顶板导水裂隙带发育高度模拟与测试技术研究

为了安全有效的开采煤炭资源,确定符合矿井实际的导水裂缝带发育高度,本文采用数值模拟、经验公式预计、现场实测三种方法,并进行了对比分析。结果表明数值模拟导水裂隙带发育高度与钻孔双端封堵测漏所得结果基本接近;而经验公式预计的结果偏于保守;综合确定16105工作面最大导水裂隙带发育高度为20m,为煤层安全开采提供了科学决策依据。     

敏东二矿煤层顶板导水裂隙带高度的预计

采用经验公式法和类比分析法,对敏东二矿15-1煤层在分层开采与综放开采情况下顶板导水裂隙带发育高度预计与综合评述,对指导煤矿安全生产具有重要意义。     

考虑裂隙动态变化时裂隙土土水特征曲线的预测方法研究

 裂隙广泛分布于表土中,为土中渗流提供优势通道,导致土中渗透系数增大。裂隙土的土水特征曲线(SWCC)是分析裂隙土渗流问题的关键因素。考虑裂隙的动态变化,提出一种预测裂隙土土水特征曲线的新方法,并通过实例分析对此方法进行试验验证。将裂隙土系统分为裂隙网络系统和土体系统两部分,将相同状态下2种孔隙系统的土水特征曲线组合得到裂隙土在该状态下的土水特征曲线。随着裂隙的开展,可以得到裂隙发展路径上不同状态下裂隙土的土水特征曲线。将裂隙发展路径上不同状态下裂隙土的土水特征曲线进行合理组合,即可得到考虑裂隙动态变化时裂隙土的土水特征曲线。通过室内试验模拟裂隙在土样脱湿过程和吸湿过程中的动态变化,测定脱湿过程中的SWCC,用所提出的方法预测考虑裂隙动态变化时裂隙土的土水特征曲线,并将预测结果与试验结果进行对比。预测和试验结果都显示,裂隙土的土水特征曲线呈双峰特征。在达到土体的进气值之前,曲线由裂隙网络控制;当基质吸力较大时,曲线由土体的SWCC控制。试验结果与理论预测基本一致。     

小浪底水库下采煤导水裂隙发育监测与模拟研究

 新安矿有8.00×107 t煤炭资源处在小浪底水库水体之下,煤厚变化大(0.0～18.8 m),现有的导水裂隙高度计算方法不能满足水体下采煤安全评价的要求,水体下采煤存在突水隐患。为确定开采过程中覆岩破坏上限及其是否导通地表水体,研究区在5个地面钻孔中进行超声成像观测,在5个井下钻孔中进行并行网络电法CT观测,并通过物理模拟和数值模拟进一步研究各种不同开采条件下的覆岩破坏过程。观测及模拟结果表明,导水裂隙发育最大高度主要取决于煤层采厚,两者之间为非线性关系,在此基础上给出相应计算公式,为结合其他突水影响因素确定安全可采分区提供可靠依据,并得到3个位于安全可采区内的工作面工业性试采成功的验证。     

非饱和裂隙孔隙岩体持水曲线的预测研究

对于大量发育有毛细管通道的渗透性岩体,其持水曲线已经得到一些应用,但用试验方法较准确地测定具有基质孔隙和裂隙双重孔隙介质的岩体持水曲线仍是一个非常困难的问题,目前一般只能采用压汞试验进行转化得到;同时,持水曲线的准确程度将直接关系到岩体中非饱和作用研究结果的准确程度。因此,如何有效且准确地得到岩体持水曲线是值得研究的课题。基于微观结构特征和毛细管理论,讨论裂隙孔隙岩体持水曲线的预测方法;通过室内岩体微观结构的试验,进行持水曲线的预测,并与压汞试验曲线进行对比。对比结果显示,预测曲线与实测曲线吻合较好,准确度较高。由此可见,该预测方法简便、准确、实用性强,是得到孔隙性岩体持水曲线的有效途径。     

