工作面倾向覆岩垮落形态的面长效应及力链拱特征研究

采用理论分析结合数值模拟的方法,提出了倾向复合力链拱结构,并对面长效应影响下的力链拱特征进行了分析。研究结果表明:倾向垮落岩层呈现上窄下宽的"梯形"垮落形态,面长增加,垮落高度随之增大;坚硬岩层中强力链呈扁平拱或半拱形态分布,形成复合力链拱结构,该结构与两侧煤柱共同构成采场上方的承载大结构;工作面倾向中部裂隙稀疏,空隙率较低,而两侧裂隙密集,空隙率增高,裂隙场及空隙率整体呈现"O"形圈特征;复合力链拱结构将覆岩应力转移至两侧煤柱,面长增加,煤柱裂隙愈加发育,应力集中系数增大。     

综放开采覆岩破断与顶煤力链结构演化特性分析

力链结构体系在综放开采中承受荷载和传递荷载,是描述顶煤与覆岩由连续向非连续和散体转化的重要途径,以此为切入点,借助综放开采相似材料模拟实验和散体介质双轴加载双向流动光弹试验装置,对综放开采过程中覆岩破断演化特征和散体顶煤与非连续覆岩关键层中的力链结构演化特征进行了研究,并提取力链做为覆岩矿压的演变判据。实验结果表明:在相似材料综采过程中,覆岩破断演化经历了微裂、局部断裂、加速断裂、完全断裂和彻底垮落。在光弹采场中,力链承受竖向荷载,亚关键层中的力链由于黏结作用,产生水平力。随着煤岩颗粒的放出,亚关键层逐渐破坏,放煤口上方的力链消失,由于力链的前移,造成了工作面矿压的增大。随着煤岩颗粒的继续放出,放煤口上方出现较大的力链拱结构,拱结构屏蔽范围内,关键层中的强力链分布密度降低,煤体中的强力链竖向分布降低,水平分布显著。     

采场覆岩应力及垮高的柱宽效应三维相似模拟研究

基于采场应力分布的动态性特点,以谢桥矿1151(3)综放工作面地质和开采条件为背景,采用实验室相似材料模拟方法,研究不同煤柱宽度条件下采场覆岩应力分布和垮落特征。研究表明,不同煤柱宽度上覆岩层应力分布及垮落高度有所不同。随煤柱宽度的增大,倾向方向工作面前方应力峰值区由原来的煤体上方逐渐向煤柱上方转移,且峰值逐渐增大,工作面后方煤柱承载上覆岩层主要荷载和压力,且随煤柱宽度增大应力峰值也增大。工作面上覆岩层垮落形成由高应力束组成的应力壳,应力壳对上覆岩体的荷载和压力起主要支撑和传递作用,随着煤柱宽度的增大,应力壳的高度逐渐减小,在煤柱及煤体内形成的壳基也逐渐发生变化和转移,壳基在煤柱内从无到有,壳基的应力集中程度也逐渐增强,煤柱内单位体积的岩块承载的荷载和压力也从小到大,再由大变小。     

哈拉沟煤矿垮落带破碎岩体溃砂的离散元数值模拟研究

采用离散元模拟了垮落带波及到松散砂层时导致的突水溃砂灾害。以神东矿区哈拉沟煤矿22402工作面为原型,采用分形理论分析了垮落带破碎岩体的块度分布特征,并利用离散元方法(DEM)根据破碎岩体的块度分布生成不规则碎石,建立了垮落带破碎岩体溃砂数值模型。模拟结果表明：垮落带破碎岩体间空隙较大且连通性好的通道会形成溃砂优势通道,垮落带残余的空洞空隙可以储存溃落的松散砂;大小不均、堆积混杂的垮落带破碎岩体对溃砂速度具有一定的阻挡作用,松散砂在溃砂通道内流动的速度分布呈纺锤形,通道中间的速度大于壁面的速度。     

