浅埋厚煤层开采地表导气裂缝分布规律研究

为了确定浅埋厚煤层开采地表漏风范围,基于串草圪旦煤矿6104工作面生产技术条件,采用现场实测、数值计算和理论分析相结合的方法,对浅埋厚煤层开采覆岩采动裂缝及导气裂缝的分布规律进行了研究。研究结果表明:浅埋厚煤层开采覆岩采动裂缝可分为开切眼侧永久裂缝区,以及随工作面推进动态分布的裂缝产生区、裂缝贯通发展区和裂缝闭合区; 6104工作面裂缝贯通发展区范围为滞后工作面0～100 m。实测6104工作面导气裂缝分布区滞后工作面0～80 m,且导气能力随裂缝滞后工作面距离的增大而降低。     

沟谷地形下开采覆岩裂隙发育特征研究

为了研究沟谷地形条件下薄基岩浅埋煤层覆岩采动裂缝发育规律,以神府矿区为研究基地,对安山煤矿5-2煤开采工作面的覆岩采动裂缝发育特征进行分析,建立弱强度覆盖层作用下的基本顶受力模型,即“非均布载荷梁”结构模型。通过对非均布载荷梁结构的力学分析,推导基岩承载结构稳定性的判别条件,确定了基本顶两端压力、剪力及垮距等参数的计算公式,揭示了弱强度覆盖层厚度及坡度变化对覆岩采动裂缝间距的影响规律。实践表明,依据非均布载荷梁模型确定的覆岩采动裂缝间距与周期来压步距近似相等|覆岩采动裂缝随基岩破断失稳而呈周期性动态发育演化特征,工作面上方地表附近塌陷型和台阶型采动裂缝较为发育,采空区上方地表裂缝逐渐演化成错动量及张开量较小的闭合型地表裂缝。     

浅埋煤层覆岩关键层结构分类

以神东矿区浅埋煤层开采为工程背景,对浅埋煤层覆岩关键层结构的类型及其破断失稳特征进行了研究.结果表明,浅埋煤层覆岩关键层结构类型可分为单一关键层和多层关键层结构;单一关键层结构又分为厚硬单一关键层结构、复合单一关键层结构、上煤层已采单一关键层结构3种类型.单一关键层结构是导致浅埋煤层特殊采动损害现象的地质根源,浅埋煤层单一关键层结构采动破断运动不仅对工作面矿压产生影响,同时会影响顶板涌水溃沙和地表沉陷.关键层破断块体结构承担的载荷层厚度大而不能满足砌体梁结构不发生滑落失稳的条件,从而导致关键层破断块体滑落失稳,这是导致神东矿区浅埋煤层单一关键层结构工作面易出现台阶下沉和压架出水等采动损害问题的力学机理.确定了神东矿区浅埋煤层覆岩关键层结构类型的判别方法.     

浅埋煤层采动覆岩运动相似材料模拟研究

为分析伊犁一矿首采工作面浅埋煤层采动覆岩运动特征,进行了相似材料模拟研究。分析了直接顶破坏、老顶破坏、采动覆岩破坏高度发展等规律,并进行了切顶冒落分析。研究结果表明,首采工作面具有采动覆岩破裂高度随工作面推进而增大,采动覆岩破裂高度在充分采动前约为采空区跨度之半等规律。试验过程和理论计算均未出现切顶冒落现象。研究结果可为矿区首采工作面煤层安全开采提供理论依据,同时,对分析其他浅埋煤层安全开采覆岩运动规律具有一定的借鉴意义。     

覆岩采动裂隙空间形态反演方法及在瓦斯抽采中的应用

如何实现工作面采空区瓦斯的高效抽采一直是煤矿安全领域亟待解决的重要难题。覆岩采动裂隙作为采空区瓦斯储运的主要空间,其演化过程与覆岩运动密切相关。通过掌握采动覆岩运动演化特征,反演出覆岩采动裂隙空间形态,从而提出精准的瓦斯抽采技术方案,是解决上述难题的根本途径。为此,结合山西某矿深部高强度开采条件,采用地面钻孔全柱状原位监测方法,研究了工作面开采过程中覆岩运动的演化过程,揭示了覆岩关键层运动的分段特征;在此基础上,反演得到了覆岩采动裂隙空间形态发育特征,即采动覆岩瓦斯卸压运移“三带”、“O”形圈裂隙区、覆岩移动“横三区”的具体范围,提出了包括钻孔布置层位、伸入工作面水平距离和抽采最优时段的顶板定向长钻孔抽采瓦斯技术方案。试验结果表明,深部开采条件下覆岩运动经历了煤壁支撑影响阶段、低位岩层破断运动阶段、破断覆岩快速回转阶段、上部覆岩向下重新压实阶段、采动影响衰减的整体运动平稳阶段等变化过程,其中,在低位岩层破断运动阶段和破断覆岩快速回转阶段内,覆岩的离层空间与破断裂隙快速发育并相互贯通而形成导气裂隙带,为采空区瓦斯的聚集与运移提供了空间,是抽采采空区瓦斯的有利时机;基于采动裂隙空间形态反演...     

