厚松散层薄基岩采动诱发水砂流运移特征试验

利用自制的水砂流运移及突涌模型进行试验,模拟了采动覆岩体裂缝通道中水砂流的运移与突出过程,研究了煤层开采水砂混合流运移特性。根据煤层采动引起覆岩破坏形成的垮落带、导水裂缝带通道情况,将水砂混合流运移通道侧壁面分为平直光滑无充填的、粗糙起伏无充填的及有充填软弱泥质物质的 3 类,并针对这几种形态进行了模型试验。试验以 0.05 MPa 和 0.1 MPa 水压力条件下的不同通道裂缝宽度、不同倾角、不同通道侧壁形态为例,揭示了孔隙水压力在裂缝通道中不同位置的变化特征。突水涌砂在采空区是瞬间发生的,在裂缝通道内,根据孔隙水压力的变化,将水砂混合流运移过程分为相互关联的 3 个阶段：上升阶段、稳定阶段及突出阶段;总结了水砂混合流突出阶段的水压力变化曲线的特征,划分出了 3 种水砂突出类型：直泻式突出型、跳跃式突出型和缓坡式突出型。由此,探索了水砂混合流运移特征及动力机制。     

西部弱胶结地层大采高工作面覆岩结构演化与矿压活动规律研究

随着我国西部大开发的快速发展,近期西部大批开采弱胶结地层煤炭资源矿井陆续建成投产,弱胶结地层天然的禀赋条件决定了其物理力学性能与中东部岩层有明显的差异,开采实践表明弱胶结地层大采高工作面矿压活动规律与中东部大采高工作面矿压活动规律也有一定的差异。因对弱胶结地层性能和工作面矿压活动规律认识不清,导致弱胶结地层大采高工作面开采时常发生大面积冒顶、台阶下沉、溃水溃沙、支架压死等事故。因此,弱胶结地层大采高工作面覆岩运动、三带分布、支架选型等矿压问题亟需解决。以红庆河煤矿弱胶结地层大采高工作面开采为工程背景,通过室内实验、数值模拟、相似材料模拟、理论分析及现场实测等方法,研究了弱胶结岩石物理力学性能及其与中东部岩石的差异性,统计了弱胶结煤系地层地域分布;分析了弱胶结岩石受开采扰动在采空区破碎、冒落、充填、崩解、压实、固结的变形规律;构建了弱胶结地层大采高工作面覆岩结构演化模型,揭示了弱胶结地层大采高工作面冒落带分布特征及其与裂隙带协同演化规律;研究了围岩–支架之间的作用机制,给出了弱胶结地层大采高工作面支架工作阻力计算方法。取得主要研究成果如下:(1)弱胶结岩石具有强度低、胶结性差、遇水泥化、易崩解等特性,我国新疆、神东、蒙东、宁东、陕北等煤矿区具有弱胶结地层开采条件,基于弱胶结岩石的力学参数、物理参数、成岩年代等因素,对西部典型矿区弱胶结岩石进行了变异性评价。(2)针对弱胶结岩石与中东部岩石碎胀性、崩解性的差异,通过碎胀实验和崩解实验,研究了弱胶结岩石的初始碎胀性、残余碎胀性特征及其耐崩解特征,揭示了弱胶结岩石强碎胀、易崩解的特性。(3)针对西部弱胶结岩石物理力学性能与中东部岩石的差异性,通过实验和理论分析,研究了开采扰动作用下弱胶结岩石变形、破坏、冒落、崩解、压实、固结等特征,分析了弱胶结岩石破碎–冒落–充填–崩解–再破碎–压实–固结的变形规律,揭示了弱胶结地层冒落充填体的变形演化机制。(4)以红庆河煤矿3–1煤首采面为工程背景,通过相似材料模拟、数值模拟及理论分析,研究了弱胶结地层大采高工作面覆岩运动规律及应力场分布规律,获得了覆岩由下至上层层递进的冒落特征,揭示了覆岩裂隙萌生–发展–贯通的岩层破坏机制。(5)根据弱胶结地层的物理力学性能和充填体变形机制,通过相似材料模拟和理论分析,研究了弱胶结地层大采高工作面覆岩变形、运动规律,建立了弱胶结地层大采高工作面覆岩裂隙演化模型,研究了三类顶板结构下大采高工作面冒落带分布特征,获得了弱胶结地层大采高工作面冒落带分布规律,揭示了冒落带与裂隙带协同演化机制。(6)根据弱胶结地层大采高工作面"三带"分布特征和演化规律,研究了弱胶结地层大采高工作面矿压活动规律,分析了支架–围岩之间相互作用机制,给出了弱胶结地层大采高支架工作阻力计算方法,现场实测数据初步验证该方法的合理性和实用性。论文初步探索了弱胶结岩石的物理力学性能、弱胶结地层大采高工作面覆岩结构演化规律及三带分布规律,但受西部矿区地域辽阔及复杂地质条件的影响,下一步还需要针对一个矿区内弱胶结岩石的物理力学性能进行深入研究,并开展大量的现场矿压观测,进一步揭示西部弱胶结地层大采高工作面矿压活动规律。     