近距离下部煤层应力分布规律研究

针对近距离煤层中上部煤层开采容易引起下部煤层应力环境复杂化而导致巷道难以维护的问题,采用数值计算的方式分析了近距离煤层的煤柱宽度、埋深、层间距等因素对下部煤层应力分布的影响。研究得出:随着煤柱宽度增加,上部煤柱底板附近应力呈降低趋势,但应力衰减速度和下部煤层应力增高区范围呈增加趋势;随着埋深增加,上部煤柱底板岩层应力和传递深度呈现增加态势,但下部煤层应力增高区扩散范围逐渐减小;层间距的变化对于上部煤柱底板岩层的应力传递影响较小,但下部煤层应力增高区扩散范围增大,且增加幅度高;当采空区顶板能够及时垮落时,工作面长度变化对于上部煤柱底板附近岩层应力分布影响并不明显,但使得采空区下方低应力区范围扩大,有利于下部煤层巷道布置位置选择。     

综放开采顶煤与覆岩力链结构及演化特征

综放开采顶煤及覆岩非连续结构体系中力链形成机制及其演化规律,是采场支架载荷计算、优化采放工艺和矿压控制的重要基础。借助颗粒体双轴加载双向流动光弹实验,拍摄到综放开采过程中顶煤与覆岩中的力链分布,并基于拓扑学理论对力链网络结构进行了研究。研究表明:初始状态下,顶煤与覆岩中力链分布均匀;开采后在放煤口附近形成拱形力链,并随着工作面的推进向工作面前方和上部延伸。顶煤与覆岩力链主要有3种构型,即链状,环状和链-环耦合,分别分布在工作面前方,未受扰动的覆岩区和受扰动的覆岩区,可用Betti数作为表征力链构型的参数。通过对综放采场力链分布特征分析,揭示了工作面前方支撑压力形成机理和工作面支架受载荷作用的力学本质。对力链强度、力链方位角和接触力频率的统计分析,发现上部覆岩中未受开采扰动区域的强力链分布均匀,而受扰动区域的强力链沿着拱迹线发育,工作面前方的强力链始终以竖直方向的链状力链为主。     

西部缺水矿区地下水库保水的库容研究

利用井下采空区进行水源蓄存和循环利用的地下水库技术是实现西部矿区保水采煤的有效措施,研究确定采空区的合理储水容量对于地下水库技术的安全高效实施至关重要。综合采用理论分析、模拟实验与现场实测等手段,就地下水库储水容量计算、以及极限库容与合理库容的确定等问题进行了研究,结果表明：地下水库的储水容量即为储水范围内覆岩垮落带破碎岩块间自由空隙量与裂隙带断裂岩层离层裂隙量的总和;基于覆岩垮落带类抛物空间形态模型的构建,得到了考虑煤层倾角条件下垮落带岩体空隙量的计算公式;利用覆岩采动裂隙分布的“O”形圈理论模型,获得了覆岩各层关键层底界面及相邻关键层间断裂岩层的离层空隙量确定方法;由此根据储水水位在覆岩垮裂带内的不同位置,建立了地下水库储水容量的数学表达式,形成了地下水库极限库容与合理库容的确定方法,指导了李家壕煤矿地下水库工程实践。     

马脊梁矿新建变电站场地下伏刀柱式采空区残余空隙率研究

采空区残余空隙率是采空区地基稳定性评价及充填注浆方案设计的重要技术参数,为了确定新建变电站场地下伏刀柱式采空区残余空隙率合理取值,采用离散元软件UDEC模拟了2^#煤刀柱式采空区覆岩垮落特征,得到覆岩垮落高度为9.0 m。考虑冒落矸石碎胀效应,通过自定义fish函数得到采空区垮落范围内块体的残余体积,分析得到2^#煤刀柱式采空区垮落带范围的残余空隙率为0.233。基于模拟得到的残余空隙率,预测得到变电站下伏采空区充填注浆量为25267 m³,预测结果与实际注入量的偏差仅为5.4%。结果表明模拟得到的空隙率能较好地表征采空区垮落范围残余空隙发育程度,可为采空区注浆充填治理提供技术参考。     