某煤层开采导水裂隙带发育高度数值模拟研究

实测矿井3号煤回采产生的顶板“两带”发育高度,掌握顶板覆岩地质、水文地质特征,研究顶板覆岩破坏规律,为矿井3号煤顶板水防治提供技术支撑和理论依据。利用FLAC3D数值模拟方法,研究隔水岩组在采动条件下的变形、破坏特征以及变形破坏稳定后的演化特征。研究表明：该煤矿工作面采空区上覆岩体破坏形式保持于“马鞍状”,随着工作面继续回采,采空区上覆岩体的破坏范围(塑性区域)出现明显的扩张,呈现“阶梯式”破坏发育。     

煤层底板导水裂隙演化规律的电法探测研究

 通过试验测定不同岩样在充水条件下应力–应变全程电阻率的变化,给出在采动过程中煤层底板岩层产生导水裂隙时的导电性变化规律,并以此为基础建立底板采动导水裂隙带动态演化地电模型。利用三维电法正演软件对此地电模型进行正演数值模拟,得出煤层底板导水裂隙演化过程中的视电阻率响应特征,为矿井电法数据采集系统设计和资料处理解释提供理论依据。依据全空间高精度三维电法测量的思想,提出煤矿底板导水裂隙带动态监测系统的设计原则和技术要求,为现场实际工作条件下煤矿底板破坏裂隙带动态监测系统设计提供依据,并成功用于安徽一矿底板破坏导水裂隙带演化规律的探测。实测结果表明,采用三维电阻率法探测(监测)底板导水裂隙带演化过程效果明显,能显示出底板在回采过程中变化破坏情况,有利于煤矿底板突水预测和突水防治措施的制订。     

近风氧化带开采导水裂隙发育规律及机制分析

 为寻求提高开采上限导高发育规律,以40例“两带”探测钻孔实测数据为依据,应用回归分析方法对3种水体采动等级下不同覆岩类型的导水裂隙高度进行非线性统计研究,并首次建立3类水体下的预留防水煤岩柱与裂采比间的BoxLucas1模型曲线。研究发现：提高开采上限时,BoxLuca1曲线预测导水高度的误差值远小于常规“三下”规程经验公式误差,表明该模型的合理性;3类水体的曲线斜率逐渐增大,顺序为II,III类＞I类,表明II,III类裂采比下降更快,导高发育受到风氧化带的抑制作用更加明显。而且I,II类水体下的导水裂隙顶界面未达到泥化层的底界面,III类水体下的裂隙未达到或未穿透风氧化带。说明在一定范围内提高开采上限是可行的。在此基础上,一方面利用Paris位移公式和Crouch不连续位移公式,提出风氧化带拉张型裂隙面的位移公式,计算结果表明,该带裂隙受上覆自重应力影响更容易因发生变形位移和刚度位移而产生弥合效应。另一方面,风氧化带特有的塑性大变形使得外力对该带所做的功大部分被其消耗掉,因而更容易损耗劈裂能量,从而抑制导水裂隙的继续向上发育。这可为该带下合理留设防水煤岩柱提高煤层开采上限提供理论依据。     

矸石充填开采顶板裂隙分布及演化特征分析

为了分析矸石充填条件下采空区顶板的破裂特征和运动过程,针对唐山矿矸石充填工作面条件,采用倾斜钻孔探测方法,对采空区顶板进行长期多次定点探测,通过裂隙密度定量描述顶板采动裂隙的分布规律,并采用相似模型试验的方法进行辅助分析,揭示矸石充填开采顶板裂隙发育过程。研究表明：矸石充填开采条件下,顶板中的离层和错动等结构裂隙通常出现在岩层分界处,裂隙形式与所处层位相关;随工作面开采,煤层顶板活动具有裂隙孕育、裂隙超前发育、裂隙密集发育、裂隙稳态扩展、顶板稳定5个阶段特征;离层是顶板下沉的主要组成部分,占总下沉量的一半以上。研究结果可为充填开采支护设计、工作面支架选型等提供理论依据。     

