高位硬厚岩层下重复采动应力演化规律

以某矿6302工作面为背景,采用理论分析、数值模拟和现场实测等方法研究了对硬厚岩层下煤层重复采动的应力演化规律。研究结果表明:在多煤层重复采动过程中,下层煤的卸压边界角随着推进步距的增大,先增大后趋于稳定,2层煤之间岩层间隔起到了隔板的作用,下层煤上方的集中应力由于层间岩层的影响发生衰减。这一趋势随层间岩层厚度增加,衰减系数减小,相同岩层厚度情况下,岩层硬度增加,衰减系数越小。     

高位硬厚岩层采动覆岩结构演化特征及致灾规律

针对工作面赋存高位硬厚岩层的地层条件,采用相似材料模拟试验方法,制作了工作面上覆单层和两层高位硬厚岩浆岩的相似模型,研究了开采过程中的覆岩结构及其演化特征;通过力学理论分析,揭示了上覆岩层的破断规律及覆岩结构的形成机制;分析了典型采动覆岩结构的致灾规律,并采用工程实例进行验证。研究结果表明:单层硬厚岩层初次破断前、周期破断阶段分别形成"梯"型、"Γ"型覆岩结构;两层硬厚岩层条件下,下位硬厚岩层破断前形成"梯"型覆岩结构,上位硬厚岩层破断前后分别形成"梯-Γ"型复合覆岩结构、"F"型覆岩结构;工作面上覆岩层破断角α在(45°,90°)区间内,破断迹线总是与岩层层面成一定夹角。高位硬厚岩层条件下集中应力高、积聚能量大,易诱发静载型动力灾害;"梯"型覆岩结构失稳易诱发动力灾害及离层水(气)突涌现象;"Γ"型覆岩结构失稳易诱发动力灾害,但不易发生离层水或瓦斯突涌。     

高位硬厚岩层下覆岩运移规律研究

杨柳煤矿1061工作面上覆硬厚岩层。针对工作面地质条件,采用数值模拟方法,研究了硬厚岩层下开采覆岩运移规律。研究表明:在破断前,上覆硬厚岩层没有发生明显的位移下沉,硬厚岩层对地层变形起到了"桥式屏蔽作用";破断后,下沉量突然增加,表现出明显的突变性,导致地表移动变形急剧增加,出现大幅度下沉。通过现场支架压力实测进行了验证。     

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。     

厚、硬顶板采场覆岩动态变化规律研究

基于采场覆岩的弹性模量、泊松比、抗压强度等参数服从Weitul分布的假设，建立厚、硬板条件下采场的有限元计算模型，用岩石破裂分析系统（耐），模拟不同开采方式的覆岩冒落与支承压力的动态变化规律，计算结构显示厚、硬顶板冒落模式有三种：（1）拱形破断与冒落；（2）短块状破断与冒落；（3）大块破断与冒落。这对研究厚、硬顶板开采工艺和设备的选型有重要的参考价值。     

厚、硬顶板采场覆岩动态变化规律研究

基于采场覆岩的弹性模量、泊松比、抗压强度等参数服从Weitul分布的假设,建立厚、硬板条件下采场的有限元计算模型,用岩石破裂分析系统(RFPA),模拟不同开采方式的覆岩冒落与支承压力的动态变化规律,计算结构显示厚、硬顶板冒落模式有三种:(1)拱形破断与冒落;(2)短块状破断与冒落;(3)大块破断与冒落.这对研究厚、硬顶板开采工艺和设备的选型有重要的参考价值.     

