采动应力下深部煤体渗透率演化规律研究

为了研究深部开采工作面前方煤体的渗透属性,首先基于典型开采方式应力路径进行了不同瓦斯压力下的深部煤体渗透率测试,然后根据渗透率升降速率和单调性对渗透率的演化过程进行划分,归纳出常规三轴加载和采动应力下煤体渗透率演化过程概化模型,最后结合三向扰动应力下的深部煤体渗透率模型与二次多项式拟合关系建立了深部采动煤体全应力–应变渗透率理论模型。结果表明：典型开采方式采动应力路径下深部煤体的应力–应变曲线不存在压密阶段;峰值应力之前和之后测点的渗透率增加率上升幅度较小,而峰值点的渗透率增加率上升幅度较大;常规三轴加载的煤体渗透率曲线呈“V”字形,相应的概化模型包括下降段、峰前缓升段、急升段和峰后缓升段;采动应力下的深部煤体渗透率曲线呈倒“Z”字台阶形,相应的概化模型可划分为峰前缓升段、急升段和峰后缓升段;建立的渗透率理论模型能够表征不同开采方式下深部煤体全应力–应变过程的渗透率演化。     

煤层采动底板破坏规律动态观测研究

煤层采动后顶底板应力状态发生改变,会产生一定范围的变形与破坏,不同煤层采动过程中的底板破坏具有一定的规律.对于受底板水害威胁的煤层,正确确定底板采动破坏深度是精确预测底板阻水能力的首要条件,因此通过实测法获得该破坏深度值及规律是矿井物探研究的一个方向.多年来,我国对煤层底板破坏规律的观测研究方法较多,但受技术条件所限,真正有效适用的技术方法较少.采用震波CT探测技术,结合煤层工作面中孔-巷间形成的探测剖面,进行不同时期震波CT数据采集、反演与资料处理,可获得煤层采动过程中底板破坏的动态发育规律及特征.开采探测实践表明,震波CT技术对底板破坏规律探测具有连续的动态效应,其适用性强,应用效果显著.     

煤层采动底板破坏规律动态观测研究

煤层采动后顶底板应力状态发生改变,会产生一定范围的变形与破坏,不同煤层采动过程中的底板破坏具有一定的规律.对于受底板水害威胁的煤层,正确确定底板采动破坏深度是精确预测底板阻水能力的首要条件,因此通过实测法获得该破坏深度值及规律是矿井物探研究的一个方向.多年来,我国对煤层底板破坏规律的观测研究方法较多,但受技术条件所限,真正有效适用的技术方法较少.采用震波CT探测技术,结合煤层工作面中孔-巷间形成的探测剖面,进行不同时期震波CT数据采集、反演与资料处理,可获得煤层采动过程中底板破坏的动态发育规律及特征.开采探测实践表明,震波CT技术对底板破坏规律探测具有连续的动态效应,其适用性强,应用效果显著.     

煤层底板导水裂隙演化规律的电法探测研究

 通过试验测定不同岩样在充水条件下应力–应变全程电阻率的变化,给出在采动过程中煤层底板岩层产生导水裂隙时的导电性变化规律,并以此为基础建立底板采动导水裂隙带动态演化地电模型。利用三维电法正演软件对此地电模型进行正演数值模拟,得出煤层底板导水裂隙演化过程中的视电阻率响应特征,为矿井电法数据采集系统设计和资料处理解释提供理论依据。依据全空间高精度三维电法测量的思想,提出煤矿底板导水裂隙带动态监测系统的设计原则和技术要求,为现场实际工作条件下煤矿底板破坏裂隙带动态监测系统设计提供依据,并成功用于安徽一矿底板破坏导水裂隙带演化规律的探测。实测结果表明,采用三维电阻率法探测(监测)底板导水裂隙带演化过程效果明显,能显示出底板在回采过程中变化破坏情况,有利于煤矿底板突水预测和突水防治措施的制订。     

三维应力条件下煤层底板采动破坏规律实验研究

以川煤集团白胶煤矿2481工作面地质资料为基础,利用自行研制的“多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统”,进行了三维采动应力条件下的三维模拟开采实验。通过应力监测、测量统计、色素示踪、照相素描等方法,对采动后的底板岩层破坏规律进行了研究。研究结果表明:底板岩层表现出“采前增压-采后卸压-压实回升”的动态受力特征;根据裂隙发育特征,可将底板裂隙带在走向上分为“开切眼裂隙发育区”、“采空区中部压实区”和“工作面裂隙发育区”,在竖直方向上分为“底板破断裂隙带”和“底板弯曲离层带”;确定底板最大破坏深度为14 m,为上保护层开采中被保护煤层瓦斯抽采的设计及优化提供了依据。     

承压水上开采煤层底板隔水层裂隙演化 规律的试验研究

 奥陶系岩溶水是我国华北矿区煤矿安全生产的一大隐患,而带压开采是开采受底板突水威胁的煤层的有效方法之一。为深入分析承压水上煤层底板突水的危险性,自主设计煤层底板承压水水压加载系统,实现采用压力水袋对底板隔水层的承压水作用的物理模拟;分析底板隔水岩层的变形及破坏特征,得到底板隔水层的裂隙产生、发育直至导水通道形成规律。研究结果可为揭示承压水底板突水的力学机制提供参考。     