慈林山矿煤层群下部采场覆岩运移规律

煤层群下部煤层开采,上部工作面与下部工作面双重扰动作用会加剧覆岩运移,覆岩原、次生裂隙发育演化形成导水裂隙,顶板、采空区水会极大地制约下部工作面安全、高效开采。为解决此类工作面开采难题,采用相似材料实验、理论分析法,对慈林山矿煤层群下部煤体开采时覆岩运移规律等进行研究。研究结果表明:慈林山矿煤层群下部工作面初次来压步距为55m,平均周期来压步距18.7 m,岩体垮落角在煤壁侧大于切眼处,下部煤体开采会扰动上部工作面煤柱,破断裂隙会贯通上部工作面采空区,且在上部壁式工作面一侧不易闭合,进而演变为导水裂隙,使下部工作面遭受岩体冲击、采空区水威胁,覆岩运移量由下至上具有降低—升高—降低演变特性,上部工作面覆岩沉降量整体较下部工作面大。     

基于CT扫描的承压破碎石灰岩空隙结构演化特征

为探究承压破碎石灰岩内部空隙的空间演化特性，对不同应力状态下的破碎石灰岩开展了CT扫描重构，通过图像优化处理及三维重构技术，实现了破碎石灰岩内部空隙的可视化、定量化表征。研究结果表明：颗粒在应力作用下发生了再破碎，二次破碎颗粒逐渐“填充”到空隙中，造成颗粒间空隙的减小；随着应力的增大，颗粒间的空隙不断被挤压、分割，导致各层位的空隙数量增多，且上部层位增加幅度尤为明显；应力带来颗粒再破碎的同时直接影响着破碎石灰岩空隙结构的演化特征，随着应力的增大，试样整体空隙率呈线性减小趋势，而应变增大速率逐渐减小，直至趋于稳定；承压破碎石灰岩空隙结构存在着明显的分层演化特性；同一应力下，空隙率在不同层位大小依次为下部层位、中部层位、上部层位，即距离施力端越近，颗粒再破碎行为及空隙率减小程度越明显。     

倾斜煤层卸压瓦斯导流抽采技术研究与工程实践

为了研究倾斜煤层条件下,采动覆岩裂隙分布规律与卸压瓦斯抽采技术,采用理论分析和数值模拟的方法,对采场覆岩应力、位移以及裂隙分布情况进行了分析,并依据研究结果,对试验工作面高位导流钻孔布置参数进行了优化设计。结果表明:工作面上端头顶板卸压区域范围大于下端头区域,关键层的卸压段靠近工作面上部,覆岩垮落破断后,工作面上部垮落岩体位移明显大于下部;裂隙网络中,下部冒落岩体裂隙处于相对闭合状态,沿工作面向上,裂隙开度逐渐增大;卸压瓦斯运移通道在倾斜方向上具有不对称性;沿工作面回风巷侧冒落带轮廓线布置高位导流钻孔,并配合相邻钻场之间的有效搭接抽采可使抽采效果保持稳定;单一钻孔全生命周期可分为远距离、有效和近距离抽采3个阶段,随着钻孔层位的增加,抽采效果逐渐变优,远距离抽采阶段长度减小,有效抽采阶段长度增加。实践结果表明,瓦斯抽采效果良好,验证了依据此方法布置高位导流钻孔的合理性。     

大倾角煤层开采大型三维可加载相似模拟试验

由于煤层赋存条件特殊,大倾角煤层开采采场围岩空间应力分布及演化、围岩运动特征复杂。现有三维模型试验平台存在模型加载、空间开采与监测等技术缺陷。通过采用新型三维可加载模型试验系统,实现模型均布加载、密闭空间开采模拟等技术创新,对枣泉煤矿120210工作面大倾角煤层开采进行大型三维可加载相似模拟试验研究,得出在工作面上部区域覆岩垮落充分、裂隙发育,关键域形成层位高,下部区域覆岩垮落不充分,关键域形成层位低,覆岩空间垮落呈非对称拱壳形态,上部区域应力值、来压强度、支承压力区应力集中系数等特征量明显大于下部区域。以上结果验证了大倾角煤层开采围岩空间结构形态和应力演化规律。     

