浅埋深薄基岩矿井综放工作面导水裂缝带发育规律研究

转龙湾煤矿首采工作面煤层埋深160 m左右,基岩厚度60～120 m,属于浅埋薄基岩开采。本文分析了转龙湾煤矿II-3煤层覆岩特征,井下现场探测了首采试验区的采动覆岩破坏导水裂缝带发育高度,采用有限差分数值仿真方法模拟了薄基岩浅埋煤层综放开采条件下的覆岩运移破坏过程。研究表明,采动覆岩塑性破坏区的形态经历了"马鞍形"—"拱(箱)形"的演化发育过程;随着采动空间的增大,采空区两端超前破坏裂隙扩展速度较中部变慢,最大导水裂缝带发育高度位于采空区中部,裂采比为20。     

顶板型老空突水模式及导水通道演化机理研究

煤矿顶板型老空水害具有很强的冲击力和破坏力，研究老空区水体下覆岩突水通道的演化规律对老空水害防治具有重要意义。以山西某矿8446工作面老空突水事故为例，采用相似模拟与数值模拟方法，探究煤层顶板覆岩结构破坏与水力学之间的耦合规律，揭示了突水通道形态演化机理。研究结果表明：顶板老空突水过程经历了初始渗流阶段、裂隙渗流阶段、管道流突水阶段；初始渗流较应力峰值显现时滞后约3 m，水流沿采动裂隙向下运移平均渗流速度为4.056 m/d，滞后性和渗流速度可作为突水事故关键预警信息；通过流固耦合数值模型的模拟，突水通道位于矩形梯台压实区的四周，与现场实际突水位置基本一致。     

基于颗粒离散元的薄基岩裂隙扩展规律

采动影响下的薄基岩产生导水裂隙通道,贯通厚风积沙层,容易产生突水溃沙灾害。为研究薄基岩导水裂隙通道发育规律,借助于颗粒离散元理论,建立考虑复杂应力作用的薄基岩模型,分析了原生裂隙长度、覆岩压力和水沙两相作用对裂隙在薄基岩平面横向发育规律的影响。研究发现颗粒离散元理论可以较好的揭示薄基岩的破坏机理;扩展裂隙在原生裂隙尖端呈“Y”和“X”型发育,且发育形态与薄基岩受到覆岩压力大小和原生裂隙长度有关。研究了不同原生裂隙长度、覆岩压力和水沙作用下裂隙扩展发育的4个阶段并给出了破坏曲线,分析了不同条件的改变对薄基岩裂隙扩展影响的定量关系。     

渗流作用下软弱覆岩相似模拟实验研究

针对含水层下采场软弱覆岩破坏特征及透水机理问题,利用二维物理相似模拟实验对其综放开采过程进行探究,分析了导水渗流区域的形成机理,探讨了导水优势路径的判断依据。实验探究表明:渗流作用下覆岩受采动破坏影响出现裂隙发育区,裂隙压实区和潜在裂隙区等裂隙运移区域。地表至煤层方向,自上而下覆岩裂隙率逐渐增大,水体沿着裂隙率较大的导水优势裂隙渗流至采空区。渗流区域在隔水层之上呈"漏斗状"分布,在隔水层下大致沿着岩层断裂线所形成的"破坏拱"分布,水流渗透痕迹由"破坏拱"从内至外逐渐消散。煤层走向方向上,涌水量的相对大小关系为开切眼一侧采空区上覆岩层停采面一侧。     

隔水层裂隙演变机理与过程研究

以神东矿区浅埋煤层采矿地质条件为例,研究采动覆岩中软弱隔水岩层裂隙演变的力学机理与规律.在分析浅埋煤层薄基岩顶部风化带岩层的隔水性和覆岩裂隙发育规律基础上,建立平板力学模型,采用薄板理论中的差分法,应用应变分析原理,结合下伏垮冒岩层的弹性地基特性,研究了薄基岩浅埋煤层长壁工作面覆岩活动规律和软弱隔水层板的裂隙演化机理及...     

