工作面坚硬顶板水力压裂对采动应力影响的数值模拟研究

水力压裂技术已经广泛在煤矿应用于处理工作面坚硬顶板问题,但其卸压机理并不十分明确.采用ELFEN数值模拟方法研究工作面坚硬顶板水力压裂处理对采动应力的影响,探讨卸压机理.数值模拟结果显示:对工作面顶板的水力压裂处理,主要是弱化顶板的完整性,使其在工作面推进后能够及时垮落,这种局部垮落,虽然不会显著影响支承压力分布特征,...     

硬厚覆岩正断层附近采动应力演化特征

硬厚覆岩断层影响下采动应力出现奇异性。采用三维数值模拟方法,研究了工作面向正断层推进、上盘工作面沿正断层布置的采动应力演化特征。研究表明:断层显著削弱了硬厚覆岩的采动应力传播,应力阻隔效应十分突出,顶板断层带处于低应力状态,底板断层带处于应力集中状态。上盘工作面向正断层推进时,工作面与断层之间覆岩呈"倒楔形",采动应力高,是灾害防治的重点区域;断层外侧覆岩呈"楔形",采动应力低于原岩应力。下盘工作面向正断层推进时,断层两侧采动应力不高。在断层带影响下,工作面端头外侧煤体上形成强承载区。上盘工作面沿正断层走向布置时,在断层煤柱和工作面前方形成高应力集中区,回采巷道采动应力集中突出,是重点治理区域。     

深部采场采动应力、覆岩运移以及裂隙场分布的时空耦合规律

以淮南矿区3个典型的深井工作面为工程背景,运用数值模拟、相似模型试验和现场监测的综合研究方法,对深部采场采动应力、覆岩运移以及裂隙分布的动态演化特征和时空耦合规律进行系统研究,相应探讨了采动应力场、覆岩位移场及顶板裂隙场的动态响应机制。研究发现:采动应力受开采进度影响明显,工作面见方前后20 m的范围为应力显著影响区,两者之间具有动力响应的瞬变演化特征。覆岩运移具有很强的时空观,同一层位的岩层随推进时步增加垂直位移近似成"Z"字型分布。顶板塑性区的破坏范围与推进度保持同步协调关系,扩展空间由下及上,破坏深度由表及里,影响时间由短变长。顶板破断具有瞬时突变、分段延伸和分区迁移的时空特点,覆岩裂隙场经历了卸压失稳、张裂破坏、萎缩变小、拟合封闭的时空演变过程。现场监测获得了推进时间与覆岩破坏的采动响应模式,研究结论为深部煤岩动力灾害的防控提供理论参考。     

工作面煤层瓦斯压力与采动应力的耦合效应

依据煤层采动应力及瓦斯压力的现场实测,应用数值模拟、数力学理论分析方法,对工作面煤层瓦斯压力与采动应力的相互作用进行了深入研究。研究表明:煤层瓦斯压力与采动应力具有典型的耦合效应,且呈正相关性,瓦斯压力峰值位置超前于采动应力;在瓦斯压力峰值前瓦斯压力随采动应力呈现"双增"状态,易失稳引起动力灾变,是煤岩瓦斯动力灾害重点防治区域;依据含瓦斯煤吸附变形与孔隙表面自由能的内在关系,构建了含瓦斯煤采动应力-瓦斯压力互馈效应的数力学模型,揭示了煤层瓦斯压力与采动应力耦合作用的力学机理。     

煤层底板采动应力分布及破坏特征

基于弹性理论建立了沿煤层走向采动底板受力力学模型,计算了煤层回采过程中底板内任一点处的剪应力大小。根据武所屯煤矿16105工作面采场条件,利用FLAC~(3D)数值仿真软件对工作面回采过程中底板的应力分布规律进行流固耦合数值模拟。研究表明:煤层回采后,采空区底板垂直应力等值线呈椭圆型分布,采空区底板垂直应力向底板深部先迅速减小后缓慢增加,且增加的幅度越来越小。工作面两侧采动底板剪应力等值线大致呈泡型分布,当工作面推进至工作面见方(工作面推进距离等于其斜长)期时,底板剪应力达到峰值12 MPa,此时底板剪切破坏最为严重,同时还模拟计算了16105工作面底板的最大破坏深度为15 m。     