硬厚岩层下逆断层采动应力演化与断层活化特征

上覆硬厚岩层受逆断层切割后,工作面顶板运动、采动应力会有异常变化。采用三维数值计算方法,模拟分析了上、下盘工作面向逆断层推进过程中的采动应力演化特征、煤层顶板运动特征及断层活化规律,并采用工程实例进行了分析验证。研究表明：在逆断层切割作用下,上盘工作面围岩呈倒楔形,采动应力向底板深处、顶板高处转移,围岩应力集中程度大于下盘工作面。下盘工作面与上盘工作面相比,采动应力受工作面与断层距离的影响较大。巨厚岩浆岩及其下部岩层形成类似“杠杆”结构,造成煤层顶板的下沉和反弹。逆断层下盘工作面煤层直接顶断层带活化的可能性大于上盘工作面,高位岩浆岩断层带活化的可能性小于下盘工作面。下盘工作面与逆断层距离40 m时断层开始活化;上盘工作面与逆断层距离40 m时,煤层直接顶断层带开始活化,与逆断层距离30 m时高位岩浆岩断层带开始活化。     

厚坚硬顶板工作面覆岩运动规律与采动应力分布研究

基于采空区上方坚硬厚层砂岩顶板容易聚积大量的弹性能，在顶板结构受到破坏时造成冲击地压的问题，以田陈煤矿3_下7115工作面为工程背景，通过理论分析和现场监测对厚坚硬顶板工作面覆岩运动规律及采动应力分布特征进行了研究。首先通过理论计算得到3_下煤层工作面上覆厚层砾岩层在弹性基础上的极限破断步距约为43.5 m;其次根据现场微震监测数据分析得出支承压力对底板破断的深度约为60 m,采动应力在垂直方向约为煤层上方40 m,下方60 m左右范围内；最后根据钻孔应与钻屑法监测数据分析出侧向支承压力峰值位于煤壁深处8～9 m.研究结果可为矿井防冲技术体系的建立提供重要指导意义，同时能够为相似坚硬顶板矿井矿压研究提供借鉴和帮助。     

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。     

采场覆岩离层演化规律研究

采场覆岩的离层与关键层密切相关,离层一般都发生于关键层之下,并且覆岩离层一般要经历离层未发育、离层扩展和离层闭合三个阶段。离层以"梯形"的形式由下部逐渐向上发展的,并且"梯形"的大小也一直在演化。     

“两硬”条件下采场覆岩运动规律的研究

本文以"两硬"特殊开采条件为研究对象,通过数值模拟分析此类条件下采场的上覆岩层破坏区域特征、应力分布特征和煤层顸板稳定性特征,并结合工程实践验证该条件下工作面两巷受力变形情况。实践表明,地应力越大,越容易造成坚硬顶板的悬顶现象;"两硬"大采高条件下超前支承压力比普通采场峰值影响范围大、集中系数高。     

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。     

采场覆岩裂隙发育规律及高位钻孔优化

采空区覆岩裂隙发育规律严重影响着高位钻孔的抽放效果,采空区裂隙发育充分的区域是高位钻孔理想的抽放范围,以临涣煤矿Ⅱ926工作面为研究对象,采取理论及数值模拟相结合的方式对采空区覆岩裂隙发育规律进行分析,找出裂隙充分发育区域,优化布置了高位钻孔参数,现场的实践表明,优化后的高位钻孔对采空区瓦斯抽采、防止工作面瓦斯超限作用效果良好,可以在类似矿区推广应用。     

硬厚岩层下覆岩裂隙演化特征及其致灾机理分析

针对上覆岩层赋存硬厚岩层,采用相似材料模拟试验的方法,制作了工作面上覆硬厚岩层的相似模型,研究了硬厚岩层下覆岩结构和裂隙演化特征,分析了硬厚岩层破断致灾成因。研究结果表明,工作面推进后,上覆岩层走向断面上逐渐形成梯形结构,硬厚岩层的存在屏蔽了梯形结构的纵向发育|硬厚岩层下最大离层裂隙发育呈跳跃式上升,占据了煤层开采的大部分空间,为瓦斯积聚创造了空间|破断裂隙和离层裂隙相互贯通,在工作面侧和切眼侧的形成了双向互通的竖向破断裂隙区,为瓦斯运移提供了路径。开采煤层附近释放的瓦斯顺着两侧竖向破断裂隙区进入上覆岩层最大离层裂隙,最终积聚在占据了煤层开采大部分空间的硬厚岩层下最大离层裂隙。硬厚岩层破断后瓦斯空间急剧减小,瓦斯压力快速上升,瓦斯经两侧竖向破断裂隙区涌向工作面,易诱发瓦斯突涌等灾害。     

