水体下急倾斜煤层开采覆岩破断规律

为了给水体下急倾斜煤层开采防水煤柱的留设提供依据,采用数值计算和相似模拟的方法,考虑顶板水与岩层的耦合作用,对水体下急倾斜煤层开采的覆岩破断和导水裂隙的演化规律进行了研究,结果表明急倾斜煤层顶板的垮落沿工作面方向呈不对称分布,直接顶垮落后向下移动,工作面的上端形成冒落空洞;顶板在采空区上下边界煤柱侧断裂形成的断裂线随着垮落层位的增高而向上山方向移动;在顶板垮落初期,主要是沿煤层法线方向的移动,垮落后期顶板向下抽冒特征明显;导水裂隙的产生在竖直方向上的发育高度大于垂直岩层方向,同时沿煤层产生一定深度的裂隙漏斗。研究结论为水体下急倾斜煤层开采时防水煤岩柱的留设提供借鉴。     

近距离房柱采空区下长壁采场顶板垮落特征研究

为了研究近距离房柱采空区下长壁采场覆岩随时间变化的渐进破断过程和采动裂隙的发展演化规律,以唐山沟煤矿某工作面为工程试验背景,采用物理相似模拟、顶板下沉梯度分析和图像增强算法方法研究了11-2煤房柱式开采后下部近距离的12煤长壁采场顶板岩层破断垮落及裂隙扩展情况.通过实验观察,并从能量释放的角度对岩层运移变化进行分析,结果表明:在近距离房柱采空区下,采用长壁回采工艺时,上部煤柱随时间变化产生破裂失稳,上覆岩层的能量以周期性的方式积累和释放,同时,每隔一个大的周期,有较大能量的突然释放.在此过程中,长壁采场顶板裂隙发育明显,裂隙扩展迅速,裂隙易与上部房柱采空区煤房导通,加速煤柱失效,并形成导水通道.     

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。     

多煤层上覆破断顶板群结构演化及其对下煤层开采的影响

采用理论分析、数值模拟和现场监测等方法,首先建立多煤层破断顶板群结构演化模型,推演不同煤层开采时破断顶板群发育扩展高度,获得了“遗留煤柱-破断顶板群结构”共同作用下工作面支护强度计算公式;其次通过数值模拟揭示了破断顶板群结构发育扩展规律;最后进行现场监测验证。结果表明：侏罗系煤层群间距较小,间隔岩层极易破断,易与上层煤已垮落和破断的顶板结构连接,形成破断顶板群结构;虽然石炭系与侏罗系煤层间距较大,但侏罗系煤层破断顶板群岩层重量通过遗留煤柱向下传递,并与石炭系煤层破断顶板共同作用于工作面支架上,致使石炭系煤层工作面支架压力显著增大。本研究有效解释了多煤层开采时下煤层发生强矿压的原因,为大同矿区及类似矿井多煤层开采围岩控制提供了依据。     

极近距煤层群重复采动覆岩破坏规律相似模拟试验研究

针对近距离煤层群下行开采时重复采动引起的覆岩冲击性破断问题以及再生破碎顶板条件下工作面安全开采问题，以潘二矿11221,11223工作面为研究背景，通过物理相似模拟试验，对极近距煤层群重复采动覆岩破坏及裂隙发育规律进行了研究。结果表明，1煤工作面覆岩垮落带平均高度22 m,裂隙最大发育高度85 m,“两带”发育高度相当于采高的24.2倍；受3煤、1煤工作面联合采动影响，裂隙带相对向上发育增加15 m,覆岩采动充分垮落角基本对称，顶板破坏范围增大；随着工作面推进，煤层群顶板均经历垮落、裂隙发育、采空区冒矸被压实的演变过程，14 m厚的粗砂岩层作为关键层抑制裂隙向上发育，在回采结束后其下方产生较大离层；3煤顶板覆岩垮落形态近似呈非对称“Π”型，相对于3煤，1煤采完后，工作面呈现出“两大一小”的特征；“两带”高度发育大，垮落带和裂隙带的高度分别增加了46%、21%,顶板下沉量大，顶板垮落步距小，初次垮落步距和周期垮落步距明显减小，来压较为缓和。研究结果可为煤层群开采的围岩控制提供参考。     