煤矿覆岩空间结构OX-F-T演化规律研究

 煤矿工作面高强度、大尺度快速推进,导致采场覆岩运动范围增大,空间结构复杂。多工作面情况下,工作面与采空区覆岩结构协同运动,相互影响,造成的矿山动力灾害,称之为覆岩空间结构失稳型动力灾害。根据工作面上覆岩层边界状态的不同,将覆岩空间结构分为OX,F与T型3类。研究OX-F-T演化特征,即顶板O-X破断形成的OX结构为覆岩基本形式,同时又作为相邻工作面的边界条件,一侧为OX结构形成F型覆岩结构,两侧存在OX则形成T型覆岩结构。阐述不同结构的断裂运动规律,并将各结构进行详细分类。利用现场SOS微震监测系统,分别选取代表OX,F与T覆岩结构的单一工作面、双工作面、孤岛工作面,分析各工作面开采过程中的震源分布规律。针对不同覆岩结构特征,提出不同的防治措施,为冲击震动的预防工作提供理论指导。     

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。     

砂土基型浅埋煤层保水煤柱稳定性数值模拟

浅埋煤层间歇开采保水采煤的关键是确定工作面的合理推进距离和煤柱尺寸,通过相似材料模拟已得到工作面的合理推进距离,并为实践所证实。以相似材料模拟所得到的工作面推进距离与覆岩裂隙高度关系为依据,建立了数值模拟模型,以计算工作面合理的煤柱尺寸。运用ALGOR有限元程序,模拟了基岩厚度30m以下、土层20m以下的砂土基型和基岩厚度30m以上、土层20m以上的砂土基型2种类型的工程地质条件,通过煤柱上的米赛斯应力分布、上覆岩层的拉应力分布以及顶板的下沉量等模拟结果分析,判断了煤柱和覆岩的稳定性,得出了不同基岩厚度工作面实现保水开采的合理推进距,这对实现陕北砂土基型地质条件下的保水采煤和矿区荒漠化防治具有重要意义。     

双系煤层孤岛结构对工作面矿压显现影响研究

为了确定大同矿区侏罗系煤层群开采形成的孤岛覆岩结构对石炭二叠系工作面开采矿压显现的影响,以同忻矿8104、8106工作面为研究对象,通过理论分析确定侏罗系煤层群开采孤岛覆岩结构的形成条件,构建FLAC^3D数值模型,分析孤岛覆岩结构对石炭系煤层应力控制及矿压显现特征,并结合微震监测数据进行了合理验证。研究表明:当侏罗系煤层遗留煤柱宽度≥22.3 m时可形成孤岛覆岩结构,煤柱宽度为80 m时,孤岛覆岩结构对石炭系煤层工作面影响达到峰值;数值模拟说明8106工作面及5105巷道受到孤岛覆岩结构影响,其矿压显现强度及范围明显增大,围岩应力最大增至40 MPa;微震监测显示8104工作面推进孤岛覆岩结构过程中,个别微震事件能量级别达到了10⁶ J,具备了诱发冲击地压发生能量条件。     