不规则孤岛工作面采动应力演化特征

本文以不规则孤岛工作面为研究对象,通过数值模拟,对工作面在回采期间应力的演化规律进行了分析.结果表明工作面的变化会造成采动应力传播的突变,工作面向不规则处推进时应力变化程度更大.工作面推进时导致采动应力在不规则巷道处更大,不规则处是防治冲击地压的关键.不规则孤岛工作面沿空送巷可有效降低应力集中程度,为类似工作面的回采提...     

千米深井超长工作面采动应力旋转轨迹及其推进方向效应

随着浅部煤炭资源开采殆尽,深部煤炭资源开发成为我国东部矿区面临的一大难题.深部矿井具有高应力、强扰动、节理裂隙发育等特点,导致煤壁高程度片帮、顶板大范围漏冒、巷道大变形破坏等围岩失稳现象频发,威胁安全生产.为提高深部开采围岩控制效果,以安徽省口孜东矿千米深井超长工作面为工程背景,采用现场实测、室内实验、数值计算和理论分...     

基于应力解除理论的三维采动应力测量模拟分析

为更好测量采动围岩三维应力大小,较全面获得巷道开挖过程中的采动围岩三维应力张量变化情况,采用应力解除理论方法监测采动应力,通过ANSYS建模对真实巷道工作面开挖推进中测点采动应力钻孔测量进行有限元模拟。得出测点在巷道开挖推进过程中三维采动应力变化分布情况,并分析应力解除法理论模型应用于原岩应力与采动应力测量不同时段误差情况,得出采动开挖阶段,受应力分布差异,误差较大,并具有一定规律性。     

跨采底板大巷围岩应力演化特征及压裂卸压控制研究

针对跨采底板巷道变形大、难以维护难题,以祁南煤矿跨采东翼底板轨道运输大巷为工程背景,采用FLAC^3D数值模拟与现场实测相结合的方法,研究工作面跨采过程中底板巷道围岩应力场分布及煤层底板岩层破坏特征,确定合理的压裂层位与时机,分析不同压裂参数下巷道围岩应力转移规律,提出压裂卸压控制技术方案。研究结果表明：随着底板巷道与回采工作面水平距离的减小,巷道围岩应力集中程度与高应力区范围明显增大,导致巷道围岩变形加剧;压裂工作应在煤壁前方底板高应力区与巷道围岩高应力区贯通前完成;巷道上方粉砂岩作为主要承载和施载层,是压裂的关键层位;压裂卸压后,煤壁前方高应力区由巷道向压裂区转移,随着压裂区宽度增大,巷道两帮垂直应力峰值逐渐降低并趋于稳定;合理的压裂区范围为巷道左侧宽14 m、右侧宽10 m。现场工业性试验表明,岩层压裂卸压对跨采底板巷道围岩稳定性控制效果显著。     

高家堡煤矿104工作面采动应力分布及防冲设计

为了降低回采过程中的冲击危险性,以高家堡煤矿104工作面为研究背景,采用数值模拟的方法模拟工作面回采至一次见方、二次见方期间采场和巷道的应力分布情况。结合104工作面埋深超过千米、煤层和顶板具有冲击倾向性、周围存在断层构造等工程条件,确定了高应力区域,为防冲设计提供了参考依据。结果表明:104工作面回采期间整体静载应力较大,在回采至一次、二次见方阶段时煤壁中的应力值最大达到7.93 MPa,应力集中系数达到2.47;从塑性区分布情况来看,在该顶板和采高条件下,裂隙带演化高度约为25 m,地表下沉量较小。分析认为,加强见方阶段工作面矿压观测、围岩控制和解危卸压措施,可以大大降低动力事故的危害。     

