厚松散含水层下覆岩破坏规律分析

以钱营孜煤矿东一采区的工程实例为背景，运用FLAC^3D软件对工作面开采进行数值模拟，结果显示“两带”即覆岩垮落带和导水裂隙带的发育高度分别为10.9 m和42 m。设计并施工了两个采后“两带”高度探查孔，显示工作面垮落带高度实测值为10.66～12.00 m,导水裂隙带高度实测值为40.87～44.87 m,与按规程理论计算和数值软件模拟所得结果接近，可作为相似条件下工作面煤岩柱留设与安全评价的依据。     

吉克煤矿首采区上行开采可行性分析

通过理论计算和数值模拟方法,对吉克煤矿首采区M11煤层上行开采的可行性进行了研究。结果表明,计算得出M11煤层开采后覆岩最大垮落带高度为8．47m,导水裂隙带高度为21．1m-32．4m,M9煤层位于导水裂隙带之内。数值模拟结果表明,M9煤层内部的垂直应力显著下降,垮落带和导水裂隙带高度分别为10m和36m,M11煤层开采对M9煤层的卸压效果明显。首采区利用M11煤层作为M9煤层的解放层是可行的。     

基于位移连续监测的采场两带变形垮落特性试验研究

相似模拟试验是研究采动覆岩垮落带和裂隙带特征的有效方法,岩层位移的准确监测是采场两带高度试验研究的关键。为实现准确、连续、实时地监测采动覆岩位移,提出模型内部位移测试原理,研发了以微型多点位移计、光栅尺和可视化软件等组成的光栅位移连续监测装置。借助此装置并基于相似模拟试验,研究了工作面采动覆岩两带变形垮落特性。研究表明:1)光栅位移连续监测装置可连续监测模型内部测点位移,结果与模型表面散点位移结果吻合。2)在试验模型表面不暴露的情况下,本文方法可有效监测试验模型内部的测点位移。3)基于位移连续监测模拟试验得到了某煤矿采煤工作面采场两带高度,其中:垮落带高度为8.0 m,约为采高的6.3倍;裂隙发育高度为30.0 m,约为采高的24倍。4)采场垮落带垂直位移具有阶梯状的变化规律,裂隙带垂直位移变化相对平缓,可据此判断垮落带和裂隙带的分界,为工程现场两带高度鉴定提供参考。     

大采深条件下导水裂隙带高度计算研究

在分析导水裂隙带高度计算经验公式来源背景的基础上,阐明了只考虑采厚单因素计算导水裂隙带高度的经验公式不合理性及其应用的局限性,针对大采深条件下工作面覆岩运动的特点,基于采场顶板"上四带"划分理论,推导出了考虑开采厚度、开采深度、工作面跨度、岩石的力学性质、岩层的组合特征、含水层水压等因素的导水裂隙带理论计算公式.结果表明:大采深条件下,工作面跨度对裂隙带高度发育有控制作用,含水层水压对导水裂隙带高度发育有促进作用,结合鲍店煤矿1303工作面开采实例,说明获得的理论公式可应用性.     

五沟煤矿导水裂隙带发育高度预测

煤层开采导致覆岩产生移动变形破坏,描述覆岩破坏影响程度的导水裂隙带发育高度是评价顶板是否发生突水溃砂等灾害事故的重要指标之一,因此对影响导水裂隙带发育高度的采高、工作面几何参数、覆岩岩性及岩层结构等主要因素进行分析,利用模糊数学方法将非线性问题转换成线性问题进行计算,获得五沟煤矿10煤开采导水裂隙带发育高度预测公式,为五沟煤矿含水层下10煤层的安全开采提供指导。     

基于角位移临界值的顶板裂隙带高度研究

项板导水裂隙带是煤层顶板水进入工作面的重要通道．根据工作面采空区的空间形态和超限应力、有限空间的特点,采用岩层角位移临界值为判据,得出了导水裂隙带高度计算公式,并且将理论计算值与任楼煤矿实测数据进行了对比,验证了该公式正确可靠．通过该公式分析表明：采高与导水裂隙带高度的线性相关、碎胀系数、角位移值临界值越小,导水裂隙带高度越大,其中采高和碎胀系数权重较大．     

