一种氡气地表探测覆岩采动裂隙综合试验系统研制与应用

 在概述现有关于覆岩采动裂隙发育特征方面研究现状和总结氡气现有工程应用领域的基础上,首次尝试将氡气的地球物理化学特性应用于采矿工程领域,将放射性测量方法引入到地下煤炭开采覆岩采动裂隙发育过程及其含水性方面的探测,并独立自行研制氡气地表探测覆岩采动裂隙综合试验系统。该综合试验系统具有拆装简便,物理模拟模型铺设方便,在同一物理模拟试验台架上可快速实现二维或三维物理模拟试验等优点。将该综合试验系统应用于神东矿区大柳塔煤矿11203工作面开采二维相似物理模拟试验中,模拟得出覆岩采动裂隙动态演化特征及其与氡气浓度变化二者之间的对应规律。同时,该试验也进一步地验证采用氡气地表探测覆岩采动裂隙的可行性。     

分形理论研究采动裂隙演化规律

为研究煤层上覆岩层在采动影响下裂隙的演化规律,通过室内相似材料模拟实验模拟了上覆岩层裂隙演化的全过程。运用分形理论方法,从煤层开采进度、裂隙倾角演化以及区域裂隙分布特征等角度定量分析了采动过程中、采动结束后上覆岩层裂隙的演化规律。研究结果表明:随着工作面的推进,分形维数随采距的推进呈现升维阶段—降维阶段—平稳变维阶段三个阶段的变化特征。根据采动后上覆岩层裂隙场分形维数大小对采煤区域的影响,将采动影响上覆岩层裂隙场定性划分为4个区域:垮落裂隙区、压实裂隙区、垂向裂隙区和离层裂隙区。通过分析裂隙张开程度及分形维数大小得出,垮落裂隙区、垂向裂隙区是主要的导水通道,离层裂隙区以水平流动为主、导水性一般,压实裂隙区导水性最差。     

固流耦合相似模拟材料研制及深部突水模拟试验

模拟深部开采底板岩层的裂隙演化特征是深入探讨煤层开采底板突水规律和演化机制研究的关键,为开展深部开采高水压底板突水通道形成的模型试验,基于固流耦合相似理论,以固体材料研究为基础,研制了新型的适用于深井条件下的相似材料,提出适应该材料渗透系数的测量方法,得到不同配比对材料力学性质的影响规律,将该材料应用于底板突水模拟试验,揭示相似材料的破坏特征和深部底板突水通道的演化特征,即受采动影响开切眼处裂隙发育迅速而且程度较高,解释了此处突水概率大易发生突水危险,对解决实际工程问题具有一定的指导意义。     

承压水上工作面破坏及裂隙演化相似模拟试验

随着我国煤炭开采深度的逐渐增大,承压水上开采工作面底板破断、突水事故呈上升趋势。以某煤矿承压水上开采工作面底板为研究对象,采用理论分析和开采固-流耦合相似模型对承压水上开采底板破断失稳特征进行了研究,并对回采过程中裂隙演化特征进行了数字化分析。研究结果表明:某煤矿承压水上开采工作面底板存在明显“三带”规律;工作面底板破坏深度为19.2 m,有效保护层厚度为2.3 m;随着工作面向前推移,底板所受应力随着距开切眼距离的增大而增加;采动过程中近煤壁底板为裂隙聚集区;采动过程中煤层底板裂隙数量随着深度的增加而减少;底板裂隙演化能很好反映底板破坏过程,可为矿井突水临突监测监控提供可靠数据。     

深部新型固流耦合相似材料的研制与应用

为了更好地分析深部开采承压水上底板隔水层的破裂规律,从固流耦合理论的角度出发,在充分调研相似材料和大量室内试验的基础上,选取以石蜡、凡士林为胶结剂,河砂、碳酸钙为骨料,液压油为调节剂的深部隔水层新型固流耦合相似材料。通过对固流耦合材料试件的指标测试,确定相似材料各组分的含量比例。相似材料遇水后具有较好的脆性和非亲水性,能够模拟具有不同渗透率的底板隔水层,达到了固流耦合材料的相似要求。采用自主研制的采动煤层底板突水相似材料模拟试验系统,分析深部开采底板隔水层的应力和位移变化特征,反演得到采动影响下隔水层裂隙的扩展演化规律。研究表明:(1)采动裂隙主要在开切眼、采空区中部和回采工作面3个部位的底板隔水层处产生;(2)采动裂隙类型以竖向张裂隙、剪切裂隙和层向裂隙为主;(3)开切眼两侧岩体的应力差越大,隔水层采动裂隙发育越充分,工作面前方与断层之间是底板突水发生的主要区域。试验说明制取的隔水层新型固流耦合相似材料能够应用于深部隔水层破裂规律的研究,实现了深部底板隔水层的相似模拟。     

