薄基岩煤层覆岩裂隙演化的分形特征研究

为研究特厚松散层薄基岩煤层上覆岩层在采动影响下裂隙的发育演化规律,结合赵固一矿11011工作面地质条件和开采技术条件,采用相似材料模拟试验模拟了覆岩裂隙演化的全过程,并利用分形几何理论研究了裂隙网络分形维数与工作面推进度、矿山压力、覆岩下沉、上三带之间的关系。研究结果表明:采动所形成的裂隙网络可以较好的表征岩体的结构特征;裂隙的形成、发育、扩展、分布具有较好的自相似性和分形特征,可以用分形维数描述裂隙网络的二维空间特征;裂隙网络分形维数随着开采宽度的增加而增加,但增加趋势逐渐减缓;分形维数与矿山压力、覆岩下沉之间呈非线性关系;分形维数可以较好的表征上三带裂隙发育特征.     

泉店煤矿薄基岩下联合开采工作面顶板活动规律研究

针对泉店煤矿11060联合开采工作面顶板薄基岩的典型特征,应用理论分析、物理模拟,现场实测等方法,对薄基岩煤层开采后的力学行为、覆岩变形破坏规律进行了分析和研究,总结了薄基岩厚松散层综放采场覆岩下沉、破断、冒落的过程及薄基岩工作面矿压显现的一般规律。     

深埋厚冲积层薄基岩煤层开采地表沉降特征与预测方法

煤炭地下开采导致上覆岩层的破断和运动,岩层运动传递至地表引发地表沉陷,改变地表形态,破坏地表连续性和生态环境。为降低采矿活动的负外部性,以赵固二矿为工程背景,综合运用室内试验、理论分析和现场实测等方法研究深埋厚冲积层薄基岩煤层开采地表沉陷与覆岩运动的关系、地表沉陷演化特征和地表沉陷预测方法。结果表明：深埋薄基岩厚煤层开采覆岩运动存在关键层控制和厚冲积层主导2个阶段,第1阶段薄基岩呈现层状破断特征,关键层下缘离层现象明显,厚冲积层保持稳定;第2阶段采动裂隙萌生于高位厚冲积层,下行扩展导致薄基岩全厚破断,层间离层现象消失;得到了工作面推进过程中不同层位覆岩沉降曲线动态演化特征,发现厚冲积层对覆岩运动和地表沉陷具有强烈控制作用,冒落拱失稳导致覆岩沉降曲线呈现周期性突变现象;薄基岩全厚破断后整体下沉,厚冲积层冒落体下向压实,采动裂隙快速闭合,导致采空区上方垮落带和裂隙带岩层破坏后的碎胀系数小,地表下沉速度快,沉降系数高,最大下沉量达到开采厚度;将地表沉陷区划分为直接沉降和间接沉降2个区域,深埋厚冲积层薄基岩赋存条件下间接沉降区范围增大,构建了地表沉陷分区预测模型;对赵固二矿地表沉陷特征进行了预...     

深井厚松散层薄基岩工作面矿压显现规律数值模拟研究

针对某矿深井厚松散层薄基岩影响区域21406工作面及21203工作面的地质条件以及回采过程中出现的安全问题,采用数值模拟方法,研究了不同推进距离条件下回采工作面通过薄基岩过程中上覆岩层覆岩活动规律、顶板垂直应力分布规律及工作面液压支架受力特征。结果表明,工作面开采过渡区时,厚度越大的基岩,其支架工作阻力越小,工作面顶板下沉量也越小。     

