建筑荷载影响下的浅部老采空区覆岩变形破坏相似材料模拟研究

针对在深厚比较小的浅部老采空区地表建设易引发该区覆岩失稳破坏的问题,采用相似材料模拟试验方法,对浅部老采空区残留空隙分布、建筑荷载影响下的覆岩空隙演化及地表沉降特点进行了研究。研究结果表明:受荷载影响的老采空区残留空隙二次压缩或失稳是浅部老采空区地表产生新的较大变形的根本原因;老采空区覆岩残留空隙主要包括:岩层结构已平衡的在无外因扰动下将长期存在的离层、垮落和裂缝带内破损岩层虽经历长时间压实但仍存在的裂隙、开采边界覆岩未完全垮落而形成的空洞;浅部老采空区覆岩内不存在弯曲带岩层的整体性支撑效应或此类覆岩较薄不足以分散荷载的影响,荷载直接作用在垮落和裂缝带破损岩体上,使得破损覆岩再次压密失稳破坏;采空区边界残留空洞受荷载影响,在其上方发育纵向裂缝,随着荷载的增大覆岩沿纵向裂缝整体性断裂,直至切冒到地表,对拟建建(构)筑物的结构安全影响极大。     

老采动区覆岩裂隙发育特征及活化机理研究

采用钻孔勘探、钻孔电视、地球物理测井、岩石力学测试等技术和方法对老采空区覆岩裂隙发育特征进行了研究。研究结果表明:老采空区弯曲带岩层的整体性未遭破坏,表现为连续平缓的弯曲变形,局部有裂隙产生;裂缝带岩层产生裂隙或断裂发育,但尚未塌落;垮落带岩层断裂破碎塌落,有残留空洞发育。对其中的53条采动裂隙发育特征统计显示,裂隙平均间距1.08m,间距小于2.0m的裂隙占统计数据的85%,老采动区采动岩体裂隙以低角度裂隙为主,倾角小于30°的裂隙占统计数据的68%;煤炭开采引起的地下空洞、离层、裂隙和垮落带的欠压密、孔隙饱水等现象是老采动区活化的根本原因。     

采空区覆岩及地表变形规律相似模拟研究

以河东煤田北部某矿8~#煤层为研究对象,利用相似模拟的方法对采空区覆岩破坏规律和采动引起的地表沉降变形规律进行了研究。研究结果表明:随着开挖的不断进行,采空区覆岩呈周期性的离层-断裂-垮落破坏特征;随着推进距离的增大,垮落长度和高度在不断增大;开采结束后,采空区上覆岩层变形不断趋于稳定,离层不断被压实。     

综放工作面上覆岩层变形破坏时空演化特征试验研究

采用相似模拟实验方法进行采空区工作面顶板垮落过程中上覆岩层变形破坏试验研究。以CCD相机构建实验图像数据采集系统,采用数字散斑相关方法对上覆岩层位移场和垮落角进行了分析,研究了上覆岩层垮落区域裂隙演化、位移演化及偏态特征。研究结果表明:工作面顶板垮落过程中上覆岩层垮落角角度随垮落区域形状不断变化,垮落高度逐渐减小直至平稳,垮落面积逐渐增大直至平稳;在竖直方向上,上覆岩层垮落带呈宽缓的W型沉降、裂隙带和弯曲下沉带呈V型沉降;在水平方向上,下部上覆岩层向两侧移动、上部岩层向中间移动,造成各岩层间发生摩擦滑动,并对两侧未开挖区域及煤柱产生弯矩作用;工作面顶板跨落后形成偏态,开切眼侧垮落角大于开采侧垮落角,并在开采侧形成岩移角,开切眼侧的下沉曲线较陡、工作面侧下沉曲线较缓。根据实际工程背景,计算了地表塌陷影响范围,为煤矿开采对上覆岩层影响范围和程度以及后续采空区治理等问题评估提供了必要依据。     

