弱胶结地层重复采动覆岩渗透性演化规律研究

为研究西部地区弱胶结地层煤层群开采过程中覆岩渗透性演化规律,以伊犁矿区伊新煤业开采地质条件为基础,通过构建弱胶结采动地层数值计算模型,分析了重复开采扰动下弱胶结煤系地层覆岩的应力分布特征、塑性破坏区发育及渗透性演化规律。结果表明：近距离上位煤层开采时,采动支承压力峰值的应力集中系数达到1.81,采空区覆岩最大拉应力值达到0.9MPa;上位煤层工作面推进距离达到300 m时,采空区上行破坏区和下行破坏区相互导通;重复开采扰动下,弱胶结地层采动覆岩的孔隙压力大幅下降,采动渗流场呈现采空区四周渗流速度大于采空区中部渗流速度、采空区煤壁侧的渗流速度大于两侧和切眼侧渗流速度,当上行和下行破坏区连通时渗流速度大幅增大;近距离下位煤层开采,当煤层间岩层破坏区初次贯通时,上下煤层间岩层形成中间渗流速度大、两边渗流速度小的扇形渗流场,随着工作面持续推进,最大渗流速度位于工作面前方。     

基于采空区瓦斯运移规律的抽采钻场设计

为了对高瓦斯工作面采空区抽采钻场进行设计,使采空区及工作面上隅角瓦斯得到有效控制,通过数值模拟分析了采场覆岩结构及裂隙发育规律;根据模拟结果利用实验室试验分析了抽采钻孔在不同位置时采空区瓦斯的运移规律,得出终孔位置距煤层顶板上方30m左右,距回风巷水平距离10～20m时抽采效果最佳;且终孔高度应根据工作面覆岩结构形态有所区别,靠近回风巷的钻孔高度应控制在规则冒落带上部,靠近工作面中部的钻孔应布置在裂隙带内。     

近距离煤层采空区下工作面矿压显现规律研究

针对近距离煤层采空区下开采采场矿压控制问题,根据某煤矿地质条件及工作面布置方式,采用物理相似模拟与现场实测相结合的研究方法,总结了近距离煤层上煤层开采完毕后,采空区下工作面回采过程中矿压显现规律,进一步分析了采空区下采场覆岩运动规律;由于上煤层开采造成上覆岩层垮落,老顶岩层完整性受到破坏,采空区下煤层开采时,工作面采场覆岩构成"块体-散体-块体"的复合老顶结构,从而使工作面开采过程中形成"小-大初次来压及周期来压"的矿压显现规律.     

极近距离采空区下大采高综放覆岩应力演化

以龙王沟煤矿为工程背景,采用UDEC数值模拟软件对比研究原始地层下和6上煤采空区下,6#煤大采高综放采场覆岩应力演化规律。研究表明:采空区下工作面超前应力集中影响范围更大,应力突变性高,应力增高系数是原始地层下的2.4倍;强烈的超前集中应力将破坏覆岩结构,引起剧烈的矿压显现,威胁工人生命安全。     

千米深井大采高采场围岩应力分布规律数值分析

煤矿深部开采的应力集中异常突出,以唐口煤矿1305工作面为例,利用FLAC3D有限差分软件对千米深井大采高采场围岩应力分布规律进行数值分析。模拟结果表明:1305工作面回采时,在采空区四周煤体内形成对称的"双肺"状支承压力影响区;随着工作面推进,采场支承压力峰值及采空区上覆岩层破坏高度逐渐增大,工作面见方后,采空区顶板破坏高度与超前支承压力峰值变化趋于稳定,支承压力最大峰值约为72MPa,应力集中系数k为3.0;工作面煤壁前方与采空区两侧煤体内支承压力峰值随工作面推进向深部转移,且支承压力影响范围逐渐增大,压力峰值与工作面煤壁之间的距离基本保持在8~15m范围内。     