深部开采动力扰动下底板应力演化及裂隙扩展机制

深部开采地应力增高及动力灾害增多驱动岩体裂隙扩展导致底板突水事故频发,使得研究动力扰动下裂隙扩展机制具有指导意义。根据弹性理论推导分析了顶板动力扰动对底板应力的影响,模拟计算了动力扰动下底板应力及位移演化规律,基于卸荷岩体理论分阶段研究了动力扰动下端部效应区及卸荷作用下突水通道发育区的裂隙扩展机制,结合岩体渗流特征分析了高承压水压力下裂隙的渗透作用,并进行了工程验证。结果表明:随动力扰动强度增加,端部效应区应力非线性增长;动力扰动强度越大,卸荷起点越高,越易满足裂隙扩展的临界应力;动力扰动强度决定了底板裂隙的扩展及渗透作用机制,当突水通道发育区渗透率突变增加的岩层深度大于隔水层厚度时将诱发底板突水。     

超化煤矿“三软”煤层采动底板变形破坏的实测研究

通过现场应变实测系统研究了郑州矿区超化煤矿"三软"煤层底板采动变形破坏的深度及其受采动煤壁前方影响的范围。得出了在正常采动情况下厚的软煤和软底对应力和变形的传播具有一定的缓冲作用,受超前应力集中的影响,竖直应力的变化比水平应力大。揭示了中段灰岩组对应力分布和变形破坏的重要控制作用,为豫西煤炭资源向深部开采所引起的底板水防治提供了部分参考的依据。     

采动底板层状岩体应力分布规律及破坏深度研究

准确预测采动底板破坏深度是承压水上采煤中的一个关键问题.将底板层状岩体视为横观各向同性连续体,根据煤层上覆载荷分布特点,推导出煤层采动后的底板任一点应力解析解.在此基础上,分析横观各向同性底板变形参数的各向异性度(E1/E2,μ1/μ2)对应力分布规律的影响.根据应力计算结果,利用Mohr-Coulomb屈服准则,试算搜索出横观各向同性岩体危险剪切面并判断该面是否破坏.算例显示,弹性模量各向异性度对采动底板各种应力分布影响较大,而泊松比各向异性度只对水平应力影响较大,对垂直应力和剪应力的影响远小于弹性模量各向异性度的影响.由于考虑了层状岩体变形和强度的各向异性,横观各向同性底板最大破坏深度及其位置的计算结果与现场注水试验基本相符,较各向同性底板的计算精度要高.     

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。     

考虑底板岩层移动的急倾斜煤层开采沉陷预计

分析了急倾斜煤层开采岩层和地表移动特点,总结了急倾斜煤层开采地表下沉盆地的4种类型,并对这4种下沉盆地的形成原因进行揭示。给出了急倾斜煤层开采沉陷预计建模的4条原则,并针对该原则提出了一种基于概率积分法的急倾斜煤层开采沉陷预计模型,该模型能清楚地解释急倾斜煤层开采煤层顶底板岩层移动和地表下沉的相互关系。建立了预计方法的坐标系,分析了预计参数的物理意义,并给出了预计参数的变化规律。编制了基于本文方法的计算机程序,并利用矿区观测站实测数据对本方法进行了验证。实验结果表明,本文方法对于倾角大于70°的急倾斜煤层开采沉陷预计效果较好,能为矿区的环境保护,地表移动预警起到决策支持作用。     

深井煤层底板卸荷扰动应力场展布形态研究

采用综合研究方法分析了煤层回采后底板岩层应力场变化特征和空间分布规律,结果表明:工作面回采初期,煤壁前方及开切眼附近最大主应力近似等于垂直应力,似“球根”状向底板岩层传播,高剪应力斜向采空区两侧未采煤层底板传播,并迅速衰减,水平应力集中程度微弱;工作面继续回采,围岩最大主应力场急剧偏转,底板岩层存在高应力束组成的主应力拱,垂直应力峰值线是深入煤体斜向工作面底板岩层按负指数规律衰减的曲线,采场附近垂直应力等值线升高区呈“耳”型分布,工作面后方采空区底板岩层出现滞后卸压现象,垂直应力等值线最终趋于“平底型”分布,卸压范围呈现倒“八”字型;煤层底板应力场具有继承相关性,且煤层底板方向应力场衰减速率远大于煤层顶板岩层。附加水平应力和剪应力沿采空区边缘在浅部岩层出现高度集中现象,之后急剧耗散。力学场偏转伴生出的拉应力、膨胀应力、挤压应力联合作用是底板岩层运动(底臌)的本质力源,煤壁前方底板岩层存在微弱的扰动变形,底板岩层裂纹势必超前起裂。     