远程保护层开采上覆煤层透气性动态演化规律试验研究

基于相似材料模型试验，设计在相似材料模型上进行煤岩渗透性测定的测试系统，实现远距离保护层开采过程中上覆被保护层透气性变化的测定，得出覆岩破裂移动及上覆被保护层透气性的时空演化分布规律。试验结果表明，随着保护层工作面的不断向前推进，被保护层透气性呈现动态变化，在卸压范围内煤层透气性系数的大小呈“M”形分布。研究结果与现场实际考察结果基本吻合，可为低透气性高瓦斯煤层合理布置保护层和被保护层卸压瓦斯抽放提供科学依据。     

厚松散层下三软煤层开采覆岩导水裂隙发育规律

为掌握厚松散层下三软煤层开采覆岩运移及导水裂隙发育规律,以澄合矿区为背景,采用物理相似材料模拟实验,综合运用全站仪监测、高清钻孔电视监测、3DEC离散元数值模拟软件以及SPSS专业统计分析软件相结合的研究方法,同时引入开采损害理论,研究该条件下覆岩运移规律、裂隙发育演化及导水裂隙带分布特征。结果表明:覆岩运移呈现非对称性,最大下沉值处于采空区中央偏开切眼侧,松散层运移范围大于基岩顶部岩层,整体呈现出"类双曲线"状。理论公式推导得出基岩破断角较小,为56°～58°。垮落带高度13.75 m,垮采比3.06,导水裂隙带高度75m,裂采比16.67;裂隙发育数量自地表而下逐渐增多且在导水裂隙带区域突然增多,裂隙发育主要受到北偏东33°方向上采动应力场控制,导水裂隙带发育演化呈现出"缓慢发育→逐级渐进升高→大幅突然升高→周期小幅升高→稳定发育"五个阶段;通过3DEC数值模拟得出,导水裂隙带高度与松散层厚度成指数函数关系,与采高成线性关系,与埋深和工作面斜长成对数函数关系。运用SPSS专业统计分析软件,基于多元非线性回归理论拟合出导水裂隙带高度预测经验公式。通过对比计算结果,验证了回归经验方程在预测导水裂隙带高度时的合理性;由于K_5砂岩含水层单位涌水量较大且距煤层较近,对工作面开采过程中覆岩裂隙导水影响较大,为避免煤层的开采受到覆岩K_5砂岩含水层的影响,根据所得预测经验公式,煤层的最大采高应不超过3.8 m。该研究对相似地质条件下煤矿保水开采等具有重要的参考价值。     

大采高开采覆岩台阶错动演化规律及突水防治

 在厚煤层大采高开采条件下,覆岩垮落带和裂隙带高度增大,岩层活动程度增强,将造成裂隙带岩层的台阶错动失稳,是开采中引发突水事故的重要条件,而裂隙带岩层的台阶错动失稳与其下位岩层的岩性结构和组合状况有关。因此,分析岩性结构对覆岩台阶错动失稳及突水防治的影响,并运用数值计算和现场实测分析的方法,研究厚煤层大采高条件下,煤层群开采煤层间不同岩性结构组合对上煤层完整性和连续性的影响规律。当煤层间岩性呈软硬岩层组合结构时,随着下位硬岩层或软岩层所占层间距比例的增大,上煤层产生的台阶错动量减小,软岩层结构比硬岩层结构更有利于减小上煤层台阶错动。给出判定台阶错动量的岩性结构构成条件,现场实测覆岩台阶错动及裂隙分布规律,提出突水防治的有效措施,保障工作面的安全生产。     

深部厚硬顶板综放开采覆岩运移三维物理模拟试验研究

为分析深部厚硬顶板破断对厚煤层安全开采的影响,根据胡家河矿402102工作面工程地质和开采条件,构建了大型真三维相似物理模拟试验(3500 mm×3000 mm×2000 mm),开展了留煤柱双工作面开采的试验研究.利用光栅位移连续监测装置对采动覆岩位移进行实时监测,获得了厚硬顶板条件下厚煤层开采覆岩破断运移规律和"三...     