大倾角大采高采场覆岩应力路径时空效应

为揭示大倾角大采高采场覆岩变形破坏的时空演化特征及应力路径效应,以2130煤矿25221工作面为研究背景,采用3DEC数值模拟方法,在对覆岩变形破坏时空演化特征的综合厘定与分析的基础上,提出了大倾角采场上覆岩层在采动应力作用下的扰动分区,量化了采场沿工作面走向、倾向及不同层位覆岩采动应力路径的空间演化规律,揭示了采场空间不同区域覆岩采动应力与断裂失稳过程中的对应关系。研究结果表明：在大倾角大采高开采中,重力-倾角效应作用下矸石呈现非均匀充填特征,导致覆岩垮落形态及顶板承载拱在采场空间均呈现出典型的跨层迁移转化特性,包络面内中上部区域“倒三角临空面+倾斜砌体结构+高位梯阶岩层”形成空洞现象,“高位梯阶岩层”失稳易诱发“倾斜砌体结构”同时断裂,对支架形成较大的冲击动载荷。工作面煤层开采导致采场上覆岩层的三向采动应力大小、方向均发生了显著变化。沿工作面走向,覆岩最大主应力演化先增大再减小,最小主应力则先减小再反向增大,最大和最小主应力沿推进方向的垂直平面内向采空区旋转,上覆岩层的极限平衡状态界面沿工作面倾斜方向呈非对称展布。沿工作面倾向,煤柱侧上方岩层产生应力集中,工作面上方岩层卸荷,覆岩层...     

煤矿高强度长壁开采覆岩破坏充分采动及其判据

煤矿长壁开采引起的覆岩破坏高度对于水体下采煤、保水开采以及瓦斯治理的解放层开采等均具有重要意义。采用理论分析和数值模拟方法对煤矿高强度长壁开采引起的覆岩破坏高度及其达到覆岩破坏充分采动的判据进行了研究。基于覆岩破坏充分采动的定义,分析了覆岩破坏充分采动的特征及其影响因素,包括工作面开采厚度、开采尺寸(走向、倾向长度)、开采深度与覆岩岩性;提出了以"梯形-面积""四棱台-体积"为依据的覆岩破坏充分采动理论判别方法,并将煤矿长壁开采三维覆岩破坏及地表下沉简化为4类采动影响体积(采空区长方体体积、上覆岩层预破坏四棱台体积、覆岩破坏后的体积与地表下沉体积)之间的关系,得到了工作面达到覆岩破坏充分采动时的覆岩破坏高度理论表达式与覆岩"两带"破坏模式的判别式;基于某高强度开采工作面,建立并校核了考虑现场最大、最小水平主应力方向与工作面推进方向夹角的三维数值模型,采用离散元数值模拟方法分析了高强度开采工作面不同开采厚度、开采尺寸与开采深度对覆岩破坏充分采动的影响。结果表明:高强度长壁开采工作面达到覆岩破坏充分采动时的推进距离与工作面倾向长度、深厚比成反比,研究给出了高强度长壁开采覆岩破坏充分采动的判...     

特厚煤层大空间综放采场覆岩运动及其来压规律研究

为实现复杂条件下特厚煤层综放工作面安全高效开采,采用理论分析、相似模拟试验和微震监测等多种方法,对极近距采空区下特厚煤层综放采场大空间覆岩结构形式及其运动规律和覆岩来压机理进行研究。结果表明:1)上部2#煤层的开采,从下向上的上覆岩层依次发生垮落、断裂和弯曲下沉运动,上覆岩层完整性得到破坏,且不易积聚弹性能,降低了下部极近距离特厚煤层综放工作面顶板动压系数和来压强度;2)考虑上部煤层的采动影响,在特厚煤层综放采场,上覆岩层下沉运动空间大,采动围岩超前破坏范围大,基本顶岩梁岩块数量多于一般综放采场,且其下沉运动主要为回转失稳或剪切滑落失稳,采场覆岩动压发生的可能性降低;3)相似模拟试验、微震监测和现场实测等结果与理论分析基本吻合,特厚煤层综放采场覆岩超前远距离破坏范围达400 m;4)支架工作阻力和现场矿压实测结果表明,支架工作状态较稳定,来压动载系数平均1.19～1.22,支架来压步距离散性较大、规律性不强,工作面整体来压强度较小。结果可为类似条件下特厚煤层综放工作面支架选型、顶板控制、高效生产等提供参考。     

房式采空区下长壁回采顶板垮落特征研究

以鄂尔多斯地区房式采空区下煤层长壁开采为主要研究对象,采用支架工作阻力观测、理论分析了房式采空区下煤层长壁开采围岩应力场的分布和顶板的垮落特征,根据采场支架工作阻力的分布特征,认为房式采空区上部覆岩在一定的采高范围内存在上部大结构,综采工作面顶板及上方煤柱形成小结构,上部覆岩大结构与下部顶板小结构垮落的不同周期性,将会引起工作面周期来压的不等距和来压强度的不等强性。     