深厚煤层开采底板变形特征的光纤监测研究

煤层工作面采动会引起采场底板应力场重新分布,发生煤岩体的变形与破坏,准确掌握其时空发育特征对底板突水预测具有十分重要的意义。为了探究大埋深特厚煤层开采底板岩层裂隙场的发育规律,依托准格尔煤田某矿开采工作面,采用井孔光纤应变测试技术开展室内岩石压裂测试并实施底板监测,获得了大采高底板下不同深度岩层随工作面推进的应变变化曲线及特征。结果表明:光纤监测技术可有效捕捉深部煤炭开采底板岩层破坏特征,特别反映出在垂向分布上通过应变与岩层对应关系可得到底板裂隙场发育具有一定的分层性,其分布主要受地层结构影响,并且破坏优先发生于软弱岩层和软、硬岩层交界面附近。且通过1#、2#钻孔应变特征综合分析61101工作面受采动影响底板最大裂隙发育深度为21.5 m。     

采动底板横观各向同性岩体应力解析解

针对采动煤层底板应力计算中将底板层状岩体视为各向同性介质这一问题,通过把横观各向同性弹性理论引入到采动煤层底板应力解析解中,根据开采煤层上覆载荷分布特点,利用半无限横观各向同性弹性体表面受垂直集中力作用的应力分量计算公式,推导出采动横观各向同性底板中的附加应力解析解,并与FLAC^3D数值解进行对比验证。在此基础上,分析了横观各向同性底板与各向同性底板中的附加应力在水平方向上的变化规律。算例显示,在煤层底板同深度下,横观各向同性底板垂直附加应力在采空区的卸载程度要小于各向同性底板,而水平附加应力则与之相反;在工作面两侧的底板中的垂直附加应力与水平附加应力的集中程度横观各向同性底板皆小于各向同性底板;横观各向同性底板的附加剪应力要小于各向同性底板。当底板为横观各向同性岩体,按各向同性岩体计算其应力分布是不合理的,需作必要的修正。     

浅埋厚煤层条带充填保水开采分析研究

我国西北地区浅埋厚煤层开采对地表及潜水层造成严重破坏,而充填开采是减小地表破坏以及实现保水开采的有效途径。为研究浅埋厚煤层条带充填保水开采的安全性,以哈拉沟煤矿为研究对象,建立了“边界煤柱+条带充填体+覆岩”的力学模型,采用相似试验与现场实测相结合的方法,在周期来压步距、地表下沉及台阶裂缝等方面进行对比分析,得出了较为准确的基岩裂缝角及直接顶初次垮落步距,并通过对隔水层的稳定性分析,确定了条带充填开采的充填宽度为38 m,充填间隔为16 m。根据土工试验得到黄土层的相关力学参数,确定了下行裂缝的发育深度。结果表明:条带充填开采引起的下行裂缝未影响到主关键层,有效隔水岩组厚度满足相关规程要求,可实现安全保水开采。     

山地浅埋煤层工作面支架合理工作阻力研究

针对山地浅埋煤层开采过程中工作面出现的矿压显现强烈,支架被压死或支架尾梁与顶梁分离等现象,通过建立山地浅埋煤层基本顶初次垮落时岩块触矸前控制基本顶滑落失稳的结构力学模型对山地浅埋煤层开采工作面支架合理工作阻力进行了研究。研究表明:山地浅埋煤层开采过程中基本顶出现滑落失稳的可能性相对较大,且基本顶的初次破断具有不对称性,通过计算得出发耳井田1、3煤层山地浅埋煤层工作面液压支架工作阻力应大于5 773 kN。     

承压水上厚煤层底板变形破坏特征实验研究

采场底板稳定性影响因素很多,其中高承压水作用是底板隔水层裂隙发生、发育、扩展及造成底板变形失稳的关键因素之一。我国华北型矿区均受石炭二叠纪煤系底部的太灰、奥灰含水层影响,为此,分析承压水作用下采场底板矿压显现规律意义重大。通过相似材料模拟,分析承压水作用下底板岩层变形及裂隙发育规律。结果表明:沿工作面推进方向,按煤层底板变形特征可划分为5个区,依次为稳定区、压缩区、压缩-膨胀过渡区、离层膨胀区及压实稳定区;按底板破坏特征,自上而下依次为竖向张裂隙带、斜向穿层裂隙带、顺层裂隙带。研究结果可为承压水上开采底板失稳机理研究提供参考。     

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。     

大倾角煤层综放开采老顶力学结构阻水性探讨

在大倾角煤层走向长壁工作面综放开采沿倾斜方向能形成老顶稳定结构的理论基础上,建立了一种能够描述较破碎老顶结构的力学模型,通过引入相似材料模拟实验得到的煤岩体参数,求解得到了本研究中的老顶稳定结构的力与位移关系式,可用于分析评价老顶结构的阻水性能。现场工作面以及采空侧的出水监测数据揭示了老顶稳定结构具有阻水性,验证了本文建立的老顶结构力学模型的合理性。计算结果显示老顶稳定结构的阻水效果受到煤层倾角的影响,推导了35°~55°倾角较破碎煤层老顶结构起到阻水作用所需的最小采深关系式,可为现场地表水害分区段治理提供理论依据。