一种氡气地表探测覆岩采动裂隙综合试验系统研制与应用

 在概述现有关于覆岩采动裂隙发育特征方面研究现状和总结氡气现有工程应用领域的基础上,首次尝试将氡气的地球物理化学特性应用于采矿工程领域,将放射性测量方法引入到地下煤炭开采覆岩采动裂隙发育过程及其含水性方面的探测,并独立自行研制氡气地表探测覆岩采动裂隙综合试验系统。该综合试验系统具有拆装简便,物理模拟模型铺设方便,在同一物理模拟试验台架上可快速实现二维或三维物理模拟试验等优点。将该综合试验系统应用于神东矿区大柳塔煤矿11203工作面开采二维相似物理模拟试验中,模拟得出覆岩采动裂隙动态演化特征及其与氡气浓度变化二者之间的对应规律。同时,该试验也进一步地验证采用氡气地表探测覆岩采动裂隙的可行性。     

一种可模拟不同倾角含水煤层充填注浆试验装置

通过模拟不同倾角含水煤层充填注浆试验装置,为实际的开采工作提供可靠的依据,避免或减少沉陷灾害发生。此装置通过对煤层上部覆岩移动特征的模拟试验模拟充填开采环境,将模拟试验得到的数据通过信息处理系统处理,为实际的开采工作提供可靠的依据,避免或减少沉陷灾害的发生。     

近松散层开采孔隙水压力变化 及其对水砂突涌的前兆意义

 开采沉陷离心模型试验表明,采空区和煤柱上方的黏土层中的孔隙水压力在煤层开采之后,出现积聚和消散现象,超静孔隙水压力增量最大可达垂直自重应力的15%～22%。采动孔隙水压力监测模型的试验表明,采动引起的承压含水层中孔隙水压力的变化特点同煤层开采进度以及顶板周期来压密切相关,煤柱上方含水层中孔隙水压力一般表现为先升高后降低,工作面上方含水层中孔隙水压力变化与开采位置有关,当工作面通过测点下方时,孔隙水压力出现明显的下降,当测点处于采空区中部时,孔隙水压力升高并会保持一段时间。采后顶板下沉期间各测点孔隙水压力均呈下降趋势。突砂模型试验表明,一旦抽冒或形成水砂突涌后,含水层内孔隙水压力表现为剧烈下降并形成瞬时负压,水压下降后随突涌过程发展保持在某稳定水平上,突砂口附近呈现相应的水力坡降。由以上试验结果可知,孔隙水压力可以作为近松散含水层开采溃砂灾害预警和监测的重要前兆信息源。     

地铁隧道涌水涌砂诱发地面塌陷的大型模型试验研究

为研究地铁隧道涌水涌砂诱发地面塌陷的发生机理，研制水渗流作用下隧道大型模型试验系统，以青岛黄岛区地铁涌水涌砂灾害为例，再现了地铁隧道涌水涌砂诱发地面塌陷的灾害演化发生过程，进一步揭示涌水涌砂诱发地面塌陷的发生机理，在此基础上基于椭圆理论建立涌水涌砂过程中地面最大沉降值的理论预测公式。研究结果表明，地表变形与涌水涌砂具有良好的相关性和滞后性。在涌水涌砂诱发地面沉降过程中，地表变形将经历缓慢变形、急剧变形、地面坍塌3个阶段。地表缓慢变形阶段，灾害影响范围内地表位移缓慢增加，土体土压力及黏土层内测点渗压基本保持不变，而涌水点附近渗压在动水压力作用下逐渐升高。地表急剧变形阶段，土压力和地表位移急剧增加，涌水点附近渗压呈断崖式衰减，而黏土层内测点渗压快速增加，均具有显著的土体塌陷前兆信息，也反映土体塌陷灾害的瞬时特征。地面塌陷阶段，地表变形、土体土压力、涌水点附近渗压基本保持不变。地铁隧道涌水涌砂诱发地面塌陷模型试验研究结果对类似工程防治具有一定的指导意义。     