充填开采覆岩变形破坏规律研究

利用FLAC3D对唐山矿铁三区9~#煤层充填开采进行了模拟,对比研究了垮落开采与充填开采下的覆岩变形破坏特征,并结合现场覆岩钻孔探测得到的顸板离层范围及裂隙扩展进行了分析,结果表明:充填开采塑性破坏呈长条状分布,覆岩变形以整体弯曲下沉为主,与垮落开采相比,塑性区分布范围明显减小,破坏高度降低63.5%,采空区顶板下沉量减少40.9%,现场充填开采效果良好,采空区上方仅直接顶及8~#煤层范围内存在破裂区,直接顶内裂隙发育程度及岩层破碎程度随孔深增大逐渐减弱,8~#煤层以垂直裂隙为主,部分区域破碎较为严重。     

大同煤田石炭二叠系煤层顶板导水裂隙带发育规律研究

根据侏罗纪煤层地质特征及其开采方法,通过理论分析,研究侏罗纪煤层开采、采空区形成过程中的围岩破裂特征及其时空演化规律。针对双纪煤层地质及水文地质特征,分析石炭二叠纪煤层开采过程中及开采后,双纪煤层间岩层的变形破坏、垮落和移动规律,计算分析导水裂隙带高度,及其与侏罗纪采空区底板裂隙带的连通机制,研究揭示大同矿区侏罗纪采空区围岩裂隙发育与积水运移规律,及其对石炭二叠纪煤层安全开采的影响,考虑到双系煤层开采复杂的工作面布置以及多煤层开采对覆岩岩性结构的扰动,相似材料模拟法弥补了经验公式法的不足,动态模拟煤层开采过程中上覆基岩变形破坏的范围及塑性分布情况,导水裂隙带高度模拟结果更接近实测值。     

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。     

急倾斜煤层开采与开拓巷硐群扰动效应数值模拟分析

针对王家山煤矿急倾斜煤层开采与开拓巷硐群工程越界对地方煤矿安全开采问题,建立了急倾斜煤层开采与开拓巷硐群数值计算模型,分析了覆岩移动变形与应力演化规律。研究结果表明：急倾斜煤层开采,采空区上方煤层先破坏、垮落,顶板沿层理面法向发生弯曲、离层,采空区上部煤体先垮落,呈拱形结构,抑制了上覆煤岩体向采空区的垮落和移动;工作面采高5.2m,顶板发生垮落,底板也会发生滑移,顶板一侧的沉陷大于底板一侧的,在底板一侧出现断崖式现象,但垮落带发育高度小于工作面距井田边界的距离;巷硐群最大位移均发生在泥岩、煤层等软弱岩层以及断层破碎带区域,其扰动效应增加;在软弱岩层时巷道最大影响圈边界增加,影响边界贯通,但最大裂隙带高度为11.5m,裂隙带上脚未发育至井田边界标高。因此,工作面开采与开拓巷硐群对地方煤矿开采没有影响。     

综采工作面垮落带注浆充填开采覆岩采动裂隙定量表征试验研究

为定量表征冒落区注浆充填对覆岩采动损伤程度的影响,以任家庄煤矿110903工作面为研究背景,开展垮落法开采和垮落带充填法开采物理相似模拟实验,运用分形理论研究两者覆岩裂隙演化特征,并对其覆岩运移规律进行对比分析。研究结果表明,垮落法开采后采动裂隙分形维数变化规律为迅速上升-缓慢下降-缓慢上升-急剧上升,注浆充填开采后变化规律呈迅速上升-迅速下降-缓慢下降-缓慢上升;将采动裂隙发育网络划分为离层裂隙区、离层压实区、垮落裂隙区、竖向破断裂隙区四个区域,对比垮落法开采和垮落带充填法开采,充填后采场覆岩裂隙不发育,离层压实区范围较小,发育高度仅为21.96 m;注浆充填开采后各关键层下沉量显著减小,关键层2最大下沉量出现在顶板初次破断处,垮落法开采后关键层2最大下沉量出现在采空区中部。垮落带注浆充填开采能有效改善覆岩裂隙损伤、控制覆岩裂隙发育、减缓覆岩下沉,该成果可以为任家庄煤矿充填开采控制地表沉降提供一定的理论依据。     