基于采空区压实效应的工作面开采全过程模拟

为探究孤岛工作面开采时覆岩破断、运移和矿压显现规律,利用FLAC~(3D) Fish语言开发了数值算法,基于采空区压实理论和双屈服模型,提出一种孤岛工作面推进过程中覆岩破断演化、垮落带岩体的压实效应和采动静载、动载响应数值模拟方法.采用该方法对朝阳煤矿3108孤岛工作面采动全过程及其动静载演化机制进行了数值模拟,所得结果与现场实际具有较好的一致性.结果表明:由于两侧采空区工作面长度较小(70 m),开采后覆岩垮落不充分,垮落带和裂隙带演化高度有限,约为30.98和66.91 m;动载主要来源于顶板破断释放能量,震源和覆岩裂隙带演化的最大高度基本一致,其震源包络线与裂隙带的发育范围吻合度较高.     

基于地表点下沉阶段特征的覆岩裂隙带高度演化

煤炭开采引起覆岩破断及地表下沉,覆岩及地表运移规律可反映裂隙带高度的动态演化过程,因地表下沉滞后于煤炭开采,采空区封闭后,长期压实作用导致裂隙带高度较采动期间有所降低.基于地表点下沉速度的阶段特征将裂隙带高度的演化全程分为2个阶段,第1阶段裂隙带发育对应岩层破断逐步向上传递的过程,第2阶段裂隙带高度降低对应离层及裂隙闭合、断裂岩层受压后变形回弹及破碎岩体自然压实的过程,针对不同阶段裂隙带高度演化开展了试验研究和理论推导,揭示了不同阶段裂隙带高度的演化特征及影响机制,并结合同忻煤矿和太平煤矿实测结果进行了验证.研究结果表明,关键层的控制作用使得裂隙带高度阶段性增长,关键层最终破断层位及其上方部分岩层的岩性特征决定了第1阶段裂隙带发育高度,第2阶段裂隙带高度由第1阶段结束时裂隙带高度及垮落带高度、不同状态下的垮落带碎胀系数及地表动态下沉结束后的下沉量决定.研究可为废弃采空区卸压瓦斯地面抽采钻井结构设计及煤矿地下水库极限库容计算提供参考.     

放顶煤开采上覆巨厚砾岩层变形移动规律研究

放顶煤开采时上覆巨厚砾岩层垮落直接影响综放工作面的安全生产,为了研究放顶煤开采上覆巨厚砾岩层变形移动规律,以河南大有能源股份有限公司耿村煤矿综放工作面特厚煤层及其上覆巨厚砾岩层为工程背景,采用相似材料模拟试验,研究了放顶煤开采时上覆巨厚砾岩层变形移动全过程。结果表明:(1)随着煤层开采,依据巨厚砾岩层裂隙场的特征,巨厚砾岩层变形移动和垮落的全过程分为下位和上位垮落过程,其中下位砾岩层初次断裂时垮落体形态为梯形,上位砾岩层断裂控制着地表的变形;(2)当工作面停采后,巨厚砾岩层裂隙演化发展具有较明显的时间效应;(3)下位砾岩层初次垮落步距650. 0 m,周期垮落步距175. 0 m,上位砾岩层初次垮落步距825. 0 m,地表下沉系数0. 267。研究结果可为耿村煤矿巨厚砾岩层下综放开采提供安全技术支撑。     

卧龙湖煤矿8101工作面采动覆岩破坏特征研究

煤矿开采过程中覆岩破坏容易引发工作面溃砂、突水事故,为了保证卧龙湖煤矿8101工作面安全开采,根据矿区覆岩工程地质特征及矿区岩层柱状图,建立了FLAC3D数值模拟模型.通过FLAC3D软件模拟,得到了工作面推进时的覆岩应力场及覆岩塑性区分布图,由此分析得出在开切眼和煤壁处覆岩主要为剪切破坏,采空区上部主要为拉伸破坏,得到煤层开采时覆岩最大主应力1.78MPa,最大导水裂隙带高度31m.     

基于RFPA2D的煤层开采冒裂带发育高度预测分析

根据某矿开采技术条件和岩石力学性能等参数,建立力学模型,运用RFPA2D数值模拟软件进行覆岩导水裂隙带高度预测,用经验公式对覆岩导水裂隙带高度进行了估算.在采空工作面进行实测导水裂隙带高度.结果表明RFPA2D数值模拟所得到的导水裂隙带高度与现场测定结果基本接近,考虑预测偏差率后可以作为煤层冒裂带发育的高度进行矿井防治水的依据.     