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。     

应用UDEC进行顶板“三带”范围划分的数值模拟研究

顶板岩层垮落带与导水断裂带高度的划分,是进行瓦斯抽采及"三下"采煤等煤矿安全分析的重要影响因素。运用UDEC数值模拟软件,模拟赵庄煤矿3304综采工作面采动过程;结合岩层破断的理论分析,依据模拟结果中煤层顶板破坏特征及位移场的变化规律,确定受采动影响造成的顶板岩层垮落带与导水断裂带最大高度位置。结果表明:不同高度顶板岩层的最大下沉值随着顶板与煤层之间距离的增加而逐渐减小,直至基本稳定不变;通过分析煤层上方不同高度顶板岩层最大下沉值的变化规律,获得顶板岩层垮落带与导水断裂带高度分别为21.2 m和76.7 m,而现场分析结果为25.15 m和78.19 m,与数值模拟结果接近。     

水体下开采覆岩破断及裂隙演化规律

鉴于水体下开采采动裂隙发育规律对井下安全性评价的重要作用,以水库下综放开采为工程背景,采用关键层理论、组合岩梁理论,并采用相似模拟物理试验手段,研究了覆岩的破断规律,以及在覆岩组合岩层及关键层破断过程中,岩层垂直位移、导水断裂带发育高度以及覆岩裂隙网络的演化规律。研究结果表明:主关键层垮落前后,观测线采空区中部测点的下沉曲线斜率较大,岩层垂直方向上下沉剧烈;导水断裂带发育高度曲线随着覆岩岩层组合周期性垮落呈现出台阶跃升,且两台阶的间距即为覆岩的周期垮落步距;当主关键层垮落后,覆岩导水断裂带发育高度稳定,导水断裂带顶界位于亚关键层Ⅱ下部。裂隙网络的富集区主要集中在前后煤壁,且靠近开切眼侧裂隙区裂隙密度大于停采线侧裂隙密度,由于采空区中部破断岩层在上覆载荷的作用下裂隙压实闭合,造成模型裂隙密度曲线呈偏态"马鞍"状。     

采动覆岩冒裂安全性分级分区预测研究

针对顶板破碎冒落、导水裂隙带及含水层裂隙发育等问题,基于经验公式分析确定煤层开采"两带"发育高度,通过采用有限元数值计算软件FLAC3D分析采动裂隙发育程度,在重力作用下,覆岩运移规律由采空区中心向四周均匀发展,覆岩均匀移动引起拉伸应力区由中心向四周发展并呈U型分布。结果表明,导水裂隙带发育高度和4#煤层至洛河组岩层高度差是判断导水裂隙带是否沟通洛河组含水层的标准。针对煤层顶板洛河组冒裂安全性划分为危险强区、危险中区、危险弱区及安全区。     

厚煤层综放开采富水覆岩采动裂隙动态模拟研究

以陕西省旬耀矿区水文地质资料为基础,通过相似模拟试验研究了综放开采上覆岩层的运移、周期破断及裂隙扩展规律。结果表明关键层的破断对覆岩裂隙向上发育起决定作用,在其破断前一定时期内裂隙发育保持相对稳定;随着工作面的推进,裂隙发育是动态发展的,采动导水裂隙的演化可分为发展期、贯通期和压实闭合期3个阶段;导水裂隙带高度扩展到了直罗组上部岩层,并未发育到洛河组砂岩含水层,覆岩破坏高度最大为78.7 m,约为采高的9倍。     

双煤柱工作面开采覆岩运动及地表沉降规律研究

针对葫芦素煤矿回采期间因缩面而产生的双煤柱结构问题,以葫芦素煤矿21102和21201工作面为工程背景,对双煤柱工作面煤层开采覆岩运动及地表沉降规律进行研究.结果表明:2-1煤层上覆第2岩层为主关键层并形成砌体梁结构,对采场矿压显现及覆岩运动起到最主要的控制作用;地表监测数据表明21102工作面已完全进入开采沉陷稳定期,回采21201工作面时,地表下沉速度及时、稳定,覆岩随采随动,危险性较小.相似模拟试验结果表明,随着模型开挖,横向裂隙逐渐向上覆岩层扩展,离层间距亦逐步扩大,并产生失稳垮落,21102工作面左侧方覆岩破断角为58°,右侧方覆岩破断角为62°,21201工作面左侧方覆岩破断角为56°,右侧方覆岩破断角为59°.工作面开挖后,覆岩依次垮落或下沉移动,与地表监测结果基本一致.研究成果可为深埋双煤柱工作面的安全回采提供借鉴.     