近距离煤层开采覆岩运移规律诱发地表沉降分析

为对近距离煤层开采顶板覆岩运移规律及覆岩破坏诱发地表沉降进行分析，采用物理及数值模拟实验，以某煤矿近距离煤层开采为例进行论证。研究结果表明：开采过程中煤层上方原岩应力发生扰动，使能量得到释放，从而诱发覆岩发生持续变形现象，变形破坏的覆岩区域呈下沉抛物线状；近距离煤层开采过程中，因上方垮落覆岩作用，导致上下煤层之间的岩层发生断裂，从而引发上下采空区发生贯通现象，能量释放区形成泄压叠加区，此时对地表沉降的诱发效应最为明显和直观；上煤层开采覆岩变形破坏形态比下煤层更为直观，下煤层因上下煤层双重复合效应覆岩沉降现象比上煤层开采更为剧烈且对地表沉降诱发效应更大，数值模拟地表沉降值为3.7 m,相似模拟地表沉降值为5.6 m,理论计算地表沉降值为5.279 m,整体差值较小，可以相互验证。     

近距离特厚煤层一次采全高覆岩破坏特征相似模拟

根据潘谢矿区地质条件及采取一次采全高开采方式,采用物理相似模拟实验方法,对近距离特厚煤层开采时覆岩破坏及位移特征进行了分析,得出了随着覆岩的采动垮落、裂隙高度的增加和范围的增大,形成了阶梯跳跃式趋于稳定,并且确定了近距离特厚煤层一次采全高垮落带及其裂隙带的发育高度.随工作面的推进,层间岩层形成明显的移动变形盆地,同一岩层中下沉移动量最大的点位基本处于下部采空区中心上方.由于采高较大,应力集中沿工作面推进方向不断延伸扩展,应力集中系数较分层开采要小,但前方影响范围要大。     

榆神府矿区双煤层开采覆岩破坏及地面沉降特征研究北大核心

为研究双煤层开采条件下浅埋煤层覆岩破坏特征及地表沉降规律,以榆神府矿区典型浅埋煤层地质条件为基础,采用数值模拟方法,分析了6种不同工况下双煤层开采时覆岩破坏与地表沉降特征,并用物理相似模拟实验加以验证。结果表明:浅埋煤层覆岩破坏方式为全厚切落,留煤柱开采时隔水层中采动破坏呈现“泥盖效应”,不留煤柱开采时采空区两侧形成离层裂隙发育区,裂隙沿采空区两侧上方呈约45°发展;煤层开采时地表呈台阶式下沉,随着工作面推进,地表沉降中心不断前移,隔水层重量对地面沉降的影响逐渐减小,煤层厚度与地表沉降值呈正相关性;煤层开采过程中存在应力集中现象,上覆岩层中垂直应力沿煤层开采方向依次出现应力集中区、应力卸压区和应力集中区。     

保留条带煤柱内部变形破坏演化规律研究

为研究保留条带煤柱内部变形破坏演化规律,对岱庄煤矿条带煤柱在相邻工作面开采前后进行了不同深度横向变形观测.根据观测结果,确定了该条带煤柱塑性破坏区的宽度,分析了完全破碎区、塑性破坏区和弹性核区对顶板及覆岩的不同支撑作用.认为采空区垮落顶板对上覆岩层也有支撑作用,从而减小了覆岩对条带煤柱的压力.但进入采空区后,其破坏和变形过程会保持一段较长时间.     

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。     

开采覆岩特征及水体开采技术途径

1覆岩破坏特征 1．1覆岩破坏基本特征在采用全部垮落法开采的工作面。覆岩的破坏移动出现三个具有代表性的部分：冒落带、裂隙带和弯曲带。（1）冒落带是指脱离岩层母体,失去连续性,呈不规则岩块或似层状岩块向采空区冒落的那部分岩层。冒落带内岩块之间空隙多,连通性强,是水体溃入井下的通道。（2）裂隙带位于冒落带之上,具有与采空区连通的导水裂隙,但连续性未受破坏。     

浅部松散含水层下开采上“两带”观测与相关规律研究

针对煤层露头附近开采,对上覆岩层造成的破坏程度的问题,采用钻探、物探以及地表沉陷观测,进行了导水裂缝带发育高度和地表岩移规律研究,取得了浅部松散含水层下开采引起覆岩变形破坏及地表沉陷规律,得出了垮落带、导水裂隙带（简称上“两带”）发育高度及地表沉陷的主要参数。对煤矿浅部松散含水层下开采的水害防治工作及安全生产具有重大意义。     