煤层开采过程中上覆岩层裂隙演化规律研究

以淮南煤矿典型工作面为例,采用离散元数值软件UDEC(universal distinct element code)对工作面回采过程中上下煤岩体内应力场的变化及直接顶冒落过程进行了模拟,分析了上覆煤岩体裂隙产生、发展的形成过程,得到了上覆煤岩裂隙演化规律。研究结果表明,倾向方向工作面回采后,上覆煤岩体内产生冒落、裂隙带和离层带,在工作面内上角位置产生O型圈裂隙带,裂隙发育最大高度为45m。煤层走向回采方向得到了初期来压步距约50m,周期来压步距约20m,上覆煤岩体裂隙在采空区上方约呈45°角发展,并随工作面的前进由下向上、由后往前依次演变。该结果对于煤与瓦斯共采中瓦斯抽放钻孔方位的布置具有工程指导意义。     

导水裂缝带的广义损伤因子研究

用导水裂缝带广义损伤因子确定了导水裂缝带的最大高度.采用概率积分法研究了导水裂缝带的移动变形对其断裂损伤的影响.结果表明:导水裂缝带广义损伤因子的大小与其断裂损伤程度成正比,当导水裂缝带广义损伤因子小于某一特定值时,此处覆岩的断裂损伤不具有导水性,并以榆树湾煤矿20102上工作面开采为例,计算出其导水裂缝带广义损伤因子D0为1.67×10-3,裂缝带的最大高度为89m,与现场实测90m基本吻合,验证了该方法的可靠性.     

采煤面顶板覆岩破坏模拟试验研究

采煤工作面开采过程中"两带"高度值是指导矿井防水煤柱留设、保证矿井安全生产的重要参数,试验以内蒙古某矿3-1煤层首采面为地质模型,通过模拟其开采过程,运用并行电法系统,确定"两带"高度值及其变化特征。同时在给定边界条件和初始条件下,运用数值模拟方法,获得顶板应力变化分布图。综合分析模拟试验结果,判定该工作面回采过程中垮落带高度为40m,导水裂缝带最大高度为80m。根据不同时间电阻率分布图和垂向应力分布云图,可清晰分辨出煤层顶板覆岩破坏的过程和规律,可为煤矿安全生产提供参考。     

基于微震裂缝参数反演的深部矿井"两带"结构规律

微地震监测可以有效监测煤矿在采煤作业中裂缝事件的发育过程,探讨深部矿井采煤作业进程的微地震地质参数,能够有效确定煤矿放顶煤作业中断裂带与垮落带("两带")的发育高度.采用矩张量反演计算推导深部矿井在采煤作业中引起微地震事件的震源机制,在此基础上求解推导放顶煤采煤法诱发的"两带"裂缝事件点的地质特征参数.通过计算得到剪切型裂缝的方位角分布规律和深部矿井采煤工作面实测的应力分布,构建放顶煤采煤法下采煤工作面顶板的剪切型应力裂缝模型,分析微地震发展演化与"两带"活动规律,对解释采煤工作面的周期来压、"两带"边坡角、采煤工作面应力场的特征分布等重要理论问题和保证矿山安全生产具有重要意义.     

厚及特厚煤层工作面顶板垮落高度的确定

采用理论分析、数值计算、相似模拟以及现场实测相结合的方法,分析了厚及特厚煤层工作面采空区顶板垮落高度.研究表明,关键层理论计算分析适用于岩性坚硬、结构完整的顶板条件;考虑顶板挠曲与矸石碎胀影响的采空区顶板垮落高度计算方法具有一定的普适性,得到了影响采空区顶板垮落高度的因素为煤层开采高度、顶板破断块体碎胀系数以及顶板分层极限挠曲变形量;2种理论分析结果给出大同矿区同忻煤矿8105工作面采空区坚硬顶板的垮落高度分别在143m与76~141m,实测得到的顶板垮落高度为80~120m,理论值与实测值基本一致,验证了2种理论分析方法的正确性.     