深埋薄基岩煤层采场顶板破断机制研究

为了分析深埋薄基岩煤层采场压架致灾机理,采用物理实验、数字图像处理技术、现场实测等综合研究方法,对淮南矿区深埋薄基岩煤层采场顶板破断特征及机制进行了探讨。得出了在松散承压含水层载荷传递作用下,深埋薄基岩采场顶板破断存在大、小周期来压现象;薄基岩煤层采场上方存在着一倾斜块体承载区,在承担上覆岩层载荷的同时向低位岩层传递压力;低位关键层破断时形成采场小周期来压,之后由于力的传递作用,导致上覆岩层内部原生裂隙扩展、次生裂隙发育,倾斜块体承载能力弱化,其范围向着更高更宽方向发展,当高位关键层破断时倾斜块体承载区达到最大,形成采场大周期来压;大周期来压时易发生采场压架致灾事故。     

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。     

双系煤层开采覆岩运移及采空区煤自燃危险区域研究北大核心

针对大同矿区永定庄矿8106综采工作面采空区大量漏风的工程问题,采用数值模拟方法研究了双系煤层重叠采动岩层的运动破断形式和裂隙动态演化规律,分析了双系煤层多层采空区连通机制以及采空区煤自燃危险区域分布规律。结果表明:侏罗系煤层群采空区表现为顶板垮落、底板底鼓及煤柱附近底板剪断式破坏;石炭系3-5#煤层回采依次造成基本顶、下部关键层和上部关键层破断和垮落,上部关键层破断下沉后双系采空区发生连通并导致漏风,下部关键层破断周期为60 m;在上、下关键层之间形成的裂隙区横截面上,主要漏风通道分为动态裂隙和边缘裂隙;有外部漏风时采空区煤自燃危险区域主要分布在距工作面100~175 m之间,无外部漏风时,煤自燃危险区域相对面积减少且总体位置朝工作面方向前移约30 m。     

浅部矿体开采覆岩运移及导水裂隙带发育高度分析北大核心

为研究浅部矿体开采覆岩运移及导水裂隙带发育特征,以红柳矿I020308工作面为研究对象,采用理论试验、数值模拟、理论研究与现场实测方法,分析采动覆岩运移规律以及导水裂隙带发育高度。结果表明:1)覆岩裂隙呈“采场上方裂隙扩张-采空区上方裂隙闭合”趋势,岩块破断呈“下位岩体垮落-上位岩体咬合-叠层同步下沉”趋势,覆岩下沉量峰值达3.268 m。2)导水裂隙带高度发育过程为极缓慢-逐步扩展-迅速发育-增速递减发育;伴随采动影响,含水层水量间歇性释放,采空区涌水量交替增-减且整体呈下降趋势,直至工作面充分采动后稳定,实测导水裂隙带高度为58 m。3)基于矿物成分及微观结构分析,覆岩内富含亲水性黏土矿物且广泛分布粗颗粒,水-岩反应下将加剧裂隙发育,造成理论与实测导水裂隙高度形成误差。     

综放工作面煤柱尺寸对顶板破断结构及裂隙发育的影响规律

煤层开采后基本顶破断结构直接影响上覆岩层裂隙区的范围和发育程度,运用理论分析和数值模拟相结合的方法,对不同煤柱条件下基本顶破断结构以及由此带来的顶板裂隙发育区演化规律进行了研究。上工作面侧向破断 “三铰拱”结构使下工作面基本顶破断由固支悬臂梁结构变为铰支结构,煤柱两侧形成不对称裂隙发育区。研究结果表明：中小煤柱时,岩块铰接回转,岩块长度大于基本顶悬臂极限断裂长度且随煤柱尺寸增加逐渐增加,裂隙发育区范围随之增加;大煤柱时,下工作面基本顶破断超出上工作面侧向结构影响范围外,岩块长度不变。回转角度由岩块长度和下沉量共同决定,并通过理论分析得到了相应的计算公式。     