浅埋煤层高强度开采覆岩(土)破坏演化及溃沙控制技术

随着我国煤炭资源的大规模和高效开采,薄基岩浅埋深的矿区常发生切冒、抽冒、台阶下沉,造成水资源和环境破坏严重。但是,赋存于萨拉乌苏组含水层下伏的连续黏土层的存在,使得基岩及其黏土隔水层组合结构下采动破坏规律不同于传统的基岩岩层,这将为防治矿井突水和实现保水采煤提供了条件。论文采用数值模拟和理论分析的方法,模拟了“黏土隔水层-基岩风化带-基岩”结构特征下不同黏土层与基岩厚度条件下覆岩(土)裂隙发育、顶板破断运动的基本特征,获得了浅埋深条件下采动覆岩(土)的破坏变异规律与发育高度,分析了溃沙的致灾因素和预测判据,并据此提出防治突水溃砂的技术手段。研究结果表明：浅埋煤层“沙土基型”覆岩(土)结构条件下,由于不同基岩与土层厚度的控制作用,使得覆岩(土)破坏发育高度和特征产生变异;水砂源、通道、动力源和空间是近松散含水层溃砂的主要致灾因素,并提出了预测溃沙发生的判据;可通过防止顶板切冒、含水砂层水头压力疏降、局部注浆固沙和合理留设防砂(塌)煤岩柱等技术控制浅埋煤层溃砂灾害发生。     

基于隔水土层失稳模型的顶板突水致灾预测研究

为了分析隔水土层在应力场与渗流场共同作用下的失稳规律,采用有效应力原理及椭圆弧拟合下沉曲线对隔水土层稳定性进行了理论分析,求得判别公式;基于平面固液耦合试验平台,采用高精度水量监测和红外成像监测技术,进行浅埋煤层顶板突水致灾演化试验,对理论判别结果进行验证,同时揭示了开采扰动及渗流作用下隔水土层的两种破坏失稳规律。研究表明:在薄基岩情况下,隔水土层失稳与开采参数存在密切联系,导致顶板突水事故发生在两个开采时期,即工作面开切眼时期和工作面经过数次周期来压时期。前者土采比(Tc)较小,隔水土层发生"铆钉式剪切破坏";后者土采比(Tc)较大,隔水土层发生"椭圆弧拉伸破坏"。两种破坏形式的揭示可为进一步研究浅埋煤层顶板突水预测提供参考。     

采场上覆岩层采动裂隙演化规律相似模拟研究

为得到薄基岩厚风积沙地区采场裂隙带发育高度及演化特征,基于采场覆岩"三带"的划分,对薄基岩地区厚风积沙煤层采动过程中裂隙发育特征进行相似材料模拟试验研究,得到开采过程中上覆岩层垮落破坏特征及运移规律,岩层内部压力分布规律,分析采动裂隙带发育高度及存在形态与工作面推进速度的关系。结果表明:补连塔煤矿12406工作面周期来压步距为22.5~30.0 m;上覆岩层的破断角在采空区侧为64°,在煤壁侧为61°;裂隙带高度为157.1 m,为工作面采高的26.18倍;工作面上覆岩层下沉趋势呈非线性曲线,移动形态具有非对称性。     

基于相似模拟的浅埋深煤层覆岩采动裂隙分析

根据相似模型试验,探讨了运用视电阻率法的物探技术来反演浅埋深覆岩采动裂隙发育演化规律的可行性,分析了采动过程中浅埋深煤层覆岩变形破坏前后电性参数的变化及其与覆岩裂隙发育范围、程度之间的关系。研究发现:视电阻率法可以探测浅埋深煤层覆岩采动裂隙的演化过程,电阻率变化率的等值线图可以体现裂隙发育形态,提出以电阻率变化率作为划分覆岩破坏"三带"的标准。在浅埋深煤层的采动过程中,上覆岩层导水裂缝带的范围持续向上方、前方扩展,但裂隙在水平与垂直方向的发育具有不平衡性,薄基岩层明显阻碍了裂隙向上的发育,水平方向的裂隙发育范围明显大于垂直方向。而一旦裂隙发育突破了基岩层,就会瞬间贯通该基岩层上方的附着岩层或地表。     