浅埋煤层群开采复合采空区煤自燃预测

煤矿区地裂缝造成的采空区漏风可对井下安全生产造成严重威胁,研究其漏风机理有助于煤炭行业高产、高效发展。通过遥感、实测和数值模拟相结合的方法,研究了苏家沟浅埋近距离煤层采动裂隙展布特征、漏风特征、动态发展及演化规律,分析了漏风裂隙对复合采空区渗流场分布的影响,并结合煤自然发火实验得到的煤自燃极限参数,划分出下部煤层开采时上覆采空区遗煤自燃危险区域。综合研究表明:二次采动不仅造成地表产生新的裂缝,更使得故有裂缝在原有发育程度的基础上进一步活化、扩张,宽度与错距分别增加了0.1 m与0.06 m左右,加剧了地表漏风。裂缝在随工作面推进过程中呈现出区域性分布特征且遵循"增大—减小—闭合"的动态规律,按照其与采空区贯通程度的不同,划分了裂缝产生区、裂缝贯通发展区和裂缝闭合区,其中裂缝贯通发展区分布的贯通型裂缝是地表主要漏风通道,漏风流速随裂缝相对工作面空间位置的变化而改变;模拟结果表明:地表漏风加大了采空区渗流影响范围,使采空区速度场分布更加复杂化,由于静压差的影响,工作面与地表漏风风流主要汇集于采空区回风侧;通过对煤样自燃极限参数以及煤自然氧化标志性气体分析,得到苏家沟上覆采空区自燃危险区域主...     

厚黄土覆盖层下覆岩采动裂缝闭合特征及应用研究

为科学评价老采空区作为新村址的地基稳定性,采用钻孔冲洗液漏失量观测、彩色钻孔电视观测、理论计算方法对厚黄土覆盖层条件下煤层开采16a后覆岩采动裂缝闭合特征进行研究。结果表明:经过多年移动变形,采空区上覆岩层中未发现离层、空洞,采动裂缝已基本闭合,工作面煤柱上方未发现明显裂缝,隔离煤柱有效控制了覆岩裂缝发育。采动裂缝宽度与采空区距离呈现远小近大的特征,距离采空区较近的覆岩裂缝宽度相对较大,距离采空区较远的覆岩裂缝已基本完全闭合,导水裂缝带高度最大减少了21%。分析认为,建筑物附加载荷对老采空区的扰动、残留空隙二次压缩和地表残余变形对新村址影响较小,地基具有较好的稳定性。     

薄基岩浅埋深长壁工作面覆岩结构运动特征

利用离散元数值模拟软件,分析了典型浅埋深长壁工作面围岩力学场分布特征和覆岩运动规律,研究了浅埋深长壁工作面覆岩结构形式及运动特征。研究得出浅埋深长壁采场开采后,围岩应力场中可形成"承压拱"结构,该结构具有承载作用,并具有连续性、稳定性和动态性特点。     

浅埋近距离煤层开采超前煤柱群冲击失稳机制

工作面前方遗留煤柱群(后文简称“超前煤柱群”)在采动影响下会发生链式冲击失稳，诱发动载矿压灾害并影响下伏煤层的安全高效开采。揭示超前煤柱群链式冲击失稳机制是浅埋近距离煤层安全开采的根本前提。本文实测分析了元宝湾煤矿房式采空区下伏6107工作面开采的覆岩移动规律，发现了超前煤柱群的回弹变形现象，开展了房式采空区下伏煤层开采的物理模拟实验，研究了房采煤柱群-覆岩的变形破坏特征，分析了采动影响下超前煤柱群回弹冲击失稳的动态过程，揭示了浅埋近距离煤层开采超前煤柱群的冲击失稳机制。结果表明：(1)浅埋柱采区近距离下伏煤层开采过程中工作面前方覆岩呈现出“先短暂回弹后剧烈下沉”的运动特征，即首先存在极短时间的覆岩回弹变形现象，之后出现了部分覆岩的整体破断与垮塌。由此，反推出采动影响下超前煤柱群也发生了回弹变形。(2)柱式采空区下伏煤层开采过程中关键柱在覆岩沉降和超前支承压力的作用下最早出现斜切破坏，引起载荷的转移，加剧邻近部分房采煤柱群的应力集中程度，进而发生链式斜切破坏。在此过程中，覆岩持续沉降，裂隙也不断发育，形成剪切贯通断裂面，发生破断回转，促使超前煤柱群回弹变形与冲击失稳，引发层间岩层的全厚...     