唐口煤矿采空区覆岩运动规律及采动应力分布特征

以唐口煤矿530采区及相关工作面为背景,采用现场监测、数值模拟、理论计算相结合的研究手段深入研究采空区覆岩运动规律。通过分析岩移观测数据,以地表下沉速率作为地表稳沉的临界值,推测出530采区地表稳沉时间,确定了5307工作面超前应力及侧向应力范围,为类似条件下煤层安全开采提供理论指导。     

基于采动应力监测的深部动力灾害预测技术

随着浅部煤炭资源的日益枯竭,煤炭开采逐步向深部发展。深部煤岩体所处的"三高一扰动"的特殊地质力学环境,导致用传统的围岩支撑压力分布曲线确定应力分布形态必然会出现较大偏差。本文通过对采动应力的理论分析,得出垂向采动应力的异常是引起工作面前方煤岩体采动灾害的重要原因。设计了采动应力监测方法,利用采动集中应力梯度实现了不同测点应力传感器监测值的可比性,并提出了采动应力监测范围应尽可能大和测点布置方案。     

断层附近回采工作面采动应力分布规律研究

为了保证断层附近回采工作面的安全生产,必须了解该断层对工作面的采动应力分布规律。通过数值模拟,分析研究断层附近的回采工作面采动应力分布规律。结果表明:断层的存在不仅影响到应力峰值,而且影响到支承压力分布形式和分布范围,使得应力峰值向煤壁转移,应力分布范围减小。     

不规则采场应力分布特征的面长效应

为了研究煤层开采过程中采场覆岩破坏与超前应力之间的关系,采用FLAC3D软件对不同面长条件下采场前方支承压力与水平应力的分布特征和动态演化过程进行数值模拟,并从理论层面分析了不等长工作面力学效应与岩层活动存在的规律。结果表明:工作面推进长度直接影响采场前方的应力分布,当工作面推进到"见方"期或推进距离是工作面斜长的整数倍位置时,应力急剧增大;采场覆岩的变形与破坏是水平应力和支承压力共同作用的结果;不规则工作面推进过程中,在对接面前后20~30 m的范围内应力过度集中,数值波动较大;等长工作面在顶板管理与围岩控制效果方面较不等长工作面有着明显优势。工程实例验证了结论的可靠性。     

断层下盘一侧采空工作面采动应力分布及其演化规律

以赵楼煤矿断层下盘一侧采空的11303(东)工作面地质条件为背景,采用FLAC~(3D)软件模拟分析了断层下盘工作面背向断层推进时,断层煤柱应力、工作面中部及采空侧端头超前支承应力演化规律。研究表明:工作面推进小于120 m时,断层煤柱应力集中程度逐渐增大,随工作面继续推进,断层煤柱集中应力变化不大。工作面推进小于80 m时,工作面中部超前支承应力峰值逐渐增大,而超过80 m后应力峰值变化不大。工作面采空侧端头受采动及相邻采空区影响,超前支承应力远大于实体煤侧,且在推进170 m时支承应力峰值达到最大。     

采动裂隙分布及其演化特征的采厚效应

基于长壁工作面非对称布置特点,以谢桥矿1151(3)综放工作面地质和开采条件为背景,采用实验室相似材料模拟、计算机数值模拟及理论分析综合方法,研究不同采厚采动裂隙分布及其演化的特征.研究表明,不同采厚覆岩垮落角变化不大,随工作面推进覆岩采动裂隙表现为“∩”型高帽状、前低后高驼峰状、前后基本持平驼峰状、前高后低的驼峰状4阶段演化特征,采动裂隙发育高度呈梯级跃升并逐渐趋于稳定,工作面围岩采动裂隙发育具有非对称性,工作面上部塑性区范围大于工作面中、下部;采动裂隙发育高度、工作面前方塑性区宽度、走向工作面后方围岩塑性区边界与采空区方向的夹角和倾向下山方向围岩塑性区边界与煤层夹角与一次采厚呈非线性正比,采动裂隙发育高度与一次采厚的比值和走向工作面前方围岩塑性区边界与推进方向的夹角与一次采厚成非线性反比,整体揭示了一次采厚变化对采动裂隙分布及其演化特征影响的采厚效应.     