Investigations of water inrushes from aquifers under coal seams

In many coal mines, limestone-confined aquifers underlie coal seams. During coal extraction from these mines, water inrushes occur frequently with disastrous consequences. This paper introduces the hydrogeological conditions of the coal mines and the potential water inrush disasters from aquifers under coal seams. It then presents the water inrush mechanism. The main factors which control water inrushes include strata pressure, mining size, geologic structures and the water pressure in the underlying aquifer. Analysis shows that reduction of confinement due to mining is the major cause of the water-conducting failure in the floor strata. The depth of the failure zone is strongly dependent on the mining width. This paper also presents field observation results of the water-conducting failure in the floor strata, and applies the finite element method coupled with stress-dependent permeability to analyze hydraulic conductivity enhancement due to coal extraction. Finally, theoretical and empirical methods to predict water inrushes are given, and technical measures for improving mine design and safety for coal extraction over aquifers are presented. These measures include fault and fracture grouting and mining method modification such as changing long-wall to short-wall mining.     

近松散层采煤覆岩采动裂缝水砂突涌临界水力坡度试验

以带不同尺寸裂缝的混凝土块模拟采动裂缝岩体,以黏土、粉土、粗砂和砾砂配制不同颗粒组成的7种土样,采用改装的渗透仪,对松散层经过采煤上覆垮落带和裂缝带发生渗透变形破坏的类型和机制进行研究,得出采煤垮落带和裂缝带上覆松散土层发生从上往下渗透变形破坏的临界水力坡度与土层粒度成分、物理力学性质和裂缝尺寸的关系.试验结果表明,黏粒含量较少的粉土、粗砂、砾砂比较容易发生水砂突涌,土的d50小于裂隙宽度的1/10时,容易出现潜蚀甚至涌(突)砂现象;当临界水力坡度大于1时,同一种颗粒组成的土样重度越大,液性指数越小,土的黏聚力越大,则临界水力坡度越大;同一种土样发生通过裂缝的渗透变形破坏时,裂隙宽度越大,临界水力坡度越小,发生破坏的临界水力坡度随裂缝宽度的增大呈指数下降.试验还获得溃砂时水砂涌出量与裂缝的宽度和初始水头高度的关系,在相同初始水头条件下,随着突砂口尺寸的加大,突砂量基本呈线性增加;在相同突砂口张开的情况下,涌砂量随着初始水头增大而增大.发生水砂突涌的涌出物中含砂量随时间延续逐渐减少.由此可见,含水层的初始水头和突砂口张开程度是控制矿井工作面突砂量的关键因素.     

巨厚岩层–煤柱系统协调变形及其稳定性研究

以山东济宁高庄煤矿巨厚岩层条件下留设大煤柱的工作面回采安全性为背景,采用理论分析和工程实践等方法,研究巨厚岩层–煤柱系统的协调变形模型及其稳定性。主要研究内容和结论:(1)在满足煤柱顶板岩层断裂线因素和支承强度因素的情况下,煤柱能够"隔离"采空区并对巨厚岩层及其覆岩结构形成"支撑"作用;(2)以巨厚岩层挠曲变形和煤柱竖直方向"压缩"变形为基础,建立巨厚岩层–煤柱协调变形力学模型,分析煤柱竖直变形的应力来源、形式和整体协调变形机制,得到巨厚岩层–煤柱系统协调变形的应力–应变关系;(3)探讨巨厚岩层–煤柱系统失稳类型、判据和对井下动力灾害发生的影响,提出灾害防治技术。运用研究成果分析3上1102工作面采前巨厚岩层–煤柱系统稳定性,并对灾害进行预测,根据回采阶段微震监测结果与动力显现情况,初步验证了研究的合理性,通过实施针对性预防措施,最终实现了工作面"有震无灾"的安全回采目的。     