浅埋煤层重复采动覆岩裂隙及漏风通道演化模拟研究

为了研究浅埋藏近距离煤层群重复采动下地表漏风对采空区煤自燃的影响,利用FLAC~(3D)数值模拟软件,对神东矿区补连塔矿回采不同阶段覆岩孔隙率的发育规律、塑性区分布以及覆岩垮落高度进行模拟分析。结果表明:(1)上煤层回采完毕后,覆岩裂隙发育呈"U"形分布,最大裂隙高度达130 m,尚未通达地表;下煤层回采完毕后,覆岩最大裂隙高度达162 m,贯通地表。(2)上煤层回采完毕后,覆岩在上煤层上方62 m处发生明显离层,离层区下方覆岩下沉高度1.75~4 m,离层区至上覆岩层下沉高度0.25~1 m;下煤层回采完毕后,离层区进一步发育,离层区下煤层采空区顶板垮落,上煤层采空区岩体进一步沉陷,最大下沉高度达7 m,离层区至上覆岩层下沉高度1~2 m。(3)在回采同一阶段,同一高度覆岩孔隙率变化率两侧大于中部;下煤层的回采使上煤层覆岩孔隙进一步发育,孔隙率变化率明显增大。     

采动覆岩破断裂隙的贯通度研究

为了判定采场隔水关键层和计算导水裂隙带高度,进行了覆岩采动导水裂隙分布特征的相似模拟实验和力学分析.提出了破断裂隙贯通度的概念和计算公式.试验结果表明,采场覆岩裂隙带上位岩层的回转变形空间较小,且由于岩层刚度和厚度的差异,薄岩层会完全破断;但坚硬厚岩层破断裂隙未贯通,没有形成竖向"导水、导气"裂隙.为了描述岩层的破断程度及破断裂隙导水能力的强弱岩层破断裂隙的贯通度随其下自由空间的增大而增大,且存在自由空间阀值,大于其阀值时则增加缓慢并趋于1;随岩层厚度增大,起裂时岩层破断裂缝的张开角度减小;岩层破断裂隙的贯通度随裂纹尖端临界张开位移的增大而呈线性减小,随岩层周期破断距的增大也呈近似线性减小.     

覆岩宏观支撑结构演化过程与特征

针对近水平煤层开采采场覆岩支撑结构的宏观特征,构建了覆岩宏观支撑结构的板-壳组合演化模型,分析了覆岩宏观支撑结构的形成-演化过程及其基本特征,在此基础上建立梁-拱力学模型,得到了覆岩宏观支撑结构中壳体形态、关键层悬露长度以及"充分采动"时采空区几何特征的计算方程.结果表明:近水平煤层开采采场覆岩宏观支撑结构的演化过程主要表现为倾向巷道→见方→走向巷道.在关键层影响下,覆岩宏观支撑结构整体呈现为板-壳组合的阶梯状结构,水平剖面形态为圆角矩形,倾向和走向剖面形态为梁-拱组合.如在采空区见方之前关键层已破断垮落,则在采空区见方时会伴随产生覆岩裂隙带高度、煤壁支承压力达最大值等"充分采动"现象;如在采空区见方时关键层未破断垮落,则在工作面推进距离与工作面长度之比为1～3时,也可能出现"充分采动"现象.研究结果得到了杨柳煤矿10414工作面实测数据的验证.     

高瓦斯煤层千米定向钻孔煤与瓦斯共采机理

结合最新引进的德国DDR-1200型千米定向钻机,提出在工作面顶板裂隙带内打千米定向钻孔抽采瓦斯的新方法,构建千米定向钻孔煤与瓦斯共采体系.结果表明,工作面上覆岩层存在大量横向间隙和竖向裂隙,裂隙带高度为34m左右,最大离层裂隙发生在主关键层下方,距离工作面顶板22m左右,最大离层量240mm,形成瓦斯富集区域;工作面倾向方向,回采巷道向采空区方向0～60m范围内裂隙最发育,并能长期稳定存在.据此在14301工作面进行工业性试验,试验结果表明,钻孔布置在14301工作面上方顶板22m左右,倾向方向距运输巷15m处,抽采浓度达70%以上,抽采时间在120d以上,取得最佳瓦斯抽采效果,实现煤与瓦斯共采.