薄基岩突水威胁煤层开采覆岩变形破坏演化规律研究

针对赵固一矿11011工作面大埋深薄基岩厚覆盖层下煤层开采难度大,存在涌水涌砂威胁的现状,采用现场调研与统计分析方法,论述了薄基岩突水威胁煤层涌水涌砂的条件.其基本顶关键层周期性破断后形成“砌体梁”结构.此文利用“短砌体梁”及失稳后呈“台阶岩梁”的理论解析验算后认为,该面顶板结构极易产生回转及滑落失稳,进而形成突水通道.在此基础上还采用相似模拟试验的方法,分析了采场上覆岩层破坏、运移演化规律,确定了该面项板垮落带高约17m,导水垮裂带高约48 m,故若在此范围内存在含水层或流砂层,应及时采取措施.课题组还用实测法验证了工作面采后覆岩破坏高度,并制订了预防顶板突水开采方案,为类似条件下煤矿防治顶板突水安全开采提供参考.     

近距离煤层群多重采动覆岩破坏特征及应力传递规律研究

近距离煤层群开采覆岩破坏特征不同于单层煤开采,同时存在层间相互影响的问题。以晋能控股煤业集团燕子山煤矿11~#煤层、14-2~#煤层、14-3~#煤层三层近距离煤层为研究对象,通过进行物理相似模拟实验和数值模拟计算,研究分析了近距离煤层群开采时顶底板围岩的覆岩破坏特征及应力传递规律。研究结果表明：近距离煤层群下行开采过程中,随着采动次数增加,顶板横向裂隙超前发育和纵向裂隙穿层效果更为明显,垮落块度明显减小,来压规律不明显;煤层顶板覆岩因采动产生的应力峰值随采动次数增加而降低;初次采动影响下,稳定后的覆岩应力要明显小于原岩应力,而多次采动稳定后的覆岩应力与该次采动前相近;上覆岩层在多重采动影响下,破坏更彻底,形成台阶式的岩层切落。研究结果可为条件相似的近距离煤层群开采顶底板围岩控制、采空区积水及瓦斯防治提供参考依据。     

薄基岩厚风积沙浅埋煤层覆岩变形破坏规律研究

为了研究薄基岩厚风积沙浅埋煤层开采时覆岩移动破坏规律,根据某矿工作面开采技术条件和岩石力学参数,采用数值模拟的方法,分析了采场上覆岩层破坏变形规律以及应力分布特征;基于关键层理论,推导了导水裂隙带的发展高度。研究成果为薄基岩厚风积沙浅埋煤层保水开采提供了理论依据。     

薄基岩浅埋煤层覆岩运移流固耦合模拟实验

以石圪台矿薄基岩浅埋煤层为研究对象,解决了模型的密封性,实现了水压和水体的灵活加载,找到了隔水层材料配比。通过实验再现覆岩裂隙萌生、扩展及贯通全过程,上覆岩层不存在普通煤层开采的"三带",只存在垮落带和裂隙带"两带",导水裂隙带高度为6-16.4倍采高;顶板含水层使覆岩首先产生张裂隙,最终在采空区两端形成突水通道,造成顶板突水溃砂灾害。     

薄基岩浅埋煤层覆岩采动裂隙发育规律研究

在分析东胜矿区某煤矿Ⅱ_(-3)煤层覆岩特征的基础上,采用有限元数值模拟和相似材料模拟2种方法模拟了薄基岩浅埋深煤层综放条件下的覆岩运移破坏过程。模拟结果表明,采动覆岩塑性破坏区的形态经历了"半圆拱形"-"马鞍形"-"拱箱形"的演化发育过程;随着采动空间的增大,采空区两端超前破坏裂隙扩展速度较中部变慢,最大导水裂隙带发育高度位于采空区中部,为76 m;采空区两侧应力集中程度呈现差异化现象,推进方向一侧应力集中程度较小,原始开切眼处应力集中程度较大。     

布尔台矿重复采动下突水危险性数值模拟研究

双煤层重复采动后,原有覆岩裂隙将会再次发育,使得顶板突水的危险性增加,防治水工作变得复杂。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RFPA2D,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,分析了采动前后采场垂直应力的变化情况,评价了突水以及二次突水的危险性。数值模拟结果表明:重复采动可引起原有煤层覆岩裂隙再发育,使得原有顶板裂隙发育的高度增大,从而可能引发突水。     