黄土覆盖下开采沉陷影响研究分析

通过运用相似模拟实验和FLAC3D数值模拟对我国北方由于黄土覆盖区域下的煤层开采造成的地表沉陷进行研究。数值模拟实验研究得出:由于煤层开采时受开采推力和上覆岩层自重的影响,位于采空区上部的覆岩会不断发生向采空区方向的垮落,在覆岩垮落达到一定程度时会逐步使地表发生沉降,且沉降是随采掘长度不断增加而加大。相似模拟实验研究得出:工作面向前推进时,位于采空区上方的顶板发生初次垮落长度为280mm(56m),来压长度210mm(42m),垮落高度16mm(3.2m),即初次来压。相似模拟实验中,在水平推力和开采扰动的影响下,黄土覆盖地表沉降和数值模拟基本相似,当开采终止后,其最大沉降值为36.48mm(7.296m),共发生9次来压,平均来压步距为131mm(26.2m)。     

浅部条采老采空区受荷载影响的模拟研究

采用相似材料模拟试验研究了建筑荷载影响下的条采老采空区覆岩和煤柱失稳破坏过程。研究表明:随着荷载增大,老采空区覆岩和煤柱在附加应力作用下变形破坏,在采空区上方地表加载时,覆岩呈"鼓形"破坏形态,而后岩层断裂垮落;在煤柱上方地表加载时,煤柱受压缩在边界上方发育高角度纵向裂缝,而后采空区覆岩垮落失稳,沿发育的裂缝切冒至地表。     

采后10 a垮裂岩体自修复特征的钻孔探测研究——以神东矿区万利一矿为例

采动垮裂岩体在煤层采后多年的长期演变过程中,常易发生导水能力逐步降低的自修复现象,研究其产生机制与规律对于实现矿区采损环境的生态再恢复意义重大。为了揭示神东矿区万利一矿煤层开采约10 a后垮裂岩体的自修复特征,采用钻孔原位探测方法对单一煤层采动和多煤层重复采动这2类典型条件下的覆岩垮裂特征及其自修复规律进行了观测研究。结果表明,历经8～12 a时间的演变,上覆垮裂岩体的自修复现象显著,表现为钻进冲洗液漏失量小、孔内水位下降缓的低渗透现象。采煤时覆岩的初始垮裂程度直接影响采后多年探测揭露的岩体自修复效果;从横向上看,开采边界附近为采动裂隙的显著发育区,因而其垮裂岩体自修复效果要低于盘区中部压实区的垮裂岩体;从纵向上看,垮落带中下部及导水裂隙带中上部自修复效果最好,而垮落带上部及其与导水裂隙带交界的过渡区由于普遍赋存有厚硬砂岩,因而其岩层垮落块度大、自修复效果相对偏低。煤层埋深越大,较大的支承压力更易促使超前煤岩体的压缩、以及边界附近显著发育裂隙的开度减小,这有助于促进裂隙的自修复;因而浅部矿区垮裂岩体实现自修复所需的年限更长。相比单一煤层开采,多煤层重复采动产生的二次活化作用会改变上煤层覆岩已有垮裂状态,还可能破坏在其中已发生的自修复进程;上下煤层采煤间隔时间越长,覆岩整体的自修复进程越慢、效果越差。     

煤层群开采覆岩运移规律及“三带”高度确定

为研究煤层群开采条件下覆岩移动规律及“三带”分布范围，基于神东布尔台煤矿42106工作面概况，采用相似模型物理实验方法模拟了2^-2煤及4^-2煤2层煤先后开采的覆岩移动变化特征，分别就覆岩垮落特征、应力变化、岩层下沉量3个方面进行了对比分析。结果表明：上煤层工作面开采结束后，覆岩破坏程度整体较低，应力峰值主要存在工作面超前影响区域，存在块体铰接等现象；下层煤开采后裂隙带与上层煤采空区沟通，导致复合煤层采空区的断裂带远大于上煤采后的断裂带，应力相比上煤层整体较大，且顶板下沉量显著增大，覆岩历经离层、离层增大，最终闭合3个阶段。通过观测点数据测量确定了42106工作面“三带”高度，并在现场进行钻孔监测，验证了相似物理模拟结果的合理性。