综采工作面垮落带注浆充填开采覆岩采动裂隙定量表征试验研究

为定量表征冒落区注浆充填对覆岩采动损伤程度的影响,以任家庄煤矿110903工作面为研究背景,开展垮落法开采和垮落带充填法开采物理相似模拟实验,运用分形理论研究两者覆岩裂隙演化特征,并对其覆岩运移规律进行对比分析。研究结果表明,垮落法开采后采动裂隙分形维数变化规律为迅速上升-缓慢下降-缓慢上升-急剧上升,注浆充填开采后变化规律呈迅速上升-迅速下降-缓慢下降-缓慢上升;将采动裂隙发育网络划分为离层裂隙区、离层压实区、垮落裂隙区、竖向破断裂隙区四个区域,对比垮落法开采和垮落带充填法开采,充填后采场覆岩裂隙不发育,离层压实区范围较小,发育高度仅为21.96 m;注浆充填开采后各关键层下沉量显著减小,关键层2最大下沉量出现在顶板初次破断处,垮落法开采后关键层2最大下沉量出现在采空区中部。垮落带注浆充填开采能有效改善覆岩裂隙损伤、控制覆岩裂隙发育、减缓覆岩下沉,该成果可以为任家庄煤矿充填开采控制地表沉降提供一定的理论依据。     

薄基岩厚松散层条件覆岩破坏规律研究

为了实现薄基岩厚松散层地质条件下水体压覆煤层的安全开采，采用相似材料模拟实验、理论分析，探讨了薄基岩厚松散层的采动破坏发育规律，提出了覆岩自稳结构的判据。研究结果表明：厚松散层薄基岩很难在基岩内形成有效的自稳结构，工作面推进一定距离后，基岩将全厚度断裂，松散层将作为一个整体跟随基岩弯曲下沉|解析了厚松散层的采动隔水能力，认为松散层底部岩层岩性、厚度及所受采动变形将是决定导水裂缝带继续向上发育的关键|结合三元矿薄基岩厚松散层水体下采煤，通过地面钻探实测，论证了粘土层具有较好的隔水能力，薄基岩厚松散层导水裂缝带发育高度止于松散层底部。     

薄基岩厚松散层下充填保水开采安全性分析

为研究薄基岩厚松散层下充填开采安全性,选择五沟煤矿CT101充填工作面为研究对象,通过理论分析、数值模拟和钻孔探测,对CT101充填工作面隔水关键层稳定性进行了分析,揭示薄基岩厚松散层下充填开采覆岩裂隙高度(深度)及其变化规律,并对开采安全性进了分析。结果表明:采高3.5 m,矸石充填率为85%时,关键层未破断,隔水关键层保持完整;下行裂隙多分布在工作面两端,且具有弥合性,随工作面推进周期性增大、减小,实测下行裂隙深5.5 m,上行裂隙高6.41~11.85 m,剩余隔水层组厚度为17.38~23.97 m,工作面可实现安全回采,为类似采矿地质条件下开采安全性分析提供了借鉴。     

浅埋深薄基岩综放覆岩运移规律的埋深效应研究

采用相似模拟实验的方法,研究了浅埋深薄基岩条件下综放开采覆岩运移规律的埋深效应,结果表明:浅埋深薄基岩条件下,虽然埋深不同,综放采场覆岩均形成了稳定的"悬臂梁+铰接岩梁+拱"结构,松散层和地表会随着"铰接岩梁"周期性失稳而滞后工作面成整体切落式垮落,地面出现台阶式下沉,工作面与地表沟通,进而直接破坏覆岩含水层和地表水系,生态环境遭受严重的破坏;随着埋深的增加,地表最大下沉值增加,最大下沉量位置距工作面的距离增大。     

厚松散层上提工作面覆岩运移与支架-围岩关系研究

针对厚松散层提高回采上限而导致综采工作面易压架的现象,采用理论分析、FLAC3D数值模拟和现场实测对谢桥煤矿1202(3)提高回采上限综采工作面围岩应力分布、覆岩运移及支架受力、变形特征进行分析。研究结果表明:受煤层倾角、覆岩结构和缩小防水煤柱影响,沿工作面倾向的支承压力、覆岩运移等具有非对称分布特点;提高回采上限使得基岩厚度变小,是影响支架选型及工作面安全回采的关键因素之一;当基岩厚度与松散层厚度比值小于0.1时,支架工作阻力和顶板下沉量的关系曲线呈双曲线特征;当基岩厚度与松散层厚度比值大于0.1时,关系曲线接近于线性特征;在开采上限的合理范围内,液压支架工作阻力与基岩厚度成反比关系。揭示了厚松散层下提高回采上限开采覆岩运移的非对称性及其对支架-围岩关系的影响,为上提工作面支架选型、围岩稳定性控制提供了参考。     