强富水含水层下综放开采水砂灾害防控关键技术

弱胶结煤层覆岩抗采动变形能力差,高强度开采形成的采动裂隙易导通强富水含水层,在近距离强富水含水层下综放开采具有极大的危险性,常发生突水溃砂事故。为了实现强富水含水层下综放开采水砂灾害的安全防控,研究了基于水文地质条件精细探查、覆岩破坏高度的实测与监测、煤层采放高度设计与实时调整的突水溃砂灾害防控关键技术。提出基于网络并行电法和井下加密钻探的精细化探查组合方法以查明工作面开采的水文地质条件;采用经验公式预计、数值模拟计算、钻孔注水法实测以及电-震一体化监测等手段获取动、静态综放开采的覆岩破坏高度特征;通过控制煤层采放高度、优化工作面两巷在煤层中的位置、电-震一体化监测覆岩破坏高度反算煤层采放高度等方法达到及时调控煤层采放高度的目的。以应用工作面为例,采用并行电法、钻探验证,覆岩破坏高度实测以及煤层采放高度的精准控制等方法,基于地质条件探查与分析,动态控制了煤层覆岩的采动破坏范围,实现了工作面在近距离强富水含水层下的综放安全开采。研究表明,物探、钻探探测可有效获取水文地质信息以及综放开采覆岩破坏的关键参数,将采动裂隙场与水文地质条件相结合,控制煤层采放高度,对不同含水层采取疏或保的不同对策...     

薄基岩厚松散层条件覆岩破坏规律研究

为了实现薄基岩厚松散层地质条件下水体压覆煤层的安全开采，采用相似材料模拟实验、理论分析，探讨了薄基岩厚松散层的采动破坏发育规律，提出了覆岩自稳结构的判据。研究结果表明：厚松散层薄基岩很难在基岩内形成有效的自稳结构，工作面推进一定距离后，基岩将全厚度断裂，松散层将作为一个整体跟随基岩弯曲下沉|解析了厚松散层的采动隔水能力，认为松散层底部岩层岩性、厚度及所受采动变形将是决定导水裂缝带继续向上发育的关键|结合三元矿薄基岩厚松散层水体下采煤，通过地面钻探实测，论证了粘土层具有较好的隔水能力，薄基岩厚松散层导水裂缝带发育高度止于松散层底部。     

浅埋深薄基岩地表水体下重复开采危险性分析

煤层重复采动的覆岩破坏规律较为复杂,尤其是面临浅埋深薄基岩层下地表水体下的安全开采。以某矿实际地质情况为基础,通过构建数值模拟模型及现场实测反演确定出2-3煤层开采时的覆岩力学参数,在此基础上,进行3-1煤层重复开采的数值模拟分析,最终确定了重复采动影响下的覆岩破坏高度,并论证了该区域的重复开采的安全可行性。     

深埋薄基岩采场覆岩冒落拱与拱脚高耸岩梁复合承载结构形成机理与应用

焦作煤田赋存深埋厚冲积层薄基岩煤层，覆岩构成的特殊性导致顶板活动剧烈、地表下沉系数大，采场面临强矿压、突水溃沙威胁，沉陷区出现裂缝和积水，破坏房屋和农田。为提高深埋薄基岩采场围岩控制效果，以赵固二矿14030工作面为工程背景，采用室内试验、理论分析和现场实测等手段研究覆岩采动裂隙发育特征、顶板结构形态与承载机理，探究支架选型与灾害防控方法。结果表明：覆岩变形存在初始静止、慢速增长、快速增长和突变增长4个阶段，前2个阶段覆岩稳定，第3阶段因变形局部集中进入非稳定状态，第4阶段因非连续变形进入裂隙发育进程；采动裂隙萌生于高位厚冲积层，下行扩展导致基岩全厚断裂，形成覆岩冒落拱与拱脚高耸岩梁复合结构；覆岩连续变形受关键层控制，非连续变形由冲积层冒落裂隙主导；基于关键层沉降特征解释了采动裂隙萌生于高位厚冲积层的原因，揭示了裂隙下行扩展并贯穿岩层交界面的能量原理，采用断裂力学理论推导了基岩发生全厚剪切破断的力学条件；构建了冲积层冒落拱与拱脚高耸岩梁复合结构力学模型，提出了冒落拱极限承载能力与实际边界载荷计算方法，得到了冒落拱发生结构失稳的力学判据，采动应力旋转促进冲积层载荷向拱脚两侧传递，增强了冒...     

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。