工作面覆岩采动裂隙演化规律物理及数值模拟研究

了解工作面推进过程中采动裂隙的演化规律对于煤层气抽采及瓦斯控制至关重要。采用相似模拟和数值模拟的方法研究了工作面推进过程中采空区覆岩采动裂隙的演化规律,研究结果表明：采空区中部和采空区边界处靠近巷道的区域上覆岩层的采动裂隙存在截然不同的变化规律。采空区中部区域,上覆岩层的采动裂隙随着工作面的移进及越过呈现“迅速增加—逐步减低—稳定”的变化规律;采空区边界靠近巷道的区域,呈现“迅速增加—稳定”的变化规律。远离开切眼、靠近巷道的采空区上覆岩层采动裂隙发育最为充分;工作面走向平行于最大水平主应力时的各区域采动裂隙发育,显著高于工作面走向垂直于最大水平主应力时的;较硬直接顶对于提高采动裂隙渗透率有积极作用。     

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。     

含断层覆岩采动裂隙演化规律

卸压瓦斯抽采与覆岩裂隙变化规律紧密相关。采用相似模拟试验对贵州某煤矿含断层覆岩移动规律、裂隙分布规律以及形态特征进行分析,研究含断层覆岩裂隙场演化规律。试验结果表明,随工作面的推进覆岩裂隙经历了产生、发展、闭合过程,在顶板断层附近裂隙显著增多,其裂隙密度曲线呈"山"字形分布;采动裂隙场的发育高度受关键层和断层带影响明显。     

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。     

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.     

高瓦斯薄煤层采动裂隙演化规律及瓦斯抽采技术

针对鸡西矿区某矿薄煤层工作面瓦斯涌出量大,现有风排措施难以控制,需采用抽采措施减小瓦斯量的问题。运用理论计算及数值模拟分析了顶板采动裂隙的发育规律,发现薄煤层工作面顶板环形裂隙圈的宽度较小,且不能使上部亚关键层破断,使得亚关键层及以上岩层中不能发育贯通裂隙富集瓦斯。因此应将抽采工程布置在亚关键层下的裂隙带内,根据分析进行了抽采工程设计并取得了良好的应用效果。     

采动覆岩裂隙演化规律的定量描述

对采动覆岩裂隙的定量描述一直是困扰采矿工程的科学问题。通过室内相似材料模拟实验,对综放工作面覆岩裂隙破坏过程进行了监测,并根据采动覆岩裂隙的发育过程在时间及空间的数字成像,提出了应用"双重分形"理论揭示采场覆岩裂隙的萌生、扩展、贯通的过程,获得了采动条件下覆岩裂隙时空演化的定量描述方法。     

综采工作面采动裂隙分布的数值模拟研究

确定煤层采动后裂隙区域的分布,是卸压瓦斯抽采高位钻孔合理布孔的先决条件,其直接影响瓦斯抽采效果。本文针对沙曲矿24207综采工作面,采用UDEC4.0模拟软件,确定了采动覆岩裂隙分布区域为:在垂向上位于煤层上方7m~46m,倾向上位于采空区两侧40m,走向上分布于采空区两侧45m。为高位钻孔布置提供了有益参考。     

采动裂隙带卸压瓦斯合理抽放效果分析

分析采动裂隙带中卸压瓦斯的运移特征与提出合理有效地抽采裂隙带卸压瓦斯措施对确保回采工作面高安全高效生产意义重大.建立采动裂隙带卸压瓦斯运移FLUENT数值模拟模型,模拟分析确定U(U型通风模式)+L(内错尾巷)+走向高抽巷型通风模式下高抽巷和联络巷最佳布置参数以实现最理想的瓦斯抽放效果,在此基础上提出U+L(内错尾巷)+走向高抽巷型立体化采动裂隙带卸压瓦斯治理方案.     

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。     

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。     

覆岩裂隙演化的RFPA数值模拟研究

煤体采动导致煤层原始平衡应力发生变化,引起工作面前方支撑压力发生变化,使其上覆岩层发生失稳变形,形成采动应力分布的不同影响区。通过RFPA数值模拟软件,对工作面推进过程中覆岩裂隙动态演化规律进行模拟,得出覆岩随工作面推进的垮落高度及来压步距,同时得到采动影响下煤层底板应力变化与横三区及支撑压力峰值的变化规律。     

覆岩采动裂隙中瓦斯渗流特性数值模拟

运用RFPA-flow数值模拟软件,对关键层位于距离煤层顶板30 m处开采过程的上覆岩层垮落现象及随工作面推进过程中上覆岩层中瓦斯气体渗流速度变化规律进行了数值模拟。通过对实验结果的分析可知,开采过程工作面前方形成了卸压区、应力集中区、稳压区、原岩应力区,上覆岩层的来压步距为15 m左右,上覆岩层中瓦斯渗流速度随煤层的开采,呈现出先升高,后降低,再升高的变化趋势。     

远程卸压瓦斯抽采特征与采动裂隙演化的数值模拟

为了解远程卸压开采中的瓦斯抽采特征及裂隙演化过程,以朱集矿首采工作面综合抽采为例,对比分析了各措施抽采参数变化规律。研究结果表明:留巷埋管和地面钻井抽采瓦斯浓度较高,穿层钻孔因顶板运动可能造成钻孔错断,尚不能准确实现远程定点抽采,各孔瓦斯抽采纯量和浓度差异较大,在钻孔布位和维护方面仍有较大的优化空间。运用UDEC软件模拟了采动裂隙的演化进程,模拟结果与瓦斯抽采参数的监测结果和来压规律较为吻合,可辅助查明留巷内穿层钻孔的损毁原因。     

采场覆岩裂隙演化分区与渗透性研究

通过分析开采条件下工作面前方支承压力分布规律和煤体卸压破坏全过程的采动力学行为,采用实验室实验研究了工作面前方承载应力环境下岩体渗透性的变化;揭示了采动影响下采场空间裂隙发育与演化规律,提出工作面前方裂隙发育区形成的主要原因是强度破坏,并分为原岩裂隙区、应力集中裂隙孕育区、卸压剪切裂隙发育区,渗透性较强的区域为卸压剪切裂隙发育区,与塑性区近似重合。     

采动应力-裂隙动态演化规律的数值分析

采用可以模拟连续及非连续介质出现变动响应的离散元软件对采动围岩的应力和裂隙进行了分析。结果表明:采动应力变化在时空上和采面的距离和煤岩层间距有关,完全开采前近煤层应力变化为对称"V"型-非对称"V"型-"W"型,远煤层应力变化为对称"V"型-非对称"V"型;采动裂隙是采动应力变化的显现,裂隙的发育与采动应力集载和卸载频度有关,在煤层上方15³0 m应力幅度变化大,裂隙密度大、持续时间长,是理想的瓦斯抽放位置。     

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。     

采动岩体裂隙分维演化规律分析

采用岩石破裂过程RFPA数值分析系统研究了具有初始裂隙的采动岩体裂隙演化过程和破坏模式,利用数值试验成果基于分形几何理论分析了采动岩体裂隙分形维数随开采宽度、初始损伤量的演化特征,揭示了采动岩体裂隙分维演化规律.分析证明,与采动岩体裂隙分布的分形维数存在明确对应关系的应为初始损伤量,而不是初始裂隙倾角,不同的初始损伤量对应不同的分形维数,在开采末期,采动岩体裂隙分维随初始损伤的增加而呈线性增加,回采结束时,初始损伤量越大,采动岩体裂隙分布的分形维数越大.研究结果为进一步探索裂隙随机分布时采动岩体分维演化规律提供参考依据.     

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。