采动覆岩涌水溃砂灾害模拟试验系统研制与应用

 为研究煤层开采过程中覆岩涌水溃砂灾害的演化特征,研制采动覆岩涌水溃砂灾害模拟试验系统。该系统由主体承载支架、试验舱、承压水仓、模拟采煤装置、储能罐、水压水量双控伺服系统和位移应力双控伺服系统组成,具有模拟空间大、可视度优、密封性好、加载方式多样、数据精度高等特点。以西部地区煤炭赋存地层为工程背景,利用研制的低强度非亲水相似材料对煤系地层进行模拟铺设,并对其进行模拟开采,较好地再现了覆岩涌水溃砂灾害孕育、发展及发生的全过程,获得工作面开采过程中覆岩变形破坏、裂隙发育扩展、水砂通道形成及水砂突涌参数和特征。试验结果表明该试验系统稳定可靠,研究方法及结果对进一步认识采煤工作面涌水溃砂灾害的形成机制具有指导和借鉴意义。     

保护煤层开采引起覆岩垮落及其被保护煤层透气性变化的数值模拟

在充分考虑到岩石的非均匀性、存在的节理、裂隙等基础上，运用岩石破裂过程分析系统（RFPA），进行由于深部煤层（保护层）开采诱发的上覆岩层垮落过程及被保护煤层透气性系数变化的数值模拟。模拟结果较好地展示在开采保护煤层过程中覆岩节理、裂隙的发育、顶板的垮落以及被保护煤层的弯曲、变形和透气性系数的变化过程，反映出岩层移动的三带特征：垮落带、断裂带、整体弯曲下沉带以及这三带演化的动态过程。从破坏点空间分布中可以看出岩层破坏的逐层传递性。文中阐明被保护煤层在保护煤层开采期间的应力场与透气性变化之间的联系。     

近距离煤层群下行开采覆岩运移特征试验分析

为研究近距离煤层群多次开采对覆岩运移的影响,根据潘二煤矿近距离煤层群(8、7、6、5煤)地质和开采技术条件,采用相似材料模拟试验开展了下行开采覆岩运移特征研究。分析得出了多次开采覆岩变形、破坏及运移规律,近距离煤层群多次开采与单一煤层开采形成的覆岩宏观运移形态和特征相似。随着开采次数增多,覆岩下沉系数呈线性递减。多次开采覆岩变形、破坏至连通的时间和空间位置关系与开采厚度、开采次数、层间距及层间岩性等因素密切相关。研究表明,覆岩运移的多次演化叠加不仅是影响顶板来压和控制、瓦斯抽采布置和效果的关键因素,也是采动应力演化致灾的主导因素。     

扰动岩体裂隙网络分形性质分析

应用相似材料试验模型,研究扰动岩体裂隙网络的演化特征和规律,借助分形几何方法计算分析了扰动岩体裂隙网络的分形维数和分形演化特征,展望了研究覆岩力学性质与裂隙网络演化的依赖关系,对评价采动覆岩变形过程、力学行为和渗流性质具有重要意义.     

浅埋煤层覆岩隔水性与保水开采分类

 通过陕北浅埋煤层保水开采的模拟研究与采动损害实测,揭示采动覆岩裂隙主要由上行裂隙和下行裂隙构成,采动裂隙带的导通性决定着覆岩隔水层的隔水性。实验分析上行裂隙带发育高度的计算公式,模拟测定下行裂隙带的发育深度。基于采动裂隙发育程度与采高和隔水岩组的关系,提出以隔采比为指标的隔水性判据,由此将保水开采分为自然保水开采、可控保水开采和特殊保水开采3类,为浅埋煤层保水开采提供科学依据。     

高强度综放开采采动覆岩破坏高度及裂隙发育演化监测分析

 以王坡煤矿为试验矿井,采用钻孔冲洗液漏失量观测和钻孔彩色电视系统,探测高强度综放开采覆岩破坏高度,并对监测到的裂隙发育演化进行数字化分析和相似模拟试验研究。研究结果表明：王坡煤矿高强度综放开采覆岩破坏高度为94.00～104.92 m;采动岩体裂隙分布的主要特点是裂隙发育以高角度甚至垂直岩层层面为主,裂隙的发育数量与埋深呈现二次方的递增形式,而裂隙宽度与裂隙数量的分布近似呈正态分布;开采过程中裂隙富集区主要集中在前后煤壁,上覆岩层裂隙密度分布曲线呈两端高中间低,形状如“马鞍”型。     