特厚煤层开采坚硬顶板覆岩结构及其演化特征分析

特厚煤层开采形成了大空间采场，坚硬顶板断裂扰动波及范围广，工作面来压具有强矿压特征，尤其当煤层顶板“见方”开采期间，采场矿压作用更加强烈。据此，采用现场实测和物理三维相似模拟方法，探讨了特厚煤层开采覆岩扰动高度及坚硬顶板断裂特征。首先基于现场实测研究分析了覆岩破断失稳规律，实测结果表明，特厚煤层开采过程中，煤层顶板存在超前断裂现象。伴随工作面的推进，顶板初始运动主要是围绕断裂线近区基点旋转下沉，滞后工作面一定距离；地表岩移观测结果表明，特厚煤层顶板分层构成顶板群组并产生组合运动，具有层位运动特点，且伴随工作面推进，层位顶板运动存在阶跃现象。基于地表裂缝形态及钻孔多点岩移观测反演，揭示了特厚煤层开采过程中的顶板断裂及运动特征，认为特厚煤层开采覆岩扰动高度大，坚硬顶板断裂具有转向特征，伴随煤层开采推进，由低位顶板层位的横向“O-X”断裂逐渐向高位硬岩的纵向“O-X”断裂转向；特厚煤层坚硬顶板开始发生断裂转向的临界位置即所谓的煤层开采“见方”区，合理解释了工作面开采的“见方”来压现象；高位顶板纵向断裂尺寸大，扰动影响范围广，是诱发采场强矿压的主要因素，确定了特厚煤层采后覆岩“低-中-高”层位...     

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。     

准东大井矿区巨厚煤层开采覆岩裂隙分布特征

针对准东巨厚煤层典型赋存特征,选取大井矿区为研究对象,构建了巨厚煤层开采力学模型,模拟研究不同开采方式采场覆岩裂隙分布特征。结果表明:在采场应力的控制下,工作面前方覆岩裂隙由原岩裂隙区依次演化为原岩裂隙闭合区、微裂隙发育区、裂隙快速发育区、破断裂隙发育区、离层裂隙发育区、裂隙逐渐闭合区;覆岩主关键层是覆岩裂隙发育程度高低的分界线,其也会控制覆岩裂隙发育高度;巨厚煤层开采覆岩裂隙主要分布于采空区两侧,且沿岩层破断线呈"八"字形分布,并随工作面推进呈现周期演化,其是覆岩含水层水体向采场渗流的关键通道,对矿井的安全生产至关重要;从保水采煤角度考虑,放顶煤分层开采对覆岩含水层扰动影响较大采高分层开采小。     

浅埋煤层群重复采动覆岩运移及裂隙演化规律研究北大核心

为了准确掌握单一煤层和煤层群开采覆岩裂隙演化规律及分布形态特征,通过物理相似模拟实验、现场钻孔勘探、理论计算等方法分析煤层开采过程中覆岩运移破断特征及采动裂隙的分布形态。结果表明:在重复采动条件下,覆岩出现离层裂隙和纵向裂隙并伴随超前裂隙的产生,形成“采空区-工作面”和“采空区-采空区-工作面”结构时,覆岩裂隙经历产生、扩张、闭合、再产生、贯通、再闭合等6个动态循环变化阶段;煤层群在一次采动时形成“梯形”裂隙区,二次及多次采动下,覆岩受上覆载荷作用,裂隙区向工作面两侧煤柱扩展,上煤层受本煤层边界煤柱和下煤层开采形成的“悬臂岩梁”支撑影响,使工作面两侧裂隙明显高于工作面中部,覆岩形成“M”形裂隙分布形态;覆岩受采动影响产生周期性破断,以单岩层或多岩层同时产生变形、运移、破断垮落,由此可见,覆岩中存在控制上部岩层的硬岩层和其控制岩层以组合梁的形式同步运移、破断。根据覆岩破断特征建立了基于Winkler弹性地基煤层群重复采动覆岩破断特征的组合岩梁力学模型,由模型计算得到覆岩裂隙演化高度和相似模拟实验及现场所测高度相近,由此表明,该模型可作为浅埋煤层群重复采动覆岩裂隙演化高度计算的依据。     