特厚煤层相邻工作面开采覆岩运移规律研究

为了掌握相邻工作面煤层开采后覆岩运移规律,采用FLAC有限元软件模拟某矿相邻工作面先后开采后覆岩应力、位移和塑性破坏特征。结果表明:相邻采空区残余支承压力在中间区段煤柱叠加,煤柱覆岩在极大应力的作用下产生较大的垂直位移和剪切破坏,使得两侧采空区高位覆岩向下同步运动;采空区覆岩随工作面回采呈现"增大-稳定"的拱形破坏,沿倾向形成双拱破坏,其与中间煤柱覆岩较大的剪切耦合形成1个横跨两采空区的破坏拱。最后通过现场钻孔窥视证实覆岩运移破坏特征,并结合经验公式得到相邻工作面开采覆岩"两带"破坏高度取估算上限值更为合理。     

近距离采空区下大采高综采面矿压演化规律研究

 为了研究近距离煤层上覆煤层已采对下覆煤层开采时支承压力的影响,基于潘二煤矿18516工作面矿压实测结果,运用FLAC3D大型非线性三维数值模拟软件,从围岩应力场分布角度对上覆已采煤层对18516工作面作用机理进行了分析。结果表明,煤柱下支架来压时最大循环末阻力大于采空区下支架载荷。煤柱下部周期来压时最大循环末阻力小于初次来压时的载荷;采空区下,周期来压时最大循环末阻力略小于初次来压时的载荷,相差不大。采空区影响区域,6煤采空区上方应力呈“鞍”形等值线分布,煤柱影响区域,6煤采空区上方应力呈“拱”形等值线分布。煤柱下的支承压力应力集中系数达到4.6～4.67,是采空区下方应力集中系数的3.5倍,受煤柱高支承压力的影响,工作面开采此位置时的危险程度较高,更易产生片帮、漏顶现象。     

浅埋近距离煤层开采房式煤柱群动态失稳致灾机制

针对我国西部矿区浅埋近距离煤层房采煤柱下开采时易发生工作面压架、地表台阶塌陷以及矿震灾害的现象，采用物理模拟及数值模拟方法对下煤层工作面采动时上覆房采煤柱群的动态失稳过程及工作面压架机理开展研究。实测统计榆阳区部分矿井本煤层房式开采后，只有当房采煤柱的弹性核区比例大于31%时，房采煤柱才能处于长期稳定。下煤层采后的模拟结果表明:上覆房采煤柱的破坏形式及其失稳次序同其与下煤层工作面相对位置密切相关，房采煤柱依次从工作面开切眼位置、工作面位置、采空区中部位置发生破坏及失稳，且工作面开切眼和工作面位置处煤柱多发生顺向采空区的斜切破坏，而采空区中部煤柱则发生垂向压裂破坏。根据石圪台煤矿数值模拟结果显示，上部2-2煤层房采后煤柱支承应力峰值由原岩应力2.8 MPa增大至12 MPa，应力集中系数为4.28;当下部3-1煤层工作面采后，上覆2-2煤层房采煤柱的支承应力峰值增大至30 MPa，应力集中系数达10.71;下煤层工作面开切眼侧与工作面正上方的房采煤柱呈现垂向不均匀承载特征以及受水平拉伸变形影响，是导致边界处房采煤柱易出现对角斜切破坏模式的主因。两侧边界煤柱失稳后，其顶板岩层瞬间发生整体拉剪破断从而引发矿震，顶板多层岩层以“整体运动”的形式急剧快速下沉并撞击底板，将采空区中部上方的房采煤柱压垮压塌，同时巨大的冲击力进而导致上下煤层间的岩层发生全厚切落，造成下煤层工作面发生切顶压架。实验发现从上覆房采煤柱群首个煤柱发生破坏至整体失稳运动并达到稳定，历时仅约为0.45 s，其中，上下煤层之间的岩层发生全厚切落历时仅约为0.05 s。     