采动覆岩“三带”移动变形及裂隙几何分形规律研究

为探究煤层开采时扰动应力对上覆岩层内巷道稳定性的影响情况,基于平煤股份十二矿己组煤层的工程地质条件,开展相似模拟试验。研究了煤层开采后上覆岩层“三带”内的位移场和应力场发展规律,并以部分段岩体为例研究了“三带”分形维数随工作面推进距离变化规律。试验结果表明,煤层开采后上覆岩层裂隙主要为纵向破断裂隙和离层裂隙,随着工作面的推进,离层裂隙逐渐成为主要的裂隙分布形式;上覆岩层“三带”的下沉量、应力测点值及分形维数与测点煤层距离密切相关,距离煤层越远,其值越小;煤层工作面开采的采动应力对位于弯曲下沉带内的巷道稳定性影响程度较小,位于弯曲下沉带内巷道的安全性可以得到保障。研究对类似矿山巷道布置具有一定参考意义。     

厚松散层薄基岩下采煤地表移动规律与数值模拟

基于张双楼煤矿地表移动观测站实测资料,分析了厚松散层薄基岩下采煤的地表移动变形特征,应用FLAC3D数值模拟方法,探讨了厚松散层薄基岩下采煤地表移动变形规律的特点.研究结果表明:厚松散层薄基岩条件下地表移动过程剧烈,下沉盆地陡峭;下沉速度快,滞后时间短,上覆岩层呈整体快速下沉趋势;下沉值大,影响范围广.研究成果可用于指...     

采场上覆岩层采动裂隙演化规律相似模拟研究

为得到薄基岩厚风积沙地区采场裂隙带发育高度及演化特征,基于采场覆岩"三带"的划分,对薄基岩地区厚风积沙煤层采动过程中裂隙发育特征进行相似材料模拟试验研究,得到开采过程中上覆岩层垮落破坏特征及运移规律,岩层内部压力分布规律,分析采动裂隙带发育高度及存在形态与工作面推进速度的关系。结果表明:补连塔煤矿12406工作面周期来压步距为22.5~30.0 m;上覆岩层的破断角在采空区侧为64°,在煤壁侧为61°;裂隙带高度为157.1 m,为工作面采高的26.18倍;工作面上覆岩层下沉趋势呈非线性曲线,移动形态具有非对称性。     

采动裂隙动态演化定量分析及其应用研究

合理定量分析覆岩裂隙动态演化特征对于采动损伤评价尤为关键。以任家庄煤矿110903工作面为工程背景，运用相似材料模拟试验，计算不同开采进尺下的裂隙分形维数，分析覆岩裂隙数量、倾角、长度、宽度等参量，定量研究了覆岩裂隙发育扩展情况，并通过同等试验条件对比分析了冒落区充填前后裂隙发育特征。研究结果表明：随着2层关键层的破断，覆岩裂隙分形维数呈现上升—稳定—上升趋势，分形维数变化与压力峰值变化一致，可反映出覆岩运移及压力显现变化规律；依据裂隙演化情况可将采场覆岩裂隙划分为离层区裂隙，压实区裂隙，垮落带裂隙，左、右侧竖向破断裂隙，离层Ⅱ区裂隙等，其中，竖向破断区裂隙倾角分布为0°～90°;垮落带裂隙复杂，裂隙倾角分布为0°～360°,裂隙贯通性好；离层区裂隙倾角近水平，裂隙贯通性较差；通过对比试验展现未充填和充填裂隙扩展规律，表明开采过程中及时在垮落带充填能有效控制覆岩裂隙发育。     

厚松散层薄基岩大采高综采工作面覆岩移动规律

为了实现厚松散层薄基岩大采高综采工作面顶板的科学管理,以赵固二矿12051大采高综采工作面为研究背景,综合采用数值模拟和现场实测的研究方法,研究了厚松散层薄基岩条件下大采高工作面上覆岩层运移情况及工作面前方支承压力分布情况。从而得出采空区上覆岩层垮落带和裂隙带的高度及工作面超前影响距离。     

厚松散层薄基岩非对称开采井筒偏斜机理

针对厚松散层薄基岩非对称开采井筒偏斜机理问题,以山东郭屯煤矿立井井筒偏斜为研究对象,在阐释厚松散层薄基岩煤层开采覆岩移动变形机理的基础上,采用煤层开采沉陷理论、土体固结理论和随机介质理论,根据叠加原理给出了该类地层煤层开采和底含疏水共同作用覆岩移动变形计算公式,并得到实测验证;基于对该类地层开采覆岩移动变形特征分析,揭...     

