层上行开采围岩裂隙演化规律模拟研究

结合潘一东矿深部煤层开采的具体工程地质条件,运用相似模拟、数值模拟相结合的方法,分析研究了深部煤层上行开采过程中,岩层破坏断裂、裂隙演化及下沉变形特征,进一步分析了岩层下沉变形曲线与岩层断裂、裂隙发育和受力状态的关系。研究表明:下煤层和上煤层开采过程中,岩层裂隙富集区主要分布在切眼向采空区内一定距离斜向上一定距离范围内和煤壁向采空区内一定距离斜向上一定距离范围内的岩层中;采空区正上方岩层经历一个裂隙产生、扩展、闭合的演变过程;下煤层开采时,煤壁处岩层断裂角小于切眼处;上煤层开采时,煤壁处岩层断裂角随两煤层工作面位置不同,经历一个先增大后减小的过程;岩层整体下沉曲线斜率不同区域与岩层裂隙发育情况及受力破坏状态是有密切联系的。     

煤层覆岩破坏特征对承压水上安全开采的影响

通过承压水上煤层带压开采的相似模拟试验,分析采空区内底板隔水岩层垂直方向应力分布情况及变形特征,获得采空区内底板隔水岩层垂直方向位移值的变化规律。结果表明:老顶初次来压后,覆岩裂隙带高度逐渐增加,在采空区内底板岩层表面形成的压力也逐渐增加;当底板表面形成的压力较小而无法抑制住下伏承压水压力时,采空区内底板隔水岩层垂直方向位移值随工作面推进逐渐增大。因此,在评价承压水上安全开采时,需要考虑老顶初次来压后,煤层覆岩随工作面推进时的破坏特征。     

动压影响下上覆岩层导水裂隙发展研究

针对15号煤层上方存在4号煤层采空区积水安全隐患问题,以首采15101工作面工程地质情况建立相似模拟模型,对动压影响下15号煤层上覆岩层破断及导水裂隙发育过程进行研究,以确定导水裂隙发育高度及渗流规律,以为工作面安全高效回采提供理论支持。     

近距离煤层蹬空开采底板应力分布规律

近距离煤层刀柱式采空区上方进行综采回采工艺时,由于其残留煤柱上覆岩层垮落不充分,在采动压力作用下,造成下煤层老采空区残留煤柱失稳,形成应力集中区,进而引起残留煤柱上覆岩层不规则垮落破坏,造成综采工作面底板岩层失稳,威胁综采工作面安全生产。针对唐山沟煤矿刀柱式采空区上方8#煤层回采实际,对其工作面底板进行受力分析,确定出工作面安全长度,并运用UDEC数值模拟对刀柱式采空区上方工作面应力及底板塑性区进行了分析。     

近距离采空区下开采覆岩移动规律相似模拟研究

通过实验室相似材料模拟试验,分析了近距离采空区下进行采煤,上覆岩层的破坏状况和支承压力分布规律,以及顶板冒落和采动裂隙发育的特征。分析了上覆岩层来压规律对煤炭开采过程中的安全影响,以此为在采空区下安全采煤防止上覆岩层裂隙水的侵入提供有效的理论和实践上的依据。     

综放条件下上覆岩层及采空区内瓦斯涌出特征浅析

针对综放开采条件下工作面前方及采空区上方采动裂隙场中的瓦斯运移规律随着回采推进过程发生改变的情况,在对煤壁瓦斯混合气体涌出、落煤瓦斯涌出、采空区遗煤瓦斯涌出和临近煤层及围岩瓦斯涌出进行分析的基础上,从理论角度进一步对采动条件下上覆岩层以及采空区内的瓦斯流动与汇集特征进行了分析。     

浅部多煤层开采形成的老采空区地表兴建建筑物可行性研究

以北票矿区某浅部多煤层开采形成的老采空区地表兴建建筑物地基稳定性评价为例,结合老采空区塌落、上覆岩层压密及裂隙分布情况,从覆岩厚度、建筑物荷载对老采空区覆岩的影响、地表非均衡破坏以及地表残余变形的预计进行了分析,对地表兴建建筑物可行性进行了研究.研究结果表明,即使老采空区裂隙带处于建筑物载荷的影响范围之内,对地表残余变形及非连续变形发生情况充分预估,对拟建建筑物采取相适应的抗采动影响措施,或者对可能造成地表出现非连续变形的未塌落采空区进行处理,在浅部老采空区地表兴建建筑物是可行的.     

煤层间距对采空区下顶板运动规律影响特征分析

为了尽可能地避免上、下采空区的贯通,采用了数值模拟的方法,针对不同煤层间距下,随着采空区下工作面的不断推进,研究上覆岩层的离层空间、动压显现特征以及"三带"裂隙高度。模拟结果表明,随着煤层间距不断增加,在工作面上方顶板岩层中的拉伸破坏单元逐渐的增多,加剧了采空区下坚硬顶板的垮落和断裂,同样减小了顶板的断裂步距。     

覆岩采动裂隙中瓦斯运移三维实验台的研制与应用

为研究煤层开采后瓦斯在上覆岩层裂隙中的运移规律,研制了瓦斯运移三维实验台,解决了不同煤层采高、不同通风量条件下卸压瓦斯在覆岩裂隙中运移规律的问题。在该三维实验台上进行瓦斯运移的实验研究表明:在采空区深度方向上,采空区起始段的瓦斯浓度较低且上升趋势较缓,在采空区深部,瓦斯浓度继续增大,并趋于稳定;在采空区高度方向上,瓦斯在密度差作用下进行升浮运动,导致采空区上部的瓦斯浓度高于底板附近的瓦斯浓度。实验结果与现场实际高度吻合。