厚煤层综放工作面覆岩运移规律研究

针对厚煤层综放工作面覆岩突然性断裂垮落导致动力灾害的问题,根据煤岩层赋存条件和开采布局,考虑工作面顶板裂隙分布规律和开采扰动影响,采用现场勘察、岩石力学实验、数值计算等分析方法,综合分析厚煤层综放工作面覆岩运移活动规律。结果表明:受重力作用,覆岩垮落自采空区中心向四周均匀发展,岩层在拉伸应力作用下拉伸应力区呈U形破坏分布;随着掘进深度与层位的延伸,工作面顶板破坏区相互铰接形成稳定结构,阻碍了顶板运动;工作面来压步距较大,覆岩垮落冲击矿压载荷量级较大,工作面中上部区域覆岩运移量大于下部区域。     

水力压裂裂缝内支撑剂颗粒空隙率分布的形成机制

为了解水力压裂裂缝内支撑剂颗粒空隙率的演变,采用数值模拟方法模拟了裂缝内支撑剂颗粒在不同应力下的压缩过程,通过研究裂缝内支撑剂的接触力及配位数分布揭示了其空隙率分布的形成机制。结果表明:裂缝内支撑剂颗粒空隙率自下而上呈缓减小-急减小-缓减小-急增大-缓增大的分布趋势;将其分为底层、中层和顶层3个层位,相同应力状态下,底层支撑剂间接触力最弱为应力衰减区,平均配位数最小,空隙率最大;中层支撑剂间接触力最强为应力承受区,颗粒向下传递力的能力最弱,平均配位数最大,空隙率最小;顶层颗粒向下传递能力最强为应力传递区,支撑剂间接触力较弱,平均配位数和空隙率介于应力承受区和应力衰减区之间。     

建筑荷载影响下的浅部老采空区覆岩变形破坏相似材料模拟研究

针对在深厚比较小的浅部老采空区地表建设易引发该区覆岩失稳破坏的问题,采用相似材料模拟试验方法,对浅部老采空区残留空隙分布、建筑荷载影响下的覆岩空隙演化及地表沉降特点进行了研究。研究结果表明:受荷载影响的老采空区残留空隙二次压缩或失稳是浅部老采空区地表产生新的较大变形的根本原因;老采空区覆岩残留空隙主要包括:岩层结构已平衡的在无外因扰动下将长期存在的离层、垮落和裂缝带内破损岩层虽经历长时间压实但仍存在的裂隙、开采边界覆岩未完全垮落而形成的空洞;浅部老采空区覆岩内不存在弯曲带岩层的整体性支撑效应或此类覆岩较薄不足以分散荷载的影响,荷载直接作用在垮落和裂缝带破损岩体上,使得破损覆岩再次压密失稳破坏;采空区边界残留空洞受荷载影响,在其上方发育纵向裂缝,随着荷载的增大覆岩沿纵向裂缝整体性断裂,直至切冒到地表,对拟建建(构)筑物的结构安全影响极大。     

金属矿山开采过程上覆岩层应力与变形特征

采用数值分析方法, 研究了动态开采过程中金属矿山采空区覆岩在拉应力、垂直应力作用下的位移及变形破坏特征。研究发现拉应力对覆岩造成的破坏较其它应力显著, 是覆岩垮落的主导因素。分析覆岩内部垂直应力发现: 开采初期覆岩内部压应力显著, 随着开采进行, 在采空区的正上方, 压应力逐渐向拉应力过渡; 垂直应力呈“凹”形分布在采空区两端部, 其形状和应力值随采空区的增大而增大。随着工作面的推进, 覆岩下沉范围和下沉量均逐渐增大; 下沉曲线的最大下沉点, 向工作面推进方向逐渐移动; 下沉曲线的光滑程度体现了监测点在覆岩所属区域是弹性区、塑性区还是垮落区。研究结果可为矿山围岩支护提供一定参考依据。     