薄基岩厚风积沙浅埋煤层覆岩变形破坏规律研究

为了研究薄基岩厚风积沙浅埋煤层开采时覆岩移动破坏规律,根据某矿工作面开采技术条件和岩石力学参数,采用数值模拟的方法,分析了采场上覆岩层破坏变形规律以及应力分布特征;基于关键层理论,推导了导水裂隙带的发展高度。研究成果为薄基岩厚风积沙浅埋煤层保水开采提供了理论依据。     

浅埋煤层覆岩裂隙分形特征实验研究

为了得到浅埋煤层覆岩裂隙发育的分形特征，以神东天隆集团霍络湾煤矿为工程背景，利用相似理论进行相似模拟实验，通过相似模拟实验研究了浅埋煤层覆岩裂隙发育规律并基于分形几何理论研究了分形维数随开采推进度的演化特征，得出浅埋煤层的才采动裂隙网络的演化规律。结果表明：工作面周期来压步距为9-15m，其采动裂隙网络具有良好的自相似性（R＞0.98），裂隙网络的分形维数随开采推进度的增加具有明显的变化规律，其变化趋势分为三个阶段：升维阶段，降维阶段及稳定变维阶段。     

赵固矿区厚松散层下开采地表移动特征实测研究

为了掌握赵固矿区厚松散层条件下地表移动特征,以相邻的赵固一矿和赵固二矿地表移动观测站实测数据为基础,通过数据拟合方法,得到厚松散层下开采地表概论积分法参数;总结分析了厚松散层下开采地表移动特征,以及造成上述特有规律的地质原因和开采技术原因;以实测和拟合数据得出了赵固矿区走向地表移动各角量参数。研究表明:由于采动后地表含水层失水固结,造成采动附加下沉,导致下沉系数较大,主要影响角正切值偏小,且覆岩中松散层厚度占比越大,其下沉系数越大;煤层顶板基岩较薄,顶板悬臂效应大大减小,另外在采动压力作用下应力拱轴线位置土体固结压缩,造成拐点偏移距减小或者为负值,地表下沉盆地边缘收敛过慢;由于覆岩中松散层厚度占比较大,造成赵固一矿地表移动各角量参数均小于赵固二矿参数。     

厚松散层薄基岩综放开采覆岩破断机理研究

采用数值模拟、理论分析、现场实测等方法对厚松散层超薄基岩厚煤层综放开采覆岩的破断机理以及对采动裂隙发育的影响进行了深入研究。研究结果表明：超薄基岩在风化作用下,力学性质大幅度降低,煤层顶板中无基本顶关键层,工作面推进过程中形成动态平衡的应力拱,拱脚分别位于采空区稳定矸石上和工作面前方煤壁内,在应力拱的作用下,工作面矿压显现不明显;应力拱阻止了采动裂隙的发育,应力拱最终发育高度决定了采动裂隙的发育高度,采动裂隙在风化基岩中发育速度快,也极易闭合,虽然采厚较大,但最终有效导水裂隙带发育不高。研究结果合理解释了厚松散层超薄基岩综放开采静压大、动压小,动载系数小、采动裂隙发育不充分等现象,实现了超薄基岩下厚煤层综放开采安全高效生产。     

基于SVM的厚松散层矿区开采下沉系数预测模型

针对厚松散层薄基岩矿区开采沉陷变形预计中存在的下沉系数偏大问题,以23个开采工作面的地质采矿条件及其下沉系数为学习和测试样本,将文化-随机粒子群算法(CA-rPSO)和支持向量机(SVM)相结合,利用CA-rPSO的快速并行寻优功能优化SVM参数,建立了厚松散层薄基岩开采条件下下沉系数的SVM预测模型。通过实例验证SVM的预计结果与实际符合较好。