大采高采场覆岩结构特征及运动规律研究

运用关键层理论研究了采场覆岩结构特征及运动规律．结果表明：垮落带及断裂带高度与覆岩关键层的分布特征密切相关，大采高的垮落带及断裂带高度大于相同煤厚分层开采相应的高度，且随采高增大呈台阶状上升，此研究是大采高条件下采场矿压控制、地表塌陷评价的基础。     

长壁面膏体充填采场覆岩结构及其运动演化规律

采用相似材料模拟方法,研究了长壁工作面膏体充填采场覆岩结构演化和覆岩移动规律,研究结果表明:充填采场覆岩结构演化和覆岩移动有别于常规采场,充填采场覆岩结构主要是以拱的形式进行演化,而不是铰接岩梁的形式;覆岩移动则主要是以离层的形式由下向上逐渐发展,并且上位岩层的离层是在下位岩层离层闭合的基础上产生的。     

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

为了研究薄基岩厚松散层条件下煤层覆岩导水断裂带高度发育情况,在山西三元煤矿3301工作面进行了工程试验,依据经验公式法对三元煤矿3301工作面3^#煤层覆岩条件下的导水断裂带高度进行了理论预测,采用数值模拟的方法分析了3^#煤层覆岩分布条件下采动导水断裂带高度的动态变化过程,并利用煤矿井下分段注水观测方法对3301工作面导水断裂带高度进行了现场试验观测。结果表明：采用上述3种方法得出的三元煤矿3301工作面导水断裂带高度分别为62.9、64.0、61.1 m,所得结果十分接近。为了确保安全,导水断裂带高度应取现场观测最大值64.4 m。

     

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。     

采场覆岩破坏规律研究

为了研究采场覆岩破坏规律,以平朔井工三矿39107工作面地质情况及开采条件为基础,依据相似定律制作相似模型,得出地表最大垮落位置在距开切眼100 m处,达到充分采动等,岩层下沉量最大值8.2 m,开切眼位置处地表下沉量约为3.6 m;岩层最大垮落位置在距开切眼105 m处,地表沉陷值最大值7m左右,开切眼位置处地表发生台阶式下沉,下沉量2～3 m,地表沉陷后形成的地表裂隙宽度为0.1～1.2 m;开挖处应力值降低,工作面前方由于超前支承压力的作用应力值升高,超前支承压力峰值距工作面在8～12 m之间,平均10 m;超前影响范围为14～17 m,平均15.5 m;工作面垮落带高度为32～40 m,裂隙带发育较高,最终裂隙导通地表,使地表形成了台阶下沉;工作面直接顶初次来压为16 m,基本顶初次来压为40 m,基本顶周期来压为12～18 m,平均为15 m.     

岩层倾角对采动覆岩应力演化影响规律数值模拟

为研究岩层倾角对采动覆岩应力演化规律的影响,以西北某矿缓倾斜工作面为研究背景,建立近水平和缓倾斜煤层2种模型,采用FLAC3D模拟研究不同开采条件下覆岩应力、位移演化规律和“三带”分布特征,对比分析煤层倾角对覆岩运动的影响,为揭示缓倾斜煤层开采上覆岩层活动规律提供参考。研究表明：随着工作面不断推进,缓倾斜煤层上覆岩层垂直应力的峰值大于近水平煤层上覆岩层垂直应力的峰值;缓倾斜煤层开采覆岩位移峰值大于近水平煤层开采覆岩位移峰值;近水平煤层和缓倾斜煤层开采距采空区上方10 m左右为冒落带,近水平煤层开采距采空区上方47 m左右为裂隙带区域,缓倾斜煤层开采距采空区上方50 m左右为裂隙带区域;缓倾斜煤层塑性区域范围大于近水平煤层塑性区域范围;通过数值模拟对比分析,不能忽略煤层倾角对采动覆岩应力的影响。