采动煤岩体弹脆塑性损伤本构模型及应用

 为提高保护层开采的有效性、安全性和经济性,通过引入理想弹脆塑性模型和内切圆准则,采用FLAC3D技术,在德鲁克–普拉格塑性流动格式基础上建立采动煤岩体弹脆塑性损伤本构模型的数值格式。利用VC++2005开发环境将本构模型编写成可供FLAC3D软件调用的自定义模型,并通过试件单轴和三轴压缩数值试验的对比,验证模型用于研究采动煤岩体脆性应变软化特征的正确性和合理性。将所建立模型用于阳泉新景矿超远距离保护层开采的数值模拟得出：位于保护层上部125 m的超远距离被保护煤层处于裂隙带上边缘,被保护层卸压瓦斯取得良好效果,能利用保护层开采及被保护层卸压瓦斯抽采消除被保护层的突出危险。计算结果与物理相似模拟结果基本吻合,表明所建立的采动煤岩体弹脆塑性损伤本构模型可用于保护层开采及被保护层卸压瓦斯抽采效果的预评价。模拟结果可为保护层开采及被保护层卸压瓦斯抽采设计提供合理建议。     

深部开采底板裂隙扩展演化规律试验研究

 为进一步研究深部底板岩体的破裂失稳机制,基于自主研制的高水压底板突水相似模拟试验系统,建立深部承压水上含小断层底板采动裂隙演化及导水通道形成的模型,通过在底板不同深度布设应力传感器和位移监测点,研究底板和断层附近岩体随工作面开采的应力及位移变化规律,反演得到底板及断层采动裂隙的发育及扩展演化规律,为深部开采工作面突水机制的研究提供了一种新的思路。结果表明：工作面开采过程中,底板岩体的受力变化规律主要有2种：(1) 开切眼左侧煤柱底板岩体的应力增量出现先增大后减小的变化趋势;(2) 采场底板岩体的应力增量出现先增大后减小至零再反向增大的变化趋势。深部底板岩体的采动裂隙主要在开切眼、采空区中部和回采工作面3个部位产生,裂隙类型以竖向张裂隙、剪切裂隙和层向裂隙为主,且在主要裂隙附近衍生出一些细微的小裂隙。距煤层较近的断层上、下盘岩体受到的应力差较大,断层上盘在强剪应力差的作用下形成了一条与断层走向平行的剪切裂隙,加快了断裂面破碎岩体的相对滑动程度,促进了断层的活化。     

复合顶板高瓦斯厚煤层综放工作面覆岩“两带”动态发育特征

以余吾煤业为试验矿井,采用钻孔两端封堵分段注水装置和钻孔电视系统,探测综放开采上覆岩层"两带"高度,对采动前后裂隙倾角、数量与深度关系、数量与宽度关系进行数字化分析,并就采动过程裂隙演变情况进行相似模型与数值模拟试验。结果表明:余吾煤业综放开采冒落带高度为27～32 m,裂隙带高度为58～61 m,采动前裂隙以高角度、低宽度为主;随着采煤工作面的逐步推进裂隙数量呈直线上升,且增加的裂隙以小角度、中宽度为主;采动过程中裂隙的主要聚集区在煤壁前后,覆岩裂隙密度分布曲线呈两端和中间高,如"波浪"型。     

采动岩体分形裂隙网络演化规律的试验研究

利用相似材料模拟试验模拟采动岩体裂隙的形成过程和分布状态 ,运用分形几何理论研究采空区冒落带、裂隙带和弯沉带岩体裂隙网络的演化规律。试验结果表明 :采动覆岩裂隙分形维数随工作面推进 ,经历了由小→大→小并趋于稳定的变化过程 ,在工作面推进距离相同情况下 ,冒落带分形维数是裂隙带的 1 0～ 1 2倍 ,裂隙带分形维数是弯沉带的 1 0～ 1 1倍     

采动岩体分形裂隙网络研究

采动岩体裂隙网络发展规律和定量描述是当今矿山开采沉陷学科中基本的有其重要的难题之一。借助相似材料模型实验,模拟了采动岩体的裂隙分布状态,应用分形几何理论研究采动岩体裂隙分布的自相似规律,继而研究发形裂隙网络随着采宽增加的演化规律,研究结果表明：采动岩体裂隙分布具有分形特征,用分形维数可以综合描述采动岩体沦程度,随着采 增加,导致采动岩体分形裂隙网络出现升维现象。