煤层底板采动裂隙演化规律数值模拟研究

以龙门矿二1煤复杂构造破坏的高流变底板为例,基于弹塑性力学方法,结合摩尔-库仑强度理论,以现场观测数据为依据,采用RFPA2D软件与FLAC3D软件进行数值模拟,综合计算出龙门二1煤底板岩体受采动影响的破坏规律特征,即工作面推进初期,底板的破坏深度较小,但随工作面推进距离增加而逐渐增加。通过数值模拟与经验公式对比分析可知,当煤层底板破坏深度达到14 m时,基本不随推进距离增加而变化,且煤层底板采动破坏深度为14 m。但随着开采的进行,在采空区后方煤层上的支承压力峰值位置几乎保持不变,其值随着工作面的推进略有增加,支承压力峰值位于工作面前方和开切眼处,应力集中系数一般为2.5左右。     

煤层底板采动裂隙分布规律及注浆层位优化

为了向煤矿底板注浆改造提供科学依据,采用RFPA^2D、FLAC^3D数值模拟软件,得到了煤层底板采动裂隙分布规律,并与经验公式进行了对比。研究发现,采用FLAC^3D模拟底板破坏深度比较可靠,得到底板破坏深度为14 m;通过对注浆层位进行优化,认为底板注浆加固设计方案中必须合理布置一定数量或在特定部位的本溪组和寒武系注浆加固孔;经数值模拟,底板注浆不仅增大了底板隔水层厚度,而且使底板破坏带深度减少约2 m。该研究对于提高回采工作面超前预注浆效果,以及岩石集中巷注浆加固具有一定指导意义。     

重复采动下覆岩裂隙发育规律模拟研究

基于内蒙古布尔台矿已有的工程地质资料,采用数值模拟软件RFPA~(2D),建立了双煤层重复采动的数值模型,模拟研究了覆岩破断、裂隙发育和再发育规律,分析了上覆岩层在采动前后垂直应力的变化情况.结果表明:重复采动可引起原有煤层覆岩裂隙的再发育,使得顶板裂隙波及的含水层范围扩大,从而增大采空区的涌水量,甚至会引发突水;采动使得覆岩的垂直应力减小,而重复采动更加剧了这一趋势,这是覆岩裂隙继续发育的重要因素.     

采动底板裂隙渗流演化规律数值分析

 基于桃园煤矿10煤层的赋存和水文地质条件,采用离散元数值计算,分析了采场底板应力分布、变形和塑性特征,研究了采场底板渗流压力场、流量场分布特征。结果表明：采动影响深度为45m,塑性区深度在工作面底板以下17m,当工作面接近底板奥灰岩含水层,岩体结构较容易破坏失稳,形成渗流通道。现场依据数值计算结果,设计了疏水降压和注浆加固底板控制技术,确保了赋水条件下煤层的安全回采。     

煤层底板采动裂隙演化规律数值模拟

采用RFPA2D和FLAC3D软件对龙门二1煤层底板岩体受采动影响的最大破坏深度及发育规律进行了数值模拟研究,并将煤层底板破坏深度的经验公式计算结果与数值模拟结果进行了对比。结果表明,数值模拟与经验公式计算结果基本一致。     

近距离煤层重复采动覆岩裂隙形态及其演化规律实验研究

采用物理相似模拟实验及理论分析,研究单层开采和重复采动条件下覆岩移动、裂隙分布与演化规律、支承压力分布特征及采动裂隙椭抛带形态。研究结果表明,上覆岩层在重复采动条件下,形成破断裂隙和离层裂隙,两者联通后在空间形成不同于单层煤开采的覆岩裂隙椭抛带展布;下层煤回采期间,随工作面的推进,工作面附近的应力峰值与煤壁距离保持相对稳定的状态;在重复采动双重卸压条件下,覆岩裂隙经历了产生、扩张、压实、再扩张、再压实等5个动态变化阶段。最后在实验分析基础上,建立近距离煤层重复采动裂隙椭抛带的空间分布数学模型。     

近距离煤层群开采底板不同分区采动裂隙动态演化规律

为了研究采动影响下底板不同应力分区裂隙动态分布及其演化规律,运用弹塑性力学和卸荷条件下断裂力学等相关力学理论分析了不同分区裂隙张开、扩展力学机理,提出不同分区裂纹扩展的应力、位移条件,通过FLAC3D和UDEC数值模拟软件分别研究了底板三维应力状态、位移变化和裂隙演化规律,对底板应力分区做出量化,同时得到采动影响下底板裂隙发育“O”形圈及其动态变化。通对底板不同分区内裂隙的发育倾角统计结果分析,得到了底板不同分区裂隙发育特点：压缩区裂隙多为弯折拉伸裂纹,方位角大致为垂直方向;过渡区裂纹多为反向滑移和弯折扩展裂纹,裂纹倾角多为45°以上;膨胀区多为Ⅱ型剪切裂纹,倾角大部分在45°以下;裂隙发育特征与力学分析相吻合。     