大范围顶板岩体垮落冲击动载对 采场底板破坏的影响研究

为研究大范围顶板岩体垮落产生的冲击载荷对采场底板的破坏作用及其对底板突水的影响,本文基于动力基础半空间理论,将底板岩层等效为半空间无限体,建立顶板岩体垮落冲击采场底板的理论分析模型,推导出最大冲击动载应力的计算公式;并利用FLAC3D模拟分析了顶板垮落产生的冲击动载在底板中的传递规律以及底板岩层的动力响应特征。研究结果表明:顶板岩体垮落撞击采场底板,会产生远大于垮落岩体静态自重的冲击动载应力作用在底板上;冲击动载荷以应力波的形式在底板中传播,与采动应力叠加产生动态应力集中现象,会导致采场底板发生二次破坏,造成底板破坏深度显著增大,有效隔水层厚度减小,从而增加底板突水的危险性。     

采动应力与采空区压实承载耦合分析方法研究

采空区垮落带在覆岩沉降作用下的应力恢复对采动应力场有显著影响。基于围岩应力与采空区压实承载的耦合作用,研究了垮落带岩体压实承载的力学特性及参数反演方法,分析了裂隙带岩体的拉伸劣化力学特性,提出了采动应力场与采空区压实承载耦合分析方法,通过实例仿真模拟分析进行了验证。研究表明:垮落带渐进压实承载的力学特性是指数型表达式,压缩刚度随压缩应变呈非线性增长。由双屈服本构模型反演得到与理论解拟合度较好的垮落带力学参数,实现了垮落带压实承载特性的仿真模拟。裂隙岩体劣化系数表达式反映了模量劣化特性,应变软化本构模型增加模量劣化算法组成岩体劣化本构模型,实现了应变软化和裂隙岩体模量劣化的动态分析,较真实严谨的反映裂隙带岩体的力学特性。基于垮落带与裂隙带特征的仿真模拟,实现了采动应力场与采空区覆岩"两带"特征的耦合分析。通过工作面支承压力场演化特征的实例仿真分析,验证了采动应力场与采空区压实承载耦合分析方法的可行性和正确性,提高了采动应力场和围岩采动响应研究的严谨性和可靠性。     

煤层群下部采场覆岩运移规律研究

为研究煤层群下部工作面开采的覆岩运移规律,保证工作面回采安全,以慈林山煤矿煤层群为研究对象,利用理论分析法和相似材料试验等方法对下部煤体开采时的覆岩运移展开深入的研究。研究表明:慈林山矿煤层群下部工作面,其初次来压步距和平均周期来压步距分别为55 m和18.7 m,煤壁侧的岩体垮落角大于切眼处,对于覆岩沉降量,上部工作面大于下部工作面,对于覆岩运移量,其由上至下具有降低-升高-降低的规律。     

黄土沟谷区浅埋煤层开采覆岩破坏与地表损伤特征研究

黄土沟谷区浅埋煤层开采地表非连续性的开裂损害,不仅引发了许多生态环境问题,也加大了生态修复难度,严重威胁着矿区生态安全。浅埋煤层开采地表非连续变形是特殊地质条件下覆岩破坏移动的结果,为更加系统地研究覆岩破坏对地表非连续性损害的影响规律,以陕北安山井田125203工作面为地质原型,采用离散元数值模拟与物理相似材料模拟相结合的方法,模拟分析了覆岩及地表破坏、岩块尺寸分布及力链演化等特征,揭示了覆岩力链演化对块体分布和地裂缝发育的影响规律,阐明了覆岩破坏块体对地表非连续损害的控制效应。研究结果表明：黄土沟壑缓坡地带浅埋煤层开采覆岩垂向变形与水平移动受地形影响较大;覆岩破坏形成双分层块体结构,分层界面距煤层底板11.0 m,下分层块体平均长度小于5.0 m,上分层大于5.0 m,覆岩块体平均长度随岩层至煤层底板距离的增大呈幂指数增长特征,地表块体平均长度由坡底至坡顶逐渐增大;下分层垮落压实的岩块结构和应力集中的力链结构,影响着上分层块体和力链的分布及地裂缝的发育,地裂缝平均间距与上分层应力集中点平均间距基本一致,主沟段顺坡、沟底和逆坡地裂缝平均间距分别约为下分层应力集中点平均间距的1.10倍、...