大柳塔煤矿多煤层开采覆岩变形破坏模拟研究

针对大柳塔煤矿远距离多煤层开采冒裂带发育及采动影响问题,通过相似模拟和数值模拟计算,系统研究了2个主采煤层开采过程中覆岩垮落、裂隙发育及地表沉陷规律。研究结果表明：浅部2-2煤覆岩主关键层破断后,顶板基岩会发生直达地表的整体切落现象,5-2煤一次采全高长壁开采冒裂带连通上部采空区,形成工作面涌水的导水通道;重复采动岩层与地表移动和变形值增大,非连续性破坏增加;采空区上覆岩体依据主应力分布可划分为双向拉应力区、拉压应力区和压应力区3个区,主应力状态对采动裂隙的形成、发育起着控制作用;采动影响与工作面几何参数密切相关,地表沉陷随着工作面斜长或采厚的降低而减小。研究成果对大柳塔及类似条件下的煤矿安全开采与设计有指导意义。     

下保护层开采上覆煤层顶板破断规律研究

为研究下保护层开采上覆煤层顶板破断规律,以贵州某矿为工程背景,建立基本顶破断不同时期力学分析模型,推导破断临界条件及破断步距,构建物理相似模型反演顶板破断下沉历程,现场监测工作面顶板来压破断步距。研究表明：下保护层开采时上覆煤层直接顶随采碎冒,基本顶初次来压破断步距为20m、周期来压破断步距10m,破断角55°～65°;采空区上覆岩层塑性破坏区呈“梯形”结构,基本顶在空间上依次经历“离层-破断-垮落”有规律交替运动;顶板下沉时依次经历“稳定-加剧-饱和”3个阶段,最大下沉量21 mm,同一水平位置顶板下沉时呈“边坡”状分布;现场监测结果与理论分析、相似模拟结果基本吻合,工作面来压时需适当加快工作面推进速度以避免发生压架事故。     

大倾角伪俯斜采场顶板运移规律实验研究

为研究大倾角伪俯斜采场顶板垮落运移及其与支架相互作用关系。采用大比例三维物理相似模拟实验和数值计算相结合的研究手段,深入分析了伪俯斜采场初采阶段和正常回采阶段顶板应力演化与变形破坏规律,垮落顶板充填特征以及"支架-顶板"相互作用规律。结果表明,大倾角伪俯斜采场顶板应力分布与位移具有非对称性,顶板具有非对称"O-X"破断特征,且具有明显的时序特征,其中"O"破断顺序为:采空区侧边界—采煤工作面侧边界—上部边界—下部边界;"X"破断顺序为:工作面倾斜上方基本顶先发生破坏,随后基本顶沿顺时针方向依次破断。顶板周期性来压与垮落均具有分区特性与时序性,沿走向工作面各个区域顶板的垮落位置与支架相对位置不同,其中,工作面倾斜中部支架直接受到垮落顶板的作用,具体为"砸—压—推",而倾斜上部与下部垮落顶板仅在下滑过程中对支架产生倾向向下的推力,未出现明显的砸、压现象,上部作用最弱,破断顶板使支架发生不同程度的"倒"、"扭"现象;垮落顶板对采空区的充填可分为4个阶段,各个阶段交替转化的过程对工作面中、下部支架的稳定性产生了影响,矸石堆积区最终沿走向形成充填稳定区域与动态运移区域。为大倾角煤层伪俯斜采场岩层控制提供科学依据,也丰富了大倾角煤层采场岩层控制理论。     

急斜煤层覆岩关键层对防水煤柱尺寸的影响

为了对水体下急斜煤层的安全回采提供依据,基于龙湖煤矿南二采区急斜煤层的水文工程地质和煤岩层赋存条件,采用离散元UDEC2D数值计算,分析了覆岩关键层对急斜煤层开采导水裂隙分布和防水煤柱稳定性的影响,结果表明:当上覆岩层无关键层时,急斜煤层开采导水裂隙呈“耳型”分布,而当上覆岩层存在关键层时,导水裂隙以平行于岩层层面的离层裂隙为主,且随着煤层采厚的增加呈抛物线型增大趋势,硕板初次破断后导水裂隙向关键层及其上方岩层发育;急斜煤层覆岩关键层的存在,将明显增大防水煤柱的抽冒范围,水体更易沿防水煤柱塑性破坏区渗流进入工作面采空区.据此,现场设计了分带仰斜充填开采方法,并采取了加固防水煤柱的措施,有效确保了水体下急斜煤层的安全回采.