近距离煤层重复采动覆岩裂隙时空演化特征研究

采用相似材料模型试验,在上行和下行开采方式下,对近距离煤层重复采动覆岩裂隙的时空演化特征进行了研究.采用数字图像处理技术对覆岩裂隙进行了量化分析,并基于分形理论与信息熵,提出了采用裂隙分形维数、裂隙熵和裂隙率3个特征参数来反映裂隙状态.研究结果表明:随着煤层开采的不断推进,上行开采重复采动覆岩裂隙的裂隙熵和裂隙率具有相...     

平煤十三矿采动覆岩裂隙演化规律研究

当煤矿自矿区采出时,采空区上覆岩层会发生变形破坏,一方面煤矿资源会向裂隙发育部位运移,另一方面则存在一定的矿区安全隐患。为了保证煤矿开采工程的安全性,准确掌握矿产运移分布情况,本文采用了关键层理论和数值模拟的方法,以此分析采动覆岩的裂隙演化规律。研究结果显示,裂隙在走向和倾向上呈现出"梯形台"发育特征,在采空区上方裂隙呈现出中部压实、四周发育的"O"形圈分布;在采空区边缘形成卸压区域,此区域裂隙发育,具有较好的抽采效果。除此之外,采空区中部压实区域宽度范围为175m,裂隙不发育,离层率趋于0;采空区进风巷侧35m、回风巷侧30m范围内离层率较大,最大离层率达到了136mm/m。本文通过数值模拟得到了平煤十三矿采动覆岩的裂隙演化规律,这不仅为煤矿资源抽采提供了理论依据,而且为煤矿安全事故防治工作提供了保障。     

采场底板倾斜隔水关键层的失稳力学判据

针对承压水上倾斜煤层底板岩层所受载荷的非对称特征,在考虑沿煤层倾斜方向存在一定水压梯度的情况下,依据隔水关键层理论,建立了线性增加水压力作用下的底板倾斜隔水关键层模型。采用弹性薄板理论,分析了倾斜隔水关键层的力学特性,揭示了底板倾斜隔水关键层在其长边中点偏下的位置最容易出现拉伸屈服破坏。最后,采用Griffith和Mohr-Coulomb两种屈服准则,在判断出底板倾斜隔水关键层上最可能发生屈服破坏位置的基础上,推导了基于拉伸和剪切破坏机理的采场底板倾斜隔水关键层的失稳力学判据,并应用于现场倾斜煤层底板隔水关键层的稳定性分析。     

煤层底板含隐伏溶洞滞后突水机理

为了避免华北煤田底板含隐伏溶洞滞后突水事故的发生,以丰沛矿区三河尖矿特大水害为例,通过特殊环境下岩溶溶洞的形成原因与滞后突水的物理过程分析。数值软件模拟与事故现场观测资料对比,综合研究含隐伏溶洞底板的滞后突水机理,结果表明：新构造断裂对原始封闭地下水系统的打破及高温高压高矿化度岩溶水对白云岩的融化剥蚀是溶洞形成并不断扩大的主要原因;受采动应力与高岩溶水压力影响,隐伏溶洞顶部不断形成新岩溶塌陷且破坏隔水层的现象客观存在,是突水通道形成的关键因素;工作面推过隐伏溶洞上方一定距离,受岩溶塌陷持续剥蚀而逐渐变薄的残余隔水层因强度不足以抵抗高岩溶水压力而瞬间破断,致使采动裂隙与岩溶塌陷相互贯通,引发滞后性突水。     

深部倾斜煤层采动底板破坏演化特征分析

为研究深部倾斜煤层底板破坏特征及破坏深度,以羊东煤矿8469工作面为研究对象,采用理论分析、数值模拟和现场实测相结合的方法,对煤层采后底板应力分布规律、塑性区发育特征及破坏深度进行了研究。通过数值模拟与理论分析可知:煤层开采后,作用在周围煤岩体上的支承压力产生不同的应力分区。沿煤层走向方向,应力呈对称性变化,形状近似马鞍状,在工作面两端处产生应力集中;沿煤层倾向方向,倾斜剪切力的存在使底板岩体由采动破坏转变成滑移破坏,塑性破坏区和应力变化大致呈勺型分布形态,最大应力集中区出现在工作面下侧。随着工作面向前推进,底板破坏范围相应增大,但推进255m后,破坏深度不再增加。现场实测表明,底板浅部岩层最早受到扰动,且受到的扰动程度最高。扰动范围随最大注水量的减少而增加,在底板下25m范围内的岩层受影响较小。由此可知,该工作面底板破坏深度为25.0～29.2m。     