浅埋单一关键层断裂覆岩压力成拱效应及分布特征

我国神东矿区赋存有大量埋深浅且基岩薄的厚煤层,浅埋长壁工作面顶板岩层结构形式和矿压显现具有特殊性,为探究采场断裂覆岩荷载传递特征及承载状态,针对浅埋薄基岩工况条件下断裂结构顶板岩层压力传递成拱特点,以单一关键层断裂覆岩为研究对象,根据采场断裂岩层回转下沉运动中的典型受压状态,讨论岩层接触面和关键块内压应力传递路径及分布特征,分析覆岩关键块内集中压应力的拱效应形成机制。通过构建断裂覆岩铰拱结构力学模型,解析推导了对应覆岩铰拱结构的拱轴力求解公式,分析了周期断裂覆岩关键块回转接触特征及应力传递规律。以神东矿区大柳塔矿典型浅埋单一关键层煤层开采为工程背景,利用块体离散元UDEC软件构建煤岩层数值模型,考虑工作面沿最大主应力方向推进情况,对不同采动阶段断裂覆岩结构形式和主应力演化特征进行模拟分析,获得了初次断裂及周期断裂覆岩承载区域分布规律。结果表明:成拱区域拱脚、拱肩和拱顶区域主应力分布符合二次函数抛物线规律,拱脚主应力沿竖直方向由下向上呈递减分布,而拱肩和拱顶主应力呈递增分布,拱腰主应力分布呈过渡性变化。通过分析主应力集中带关键部位最大主应力拟合规律及垂直应力分布特征,明确了主压应力成拱效...     

采动覆岩高位离层演化特征及涌(突)水前兆信息研究

采用理论分析、物理模拟和数值模拟相结合的方法,重点研究了招贤煤矿工作面的高位离层的时空演化,并将开采期间水位变化、微震监测数据作为高位离层涌(突)水前兆信息,揭示了特厚煤层综放开采覆岩主控裂隙(纵向主导水裂隙和横向离层裂隙)演化特征及离层水害机理。以永陇矿区招贤煤矿为研究对象,黄陇侏罗系煤田永陇矿区煤层覆岩具有弱胶结、泥质含量高和单层厚度大等特点,侏罗系覆岩之上为巨厚高水压白垩系含水层,厚及特厚煤层开采时易在侏罗-白垩系交界上下形成高位离层积水;当导水裂隙与高位离层积水沟通时,形成离层水害。离层水害具有瞬时性、大流量并伴随强烈矿山压力显现等特点。研究结果表明:当工作面达到充分开采时,采空区两帮离层裂隙较为发育,中部处于压实区,最大横向高位离层位于梯形破坏区顶部;工作面上覆亚关键层的周期性破断造成工作面周期性来压、高位离层空间周期性扩张、闭合,导致宜君组水位周期性异常下降;工作面经长时间停采,恢复开采后,重复扰动覆岩诱发覆岩岩体结构失稳,导水裂缝带沟通离层空间,造成离层涌(突)水;水位突降、水位下降速率突增、微震大能量事件可作为1304工作面突水前兆信息;关键层的破断会引起微震能量事件,伴随关键层的快速回转、下沉扩大离层空间,造成宜君组水位异常下降;工作面多次复采造成覆岩自稳能力逐渐劣化严重,加快离层涌(突)水通道形成,离层涌(突)水通道逐步增大;随着出水次数增加,水位提前下降时间减少,微震能量事件能量降低,涌水量增大;采动过程中离层涌(突)水的前兆信息-白垩系含水层的水位变化以及矿井微震监测数据验证了模拟结果是可信的。     

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...     

深埋厚冲积层薄基岩煤层开采地表沉降特征与预测方法

煤炭地下开采导致上覆岩层的破断和运动,岩层运动传递至地表引发地表沉陷,改变地表形态,破坏地表连续性和生态环境。为降低采矿活动的负外部性,以赵固二矿为工程背景,综合运用室内试验、理论分析和现场实测等方法研究深埋厚冲积层薄基岩煤层开采地表沉陷与覆岩运动的关系、地表沉陷演化特征和地表沉陷预测方法。结果表明：深埋薄基岩厚煤层开采覆岩运动存在关键层控制和厚冲积层主导2个阶段,第1阶段薄基岩呈现层状破断特征,关键层下缘离层现象明显,厚冲积层保持稳定;第2阶段采动裂隙萌生于高位厚冲积层,下行扩展导致薄基岩全厚破断,层间离层现象消失;得到了工作面推进过程中不同层位覆岩沉降曲线动态演化特征,发现厚冲积层对覆岩运动和地表沉陷具有强烈控制作用,冒落拱失稳导致覆岩沉降曲线呈现周期性突变现象;薄基岩全厚破断后整体下沉,厚冲积层冒落体下向压实,采动裂隙快速闭合,导致采空区上方垮落带和裂隙带岩层破坏后的碎胀系数小,地表下沉速度快,沉降系数高,最大下沉量达到开采厚度;将地表沉陷区划分为直接沉降和间接沉降2个区域,深埋厚冲积层薄基岩赋存条件下间接沉降区范围增大,构建了地表沉陷分区预测模型;对赵固二矿地表沉陷特征进行了预...     