千秋矿综放面巨厚悬空砾岩层采动应力分布特征数值模拟研究

利用离散元软件UDEC4.0对千秋矿21141综放工作面在巨厚悬空砾岩层下的采动应力分布进行模拟研究.结果表明,随推采面积的加大,砾岩在不断弯曲变形,挠度增大,砾岩体对工作面前方煤体及切眼后方煤体的作用力逐渐增大,并随煤体的开采而重新分布,因此工作面煤体内部支承应力将随着煤体塑性范围的扩大向深部转移,并重新积聚产生新的冲击危险.     

孤岛工作面遇断层采动应力分布规律研究

针对孤岛煤柱工作面回采过程中遇一斜交10°断层的现状,为解决工作面煤壁易片帮、冒顶等问题,研究了工作面前方采动应力场分布特征及对回采工作的影响。通过采用极限平衡理论和数值计算分析了工作面在回采过程中应力分布规律及围岩变形特征。结果表明:工作面液压支架集中应力主要分布在工作面中上部和下端头附近;开采扰动易造成断层活化,使得断层附近工作面垂直应力下降,水平应力上升。根据监测结果,随着工作面的不断推进,超前支承压力峰值始终位于工作面煤壁前方5 m左右。     

深部煤体采动应力下双曲函数型渗透率模型

深部资源开采中,采动应力下煤体渗透率演化规律成为煤炭开采理论研究的热点之一。通过对煤体常规三轴渗流实验和采动应力路径下渗流实验对比分析,发现深部含瓦斯煤体在采动应力路径下其渗透率-体积应变异于常规三轴渗透实验。煤体常规三轴实验主要以三向应力加载为路径,而煤体在不断采出过程中其应力路径主要表现为特定方向加载其他方向卸荷的过程,可凝练为加轴压卸围压的应力路径,而应力-应变分析的起始点为静水压力状态,这必然引起煤体力学物理性质异于三向加载条件的行为。在采动应力条件下的渗透率-体应变空间内,以煤体体应变扩容点为界,当体应变达到扩容点后,随着体应变从压缩变形转换为膨胀变形,渗透率呈现出降低、稳态、增加的过程。为了定量地描述深部煤体渗透率在采动破坏或流变失稳过程中先减小后增大的行为,基于在体积应变空间内真实渗透网络是所有可能渗透网络中最优演化形式的假设,建立以渗透率、体积应变为变量的泛函关系,从而得出由体积应变表示的渗透率表达式。考虑深部煤体流变过程,将分数阶微积分理论推导的煤体体积蠕变方程代入渗透率函数中,得出以轴向应变为自变量的渗透率表达式。根据已有的实验数据对渗透率模型进行验证,结果表明:基于最优渗透网络得出的渗透率模型能很好地描述煤体渗透率在破坏过程中的演化规律,同时也可拟合流变过程中渗透率的变化趋势。     

梁北煤矿11141工作面采动应力分布规律

采用自主研发的采动应力监测系统对梁北煤矿11141工作面进行采动应力实时监测,通过数值模拟及工程实践相结合的方法分析了工作面前方煤体采动应力的变化特征及规律。结果表明,梁北煤矿11141工作面前方煤体内部采动应力变化经过原始稳定期、缓慢增长期、快速增长期以及卸压期4个阶段;采动影响距离为100 m左右,应力峰值为35 MPa左右,应力集中区范围为10~30 m。