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。     

煤层底板气体流动数值模拟

煤层底板灰岩赋存大量瓦斯且情况复杂,使得瓦斯喷孔事件造成的瓦斯超限事故严重威胁正常工作生产。为了深入了解煤层底板灰岩瓦斯赋存情况,采用Fluent模拟软件模拟失踪气体探测潘二矿1煤底板灰岩的连通性及岩溶发育情况,根据接收的SF6气体时间与流量,确定现场灰岩空间以及漏风通道的分布情况,分析影响灰岩中瓦斯赋存的主要因素。     

深部开采底板突水灾变模式及试验应用

深部采场高地应力、高岩溶水压和强开采扰动条件使得底板突水相比浅部采场形成特定构造、水-岩-应力及采掘工程相互作用影响下的复杂岩体水力学问题。基于不同地质构造受采动影响特征及其诱发煤层底板突水机理,将深部开采底板突水灾变模式划分为完整底板裂隙扩展型、原生通道导通型和隐伏构造滑剪型3种类型,并分析了对应的突水判据。研究认为完整底板裂隙扩展型归结于承压水影响下裂隙扩张造成彼此贯通引发承压水导升高度大于有效隔水层厚度,原生通道导通型归结于构造活化引发局部位移扩展与保护煤柱底板压缩区连通裂隙发生沟通,隐伏构造滑剪型归结于构造上方断面岩层失稳发生剪切破坏造成承压水以最短距离涌入采空区。利用深部采动高水压底板突水相似模拟试验系统探寻了3种突水灾变模式下突水通道的时空演变过程,验证了突水判据的准确性。     

高承压水体上开采煤层底板潜在突水区动态演化数值模拟

以底板受石炭系太原组灰岩高承压含水层威胁的淮北芦岭煤矿10煤为研究示范,利用有限元软件Plaxis 8.2建立能模拟承压水压力的10煤动态开采的数值模型,并考虑冒落矸石密度、变形参数与强度参数随时间的变化,分析底板采动破坏带与潜在突水区域的时空分布及其影响因素.研究结果表明:正常开采条件下,底板破坏深度随工作面推进距离的加大而增加,推进到一定距离后将达到极大值;随着煤层倾角的增大,由于冒落岩体的充填效应,开采冒落区导水裂隙提前闭合,潜在突水区域变小,并逐步集中于新近采空区;承压水压力越大,底板裂隙扩展并最终相互沟通的可能性越大,当承压水压力处于高值时,突水随时可能发生.     

三维采动应力条件下覆岩裂隙演化规律试验研究

利用自行研制的“多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统”,根据中国平煤神马集团十矿己15煤层24080工作面的地质资料,在三向不等应力条件下进行了三维模拟开采试验。通过应力监测、色素示踪、照相素描等手段,统计了各水平、垂直切面的裂隙形态、数量与分布特征,并建立了采空区覆岩裂隙网络数值模型。研究结果表明：三维应力条件下,采空区覆岩裂隙在空间上呈“类梯形台”形态,在低位岩层中呈“圆角矩形”形态,在中高位岩层则呈“O型”形态。按瓦斯运移难易程度可将覆岩裂隙分为以“纵向贯通裂隙”为主的直接流动通道和以“层内破断裂隙-层间离层裂隙-层内破断裂隙”方式延伸的间接流动通道。     

“三软”煤层综采工作面覆岩运移和裂隙演化规律实验研究

针对“三软”煤层综采工作面卸压瓦斯治理问题,采用物理相似模拟和UDEC数值模拟实验研究了工作面受采动影响后采场覆岩运移规律。同时,采用现场仰斜注水钻孔法和高位钻孔瓦斯抽采浓度监测法对实验结果进行验证。结果表明：在相似材料模拟实验中,对观测面刷白后,能更加清晰地观测到裂隙发育情况;相似材料模拟和UDEC模拟结果基本吻合,垮落带和断裂带最大高度分别为12和38 m,则高位钻孔最佳布孔垂距为20~26 m;现场仰斜注水表明垮落带和断裂带最大高度分别为10和39 m;现场高位钻孔瓦斯抽采浓度监测结果表明,1-2和1-3高位钻孔瓦斯抽采浓度最大,其垂距分别为24.4和20.5 m,验证了物理相似模拟和数值模拟实验方法和结果的正确性和科学性。     

煤层底板开采破坏深度研究综述

矿井水害是一种严重制约煤矿安全生产的矿井灾害,随着我国煤炭资源采掘部署的不断纵深发展,采场将面临高地应力,底板下高承压水的开采环境,因矿井水害引起的负面效应也愈发严峻.煤层底板开采破坏深度的准确预测是矿井水害防治的重要环节,从煤层底板破坏的空间分布形态、底板破坏相关理论以及底板破坏深度研究方法3个方面,总结了我国煤层底...