采空区矿柱–顶板体系流变力学模型研究

 以采空区留矿柱采矿为背景,建立采空区矿柱–顶板体系流变力学模型,得出矿柱支撑下采空区顶板受流变作用位移控制方程,依此对采空区顶板破坏的不同阶段进行分析讨论。研究表明,考虑矿岩流变性的情况,采空区顶板岩层将随时间逐渐破坏直至坍塌。通过案例分析,所建立的考虑矿柱流变特性的采空区矿柱–顶板体系力学模型,可以对采空区稳定时间进行估计。     

基于突变理论的采空区重叠顶板稳定性强度折减法及应用

 建立基于突变理论的采空区重叠顶板稳定性强度折减法,研究重叠顶板的安全储备。提出采空区重叠顶板安全系数的概念,通过不断折减重叠顶板强度参数,得到不同折减系数下重叠顶板中点的竖向位移序列,建立其竖向位移序列与折减系数的尖点突变模型,以此作为采空区重叠顶板是否失稳的判据。以双层长方体采空区重叠顶板为例,得到不同顶板跨度下,重叠顶板安全系数和厚跨比之间的对数拟合函数,表明重叠顶板安全系数受顶板厚跨比和跨度双重影响。采用基于突变理论的采空区重叠顶板稳定性强度折减法对多层采空区重叠顶板进行稳定性分析,得出上层采空区重叠顶板不稳定会促使下层采空区重叠顶板向不稳定演化。对高峰矿区105#矿体多层复杂采空区重叠顶板稳定性进行分析后可知：除1#,2#采空区重叠顶板外,其余重叠顶板基本稳定,其安全系数在1.50以上。基于突变理论的采空区重叠顶板稳定性强度折减法为研究采空区稳定性提供一种新的研究途径。     

基于塑性铰理论的导水裂隙带发育高度预判

为更客观和准确地对导水裂隙带发育高度进行预判提供理论支撑。以塑性铰理论为基础结合关键层对岩层移动的控制作用,从理论上阐述了导水裂隙带的形成本质是岩层竖向破断裂隙导气导水能力的形成,并通过数值模拟和工程算例对覆岩结构对导水裂隙带发育的影响进行了分析和验证。研究结果表明:覆岩结构对导水裂隙带的形成和发育有较大影响,处于垮落带范围的关键层破断后若能形成稳定的承载结构,则能有效阻止垮落带向上发展,此时应以关键层所在层位作为垮落带的发育高度;同时,由于导水裂隙带上部岩层下沉空间有限,处于导水裂隙带中上部的关键层在弯曲下沉过程中往往不会发生弯曲破断,从而形成塑性铰结构。此时,可采用塑性铰理论对其竖向贯通裂隙进行分析,确定其导气导水能力,从而对其是否为导水裂隙带的上边界进行判断,进而确定导水裂隙带的发育范围。     

亭南煤矿204工作面4煤导水裂隙带高度测试研究

本项目运用钻孔冲洗液消耗观测法和钻孔电视探测法两种方法测定和研究了4煤顶板导水裂隙带的发育高度,获得了综采条件下导水裂隙发育高度的实测数据。     

裂隙动水注浆堵水模型试验研究

研制可视化动水条件下单裂隙注浆堵水模型,并进行验证模拟试验,结果表明该模型试验系统能直观地观察动水下浆液注入裂隙后的扩散过程和规律.动水流速是影响注浆材料堵水效果的最重要因素,裂隙张开度次之.通过实时监测裂隙中凝胶分布、末端液体流量以及堵水率将浆液堵水效果分为较好、一般、较差、失败4个等级.     