急倾斜煤层开采与开拓巷硐群扰动效应数值模拟分析

针对王家山煤矿急倾斜煤层开采与开拓巷硐群工程越界对地方煤矿安全开采问题,建立了急倾斜煤层开采与开拓巷硐群数值计算模型,分析了覆岩移动变形与应力演化规律。研究结果表明：急倾斜煤层开采,采空区上方煤层先破坏、垮落,顶板沿层理面法向发生弯曲、离层,采空区上部煤体先垮落,呈拱形结构,抑制了上覆煤岩体向采空区的垮落和移动;工作面采高5.2m,顶板发生垮落,底板也会发生滑移,顶板一侧的沉陷大于底板一侧的,在底板一侧出现断崖式现象,但垮落带发育高度小于工作面距井田边界的距离;巷硐群最大位移均发生在泥岩、煤层等软弱岩层以及断层破碎带区域,其扰动效应增加;在软弱岩层时巷道最大影响圈边界增加,影响边界贯通,但最大裂隙带高度为11.5m,裂隙带上脚未发育至井田边界标高。因此,工作面开采与开拓巷硐群对地方煤矿开采没有影响。     

采空区下近距离煤层巷道围岩稳定性分析及控制

针对近距离煤层工况条件下,下部特厚综放工作面开采时存在覆岩应力变化大、矿压显现明显、工作面支护难度加大,煤壁片帮、顶板漏冒事故多等问题,以王庄煤矿开采的2号和3-5号煤层工作面为工程背景,通过理论分析、采用UDEC离散元软件和FLAC 3D软件建模分析及现场应用实践等方法,对近距离特厚煤层开采条件下工作面采空区覆岩运动及顶板应力变化规律进行了研究分析。结果表明,上部2号已开采煤层覆岩关键层岩体发生断裂对下部3-5号煤层工作面来压强度影响巨大,容易引发工作面采空区顶板大面积来压。据此提出优化30501工作面巷道布置,将原回风巷向内侧偏移25.4 m,工作面倾斜长由原来的180 m缩短为154.6 m,从而减小上部煤层工作面留设的区段煤柱应力影响范围,同时通过优化工作面开采工艺、合理确定工作面三机设备选型和端头及超前支护方案。现场应用结果表明,工作面在掘进和回采过程中矿压显现程度及次数明显降低和减少,未发生过顶板、瓦斯等大型事故,实现了安全高效回采。     

急倾斜煤层工作面应力分布与破坏特征数值模拟

根据新铁煤矿49#下右六片急倾斜煤层走向长壁综采工作面煤岩赋存条件以及回采工作面采空区冒落矸石的充填特征,应用FLAC3D软件模拟在采空区中下部矸石自溜充填后工作面采动煤岩应力分布规律及顶底板破坏特征。研究结果表明:急倾斜煤层开采过后,工作面上下端部垂直应力集中系数最大,应力集中现象非常严重且在采空区后方距工作面煤壁15 m附近上下端部垂直应力达到最大值;在采空区后方随着距工作面煤壁距离的增加,剪切应力先减小,然后增加,最后趋于稳定,在采空区后方距工作面煤壁34～38 m区域剪切应力最小;工作面顶板塑性破坏剧烈,塑性破坏形式多样,工作面底板破坏较小,破坏形式简单,顶板上端部破坏高度小,顶板下端部破坏高度大。     

关键层结构提前滑落失稳对浅埋近距离煤层出煤柱压架灾害的影响

针对神东矿区浅埋近距离下部煤层工作面出煤柱时频繁发生的压架灾害问题,综合采用理论分析、模拟实验与现场实测,从煤柱边界上方关键层结构稳定性角度,阐述了该结构在下部煤层工作面出煤柱前预先发生滑落失稳对压架灾害的影响规律。结果表明:下部煤层工作面出煤柱开采过程中,煤柱上方关键层破断后与采空区一侧已断块体形成的三铰式结构是不稳定的,它的相对回转运动向下传递的过大载荷是引发压架灾害的根源;若采空区一侧已断块体提前发生滑落失稳,则下部煤层工作面出煤柱等效于采空区下的重复开采,煤柱上方关键层破断后将无法与采空区一侧已断块体发生同步的相对回转,从而可有效减缓煤层间岩层的负载,最终对压架灾害发挥明显的削弱作用;据此提出了对煤柱上方关键层铰接结构提前实施爆破强放的防治对策,其有效性得到了模拟实验和开采实践的验证。     

