基于非均布载荷下梁结构破断理论的地表破坏规律

为研究晋南典型山区厚黄土层薄基岩地质条件下煤矿开采对地表的破坏规律,本研究以山西省河寨煤矿为例,在实地调查的基础上,采用UDEC软件进行数值模拟,得出岩层断裂及地表移动的关系。模拟得到上覆岩层断裂的位置,地表破坏最严重。根据模拟结果,建立了基于非均布载荷的梁结构覆岩破断模型,推导出覆岩初次断裂和周期断裂的步距公式。将计算结果与实测地表裂缝位置进行对比,取得较好的一致性。研究表明：在山区厚黄土层薄基岩地质条件下进行煤矿开采时,采用非均布载荷梁结构断裂模型预测地表裂缝间距是可行的。     

基于相似模拟的浅埋深煤层覆岩采动裂隙分析

根据相似模型试验,探讨了运用视电阻率法的物探技术来反演浅埋深覆岩采动裂隙发育演化规律的可行性,分析了采动过程中浅埋深煤层覆岩变形破坏前后电性参数的变化及其与覆岩裂隙发育范围、程度之间的关系。研究发现:视电阻率法可以探测浅埋深煤层覆岩采动裂隙的演化过程,电阻率变化率的等值线图可以体现裂隙发育形态,提出以电阻率变化率作为划分覆岩破坏"三带"的标准。在浅埋深煤层的采动过程中,上覆岩层导水裂缝带的范围持续向上方、前方扩展,但裂隙在水平与垂直方向的发育具有不平衡性,薄基岩层明显阻碍了裂隙向上的发育,水平方向的裂隙发育范围明显大于垂直方向。而一旦裂隙发育突破了基岩层,就会瞬间贯通该基岩层上方的附着岩层或地表。     

沟壑地貌下综放开采覆岩破断特征研究

针对沟壑地貌下综放开采工作面矿压显现强烈、来压规律异常的现象,论文以某矿12309工作面经过沟壑地貌下的推进过程为工程背景,综合采用数值模拟和相似模拟的研究方法,分析了工作面推进过程中的覆岩运移和破断特征以及塑性区演化规律,揭示了沟壑地貌对综放开采矿压显现的影响机理。研究结果表明：主关键层的破断将引起基岩和黄土层之间的离层,使得裂隙贯通至地表形成裂缝,此时沟壑地貌的地表不均布载荷易于和采动应力相互影响,造成工作面覆岩和黄土层上坡段区域出现向采空区回转的趋势,导致综放工作面矿压显现异常剧烈;同时相似模拟结果量化了12309工作面基本顶初次破断步距为35 m,周期来压步距介于23~34 m。数值模拟分析了工作面覆岩塑性区演化规律,与相似模拟结果相互吻合。该研究结论可为相似条件下的工作面推进规划提供借鉴。     

厚黄土覆盖层下覆岩采动裂缝闭合特征及应用研究

为科学评价老采空区作为新村址的地基稳定性,采用钻孔冲洗液漏失量观测、彩色钻孔电视观测、理论计算方法对厚黄土覆盖层条件下煤层开采16a后覆岩采动裂缝闭合特征进行研究。结果表明:经过多年移动变形,采空区上覆岩层中未发现离层、空洞,采动裂缝已基本闭合,工作面煤柱上方未发现明显裂缝,隔离煤柱有效控制了覆岩裂缝发育。采动裂缝宽度与采空区距离呈现远小近大的特征,距离采空区较近的覆岩裂缝宽度相对较大,距离采空区较远的覆岩裂缝已基本完全闭合,导水裂缝带高度最大减少了21%。分析认为,建筑物附加载荷对老采空区的扰动、残留空隙二次压缩和地表残余变形对新村址影响较小,地基具有较好的稳定性。     

厚煤层开采地表裂缝形成机理与危害性分析

结合8104工作面上方观测线的实测资料及其地质采矿条件,揭示了其地表裂缝发育过程,指出8104工作面下平巷上方地表没有产生明显裂缝的原因是8104和8103工作面间的护巷煤柱被压垮;走向方向地表裂缝发育周期规律与直接顶的周期破断规律基本一致;上平巷上方倾向观测线附近地表裂缝在压缩变形区发育比较明显;8104工作面覆岩显著特点为厚基岩薄松散层,厚硬基岩对采动引起的应力应变传递有较强的消弱作用,能够有效的减缓应力应变的释放,进而减缓地表裂缝与台阶下沉的剧烈发生.根据该矿区的地质采矿条件,针对矿区人们的生产和生活方面,研究分析了地表裂缝带来的主要危害,即容易衍生地质灾害、给矿井的安全生产造成威胁以及危害矿区生态环境.     