浅埋煤层覆岩隔水性与保水开采分类

 通过陕北浅埋煤层保水开采的模拟研究与采动损害实测,揭示采动覆岩裂隙主要由上行裂隙和下行裂隙构成,采动裂隙带的导通性决定着覆岩隔水层的隔水性。实验分析上行裂隙带发育高度的计算公式,模拟测定下行裂隙带的发育深度。基于采动裂隙发育程度与采高和隔水岩组的关系,提出以隔采比为指标的隔水性判据,由此将保水开采分为自然保水开采、可控保水开采和特殊保水开采3类,为浅埋煤层保水开采提供科学依据。     

浅埋房式采空区下长壁采场动载矿压发生机制

为了揭示浅埋房式采空区对下位煤层开采矿压显现的控制机制,降低工作面过房式采空区的动压显现强度和压架风险,以神东矿区霍洛湾煤矿2-2煤层房式采空区下3-1煤层长壁开采工作面动压特征为研究对象,将3-1煤层覆岩结构分为四类,利用理论分析和相似材料模拟等方法,系统研究了不同覆岩结构类型运动特征、力学模型及对3-1煤层长壁工作面的动压控制机制。结果表明:房式采空区稳定房柱下易形成上下位关键层双悬臂梁结构,双悬臂梁结构协同失稳是形成动载矿压的主要原因;房柱失稳区主关键层形成的不稳定砌体梁结构及靠近大煤柱未失稳的房柱随下位煤层开采滑落失稳是导致长壁工作面动载矿压发生的原因;当3-1煤层工作面上覆前方为房柱失稳区时,工作面推出集中煤柱时的动载矿压是由于大煤柱两侧关键块已提前滑落失稳,两关键块间无作用力,倒梯形岩柱与亚关键层联合失稳作用结果;当3-1煤层工作面上覆前方为房柱稳定区时,工作面推出集中煤柱时,动载矿压是由房柱失稳所致。     

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。     

采场覆岩变形与破坏的分布式光纤监测与分析

提出了采用BOTDR分布式光纤传感技术,对煤层采动过程中覆岩变形与破坏的发育规律进行了监测和分析。以淮南矿区某工作面为例,介绍了监测孔的布置方式和传感光缆的安装方法,提出了采用钻孔安装技术将传感光缆植入到煤层顶板覆岩中,根据工作面回采进度,定期采集传感光缆的应变分布,分析了光缆的应变分布特征及其变化规律,得到了应变分布与地层的对应关系,发现应变分布是不均匀的,传感光缆的应变变化与覆岩模量呈反比,揭示了覆岩变形与破坏的发育规律。根据光缆的应变分布特征、传感光缆光损耗较大的点或者断点所处的层位,结合13-1煤覆岩的岩性组合,得到了垮落带和导水裂缝带的发育高度分别为12.5 m和40.0 m。     

底板突水危险性评价专家系统及应用研究

 矿井底板突水危险性评价涉及到水文地质、工程地质、开采条件及岩石力学等诸多因素,是一个复杂的理论与技术问题,底板突水危险性评价专家系统正是针对这一难点,将底板突水领域专家经验和理论成果等与计算机人工智能技术相结合,采用突水系数法和突水优势面两条推理途径,提出并运用典型突水案例加权类比的推理策略,初步具备了底板灰岩岩溶发育状况与隐伏断裂构造的预测功能。系统建立内容较为丰富的典型突水案例、专家经验、突水研究理论成果和防治水措施等四类知识库,能够对矿井是否会发生底板突水、突水点位置以及突水类型等做出预测与评价,并具有较强的咨询功能。应用该系统进行实际突水案例的模拟分析,评价结果与实际情况吻合较好。底板突水危险性评价专家系统将对矿井底板水害防治具有一定的实用价值。     

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。