覆岩主关键层位置对导水裂隙带高度的影响

 采用理论分析、模拟实验和工程探测等方法,就覆岩主关键层位置对导水裂隙带高度的影响进行深入研究。研究结果表明：覆岩主关键层位置会影响顶板导水裂隙带高度,当主关键与开采煤层距离较近并小于某一临界距离时,顶板导水裂隙带将发育至基岩顶部,导水裂隙带高度明显大于按我国《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(以下简称“规程”)中的顶板导水裂隙带高度确定方法得到的结果。对导水裂隙带高度产生影响的主关键层与开采煤层临界距离主要与煤层采高、顶板碎胀压实特性、主关键层破断块度等因素有关,可以粗略按7～10倍煤层采高计算该临界距离。当覆岩主关键层与开采煤层距离小于7～10倍采高时,不能按规程中的方法确定顶板导水裂隙带高度;当覆岩主关键层与开采煤层距离大于7～10倍采高时,仍可按规程中的方法确定顶板导水裂隙带高度。上述结果能很好地解释部分煤矿顶板异常突水灾害的发生机制,并指导神东矿区补连塔煤矿顶板突水灾害防治实践,取得显著的经济效益。     

湖北省竹园沟磷矿采空区塌陷预测研究

为实现矿山地质环境保护与土地复垦方案中采空区塌陷的合理预测,本文以竹园沟磷矿为研究对象,通过比较岩石移动范围法、导水裂隙带最大高度法、经验公式法、采深采厚比值法、概率积分法5种预测方法的适用范围,确定采深采厚比值法、概率积分法为竹园沟磷矿采空区塌陷范围预测适用方法.通过以上方法,综合确定了竹园沟磷矿塌陷区防治策略,使竹...     

硬厚砂岩顶板垮落引燃采空区瓦斯机制初步研究

高瓦斯煤层上部赋存硬厚砂岩顶板时,因顶板垮落引燃采空区内瓦斯甚至导致瓦斯爆炸事故时有发生。以夏阔坦煤矿下10煤层1007工作面开采为工程背景,采用室内实验和理论分析的方法,研究岩石摩擦效应引燃瓦斯的点火源、断裂岩层滑落失稳发生条件、边界支承条件和破断阶段对断裂岩层发生滑落失稳的影响。该工程地质条件下研究结论表明,坚硬砂岩摩擦过程产生的热量能够引燃瓦斯,与摩擦过程产生的火花束和高温岩粉流相比,高温热摩擦面更易引燃瓦斯,是主要点火源。顶板岩层初次破断后,岩层侧向破断尺寸与岩层厚度比值di/h常大于2.6;顶板周期性破断时,岩层侧向破断尺寸与岩层厚度比值di/h常小于2,顶板岩层周期性破断期间更易发生滑落失稳。边界支承条件对岩层滑落失稳发生影响较大,岩层破断时简支边界较固支边界更易发生滑落失稳,厚度大于11 m的岩层初次破断时、厚度大于4 m的岩层周期破断时,在简支边界处即可满足滑落失稳发生条件。当工作面上部为已采空区域,采场上部破断三角岩块是硬砂岩顶板垮落引燃采空区瓦斯的危险区域,可从顶板弱化和瓦斯治理两个方面开展防治工作。     

浅埋极近距采空区下工作面顶板结构及支架载荷分析

针对浅埋极近距离煤层采空区下开采支架载荷确定难题,以神府矿区某矿极近距离煤层开采条件为背景,采用物理相似模拟实验和理论分析方法,揭示了采空区垮落顶板二次采动结构的运动特征,建立了极近距离采空区下开采顶板结构模型,得出了支架载荷计算公式。研究表明,上层煤顶板垮落稳定后在采空区形成"自由冒落区"和"斜柱条梁区"。极近距离下煤层开采时,"斜柱条梁区"的顶板结构运动分为铰接离层段和沉降压实段,通过建立这2个阶段的顶板结构模型,给出了支架载荷计算公式,确定了以沉降压实段的支架载荷作为工作面支架选型的依据,通过石圪台煤矿浅埋极近距离煤层开采实践分析,验证了公式的可靠性。