大采深综放开采覆岩移动规律离散元数值模拟研究

为研究大采深综放开采条件下地表移动变形过程中上覆岩层的演化机理,在分析陈家沟煤矿八采区8512,8513综放工作面地表移动观测数据的基础上,确定了覆岩关键层特征参数及其控制作用,并应用3DEC离散元数值模拟软件,模拟同等开采条件下,多工作面开采后覆岩移动变形特征。通过方差与回归分析法分析模拟数据与实测数据的置信度为0.95,保证了模拟参数的科学性与合理性。模拟结果表明:工作面宽深比为0.24时,关键层2以下的岩层均断裂破坏,关键层2起着控制覆岩沉陷的作用,关键层2以上岩层在移动过程中还会出现离层结构,到达地表的沉陷量小于关键层2的挠曲量;工作面宽深比为0.48时,关键层2底部破断、结构失稳,会产生下沉突变;工作面宽深比为0.72时,关键层2完全破断,但由于关键层2上覆厚泥岩的作用,抑制导水裂缝带的发育,发育高度基本趋于稳定,高度为196 m,裂采比为16.3;工作面宽深比为0.96时,覆岩关键层2与其下伏岩层之间的离层闭合,关键层2的铰接结构范围在横向扩展的同时也伴随着整体下沉,关键层2下伏岩层破断后持续密实到一定程度之后,就不再继续下沉,只是随着开采范围扩大,下沉盆地横向发育,此时地表基本达到充分采动状态。此成果能够为该矿"三下开采"评价提供理论依据,为后期开采提供科学性指导,为大采深综放开采条件下地表移动变形规律提供理论参考。     

准东巨厚煤层分层开采覆岩移动规律相似模拟试验

针对新疆准东大井矿区二号井B1煤层赋存地质特征,运用关键层理论对其覆岩结构进行判断分析,采用试验研究的方法建立相似模拟试验模型,研究巨厚煤层分层开采过程中覆岩破断、沉降规律。试验结果表明:巨厚煤层分层开采覆岩破坏高度达到221.24m,其中跨落带98.3m,裂隙带138.2m;基本顶及各亚关键层破断失稳后急剧下沉,随工作面的推进不断被压实、岩层间离层(横向裂隙)逐渐闭合,形成具有一定承载能力的"铰接结构",当第三分层回采完毕,主关键层下部与下位岩层的离层空间达到最大。     

浅埋煤层长壁工作面围岩动态结构及应力特征分析

地下煤层开采后的覆岩结构是覆岩破断和运移的结果,实质是煤层开采后围岩应力重新分布的表现。以浅埋深长壁工作面围岩应力结构为研究对象,利用数值模拟和理论分析方法,从煤层开采后围岩应力场分布规律入手,研究了围岩应力结构的形成与失稳过程,分析了覆岩受力情况。结果表明:浅埋工作面开采后的采场围岩中形成类椭球体的高应力区域,该应力承载结构随着工作面开采在沿工作面倾向、走向及垂直高度上不断发展变化,直至基岩层全部断裂后失稳破坏;初次失稳破坏后,该空间应力承载结构的后方支撑点会迁移至采空区压实矸石上,继续对工作面回采空间提供围岩应力的承载,其形成与失稳是受工作面回采影响的动态演化过程。基于此建立该空间应力结构沿工作面走向的承压拱力学模型,推导出其在覆岩中的形态参数方程和极限状态下的高度及跨距。根据极限承压拱迹线为各岩层弯矩为零的连接线,得到了承压拱迹线上任一位置处的力学状态。结合浅埋深煤层开采后基本顶及其基岩层周期性断裂特征的实践,认为承压拱结构的发展变化规律符合"悬臂梁-铰接岩梁"结构失稳特点,所得结论为浅埋深工作面顶板结构形式及其稳定性研究提供参考。