浅埋煤层长壁开采围岩应力场特征研究

利用数值模拟及现场观测,研究了浅埋深长壁工作面围岩应力场特征,得出上覆岩层中可形成承压拱结构,该结构能否稳定存在直接关系到工作面矿压显现,并提出将承压拱结构能否稳定存在作为判别某一煤层是否为浅埋煤层的方法。分析了采高和工作面长度对承压拱结构稳定性的影响程度,结果表明:采高对承压拱结构的临界高度及结构稳定性影响十分显著,当采高达到一定值后,上覆岩层中不能形成稳定的承压拱结构;工作面长度对于承压拱结构的稳定性具有很大影响,但当工作面达到一定临界长度时,再加长工作面对覆岩结构稳定性影响程度降低。     

孟巴矿厚松散含水层下协调保水开采模式

孟巴矿的地质采矿条件具有近地表松散富含水层厚、煤层顶板厚、煤层厚的"三厚"特征,开采煤层覆岩中含有多个含水层组,矿井水害是威胁矿井安全生产的主要因素。在覆岩多水体条件下,为了有效防止近地表厚松散UDT含水层进入井下,导致淹井灾害发生,提出上保下疏的开采水害防治模式。一分层安全开采的关键技术是控制复合关键层的结构稳定,应用初始后屈曲理论解析其稳定性,得出结构关键层的极限破坏长度,通过线性回归给出分层开采覆岩导水裂缝带发育高度预计计算公式,分析确定了一分层开采工作面宽度不超过150 m,限高开采3 m;依据对UDT含水层防护的安全煤岩柱高度确定二分层开采高度,二分层开采后覆岩结构关键层发生破坏,既能够有效疏放LDT隔水层以下含水层水,又能够保证LDT隔水层的完整性,达到UDT水体不发生下泄的目的,保障了矿井安全开采;根据工作面协调减损开采原理,确定开采分层合理错距约为82 m,下分层的巷道布置在上分层开采采空区下的厚煤层分层错距协调限高开采布置模式,实现有效降低了覆岩应力的叠加效应,减轻LDT隔水层的变形破坏程度。开采结果表明:厚煤层分层协调布置开采方法,有效减轻了UDT含水层下LDT隔水层应力叠加损伤程度,保护了隔水层的完整性;一分层限高综采,二分层限高综放开采分次疏放了煤层顶板至LDT底板2个含水层组,解决了矿井排水能力较小条件下的水害防治问题;分层工作面错距协调布置开采方法,有效降低了开采边界导水裂缝带发育高度,减小了LDT变形破坏程度,同时释放了一分层区段煤柱应力,实现了覆岩整体下沉,不但有效地降低了覆岩破坏高度,而且减小了冲击矿压冲击强度,开采期间UDT水位变化幅度稳定保持在一定范围内,实现了多水体条件下上保下疏的厚煤层分层安全开采模式。     

浅埋煤层房柱式采空区下长壁开采矿压显现特征

以鄂尔多斯地区浅埋煤层房柱式采空区下煤层长壁开采为主要研究对象,通过理论分析、现场矿压实测等方法,得出房柱式采空区上部覆岩在一定的采高范围内存在叠合梁结构,并且上位基本顶结构为固定梁,下位基本顶结构为悬臂梁,房柱式采空区煤柱及以下顶板构成直接顶;在上位固定梁的回转力矩作用下,下位悬臂梁周期性折断,其动载荷通过房采区煤柱传递给采场支护结构。上位悬臂梁与下位悬臂梁失稳的不同周期性,会引起工作面周期来压的不等距和来压强度的不等强性,是长壁采场支架失稳的主要原因。     

近距离煤层群二次采动覆岩结构演化与矿压规律

近距离煤层下部煤层开采受上部遗留煤柱影响较大,易出现应力集中、矿压显现剧烈等情况,严重威胁矿井的正常生产。本文采用数值模拟、理论分析及现场实测等方法,对极近距离煤层群二次开采时顶板结构特征、活动规律及矿压显现规律进行了研究。结果表明:下部煤层开采导致直接顶向更高更远处发展,并涵盖了上部煤层采后的直接顶及基本顶范围,形成了典型“垮落带累加”的采场覆岩结构;上部煤层开采对下部煤层起到了一定的卸压保护作用,下部煤层工作面超前支承压力峰值及影响范围减小;但上部顶板垮落压实及遗留煤柱也造成了下部煤层局部区域动压显现,对工作面回采产生不利影响。研究成果为提高资源采出率、保证生产安全提供了科学依据。