新疆伊犁矿区采动覆岩活动规律氡气探测三维物理模拟试验研究

以新疆伊犁四矿21103综放工作面采矿地质条件为工程背景,针对伊犁矿区弱胶结地层条件开展了采动覆岩活动规律氡气探测三维物理模拟试验。结果表明:伊犁矿区弱胶结地层中覆岩无明显的关键层结构,覆岩采动裂隙随工作面推进同步向上发育;21103综放工作面初次来压步距约40 m,周期来压步距约20 m;采动覆岩垮落带高度为31.7 m,裂隙带高度为29.8 m,弯曲下沉带高度为53.5 m。试验过程中氡气浓度最大值约5 300 Bq/m3,表明弱胶结地层内部原生裂隙较为发育,可以给氡气运移提供较好的优势通道,采动覆岩"裂隙发育-基本顶破断-裂隙闭合"过程与氡气浓度"增大-峰值-减少"过程二者之间具有明显的对应关系。     

松散层拱结构模型及其对覆岩运动的影响

针对传统上采动覆岩承载结构研究时主要集中于基岩而将上覆松散层简化为均布载荷作用于基岩顶界面而忽略了松散层中承载结构的问题,结合我国华东和华北矿区广泛分布的厚松散层地质条件,建立了松散层拱承载结构力学模型,揭示了松散层拱的形态方程、矢跨比方程和厚度方程,得到了能形成松散层拱的临界松散层厚度的理论表达式,进一步分析了松散层拱形态特征随侧压系数、松散层内摩擦角和内聚力等参数的变化特征。通过相似物理模拟实验揭示了松散层拱对采动覆岩运动的影响规律。研究结果得到了鲍店煤矿1312工作面厚松散层条件下开采时地表沉陷实测数据的验证。     

深埋薄基岩采场覆岩冒落拱与拱脚高耸岩梁复合承载结构形成机理与应用

焦作煤田赋存深埋厚冲积层薄基岩煤层，覆岩构成的特殊性导致顶板活动剧烈、地表下沉系数大，采场面临强矿压、突水溃沙威胁，沉陷区出现裂缝和积水，破坏房屋和农田。为提高深埋薄基岩采场围岩控制效果，以赵固二矿14030工作面为工程背景，采用室内试验、理论分析和现场实测等手段研究覆岩采动裂隙发育特征、顶板结构形态与承载机理，探究支架选型与灾害防控方法。结果表明：覆岩变形存在初始静止、慢速增长、快速增长和突变增长4个阶段，前2个阶段覆岩稳定，第3阶段因变形局部集中进入非稳定状态，第4阶段因非连续变形进入裂隙发育进程；采动裂隙萌生于高位厚冲积层，下行扩展导致基岩全厚断裂，形成覆岩冒落拱与拱脚高耸岩梁复合结构；覆岩连续变形受关键层控制，非连续变形由冲积层冒落裂隙主导；基于关键层沉降特征解释了采动裂隙萌生于高位厚冲积层的原因，揭示了裂隙下行扩展并贯穿岩层交界面的能量原理，采用断裂力学理论推导了基岩发生全厚剪切破断的力学条件；构建了冲积层冒落拱与拱脚高耸岩梁复合结构力学模型，提出了冒落拱极限承载能力与实际边界载荷计算方法，得到了冒落拱发生结构失稳的力学判据，采动应力旋转促进冲积层载荷向拱脚两侧传递，增强了冒...     

浅埋高强度开采地表及覆岩破坏特征--以神东矿区为例

采用现场实测与理论分析的方法对神东矿区地表非连续变形及地表移动持续时间进行了研究。阐释了高强度开采的内涵,并提出以地表最大下沉速度、采动损害程度及工作面来压强度作为判断指标。总结了神东矿区基岩全厚切落式和基岩部分破坏式2种岩层移动类型。分析总结了神东矿区地表移动以伴随非连续变形为主要特征的高强度开采规律:地表最大下沉速度达700mm/d,非连续变形以裂缝与台阶为主;采动裂缝以裂缝带形式发育,主裂缝间距与工作面周期来压步距基本一致,最前裂缝带内主裂缝滞后角约79.8°,地表最宽裂缝滞后角58.2°;裂缝发育条数及宽度与表土性质密切相关,风积沙区裂缝宽度一般小于30mm,黏性表土区一般大于50mm,裂缝宽深近似线性相关。本文可为类似开采条件下采动损害控制、地表环境治理、开采设计提供参考。     

浅埋高强度开采地表破坏特征:以神东矿区为例

采用现场实测与理论分析的方法对神东矿区地表非连续变形及地表移动持续时间进行了研究。阐释了高强度开采的内涵,并提出以地表最大下沉速度、采动损害程度及工作面来压强度作为判断指标。总结了神东矿区基岩全厚切落式和基岩部分破坏式2种岩层移动类型。分析总结了神东矿区地表移动以伴随非连续变形为主要特征的高强度开采规律:地表最大下沉速度达700mm/d,非连续变形以裂缝与台阶为主;采动裂缝以裂缝带形式发育,主裂缝间距与工作面周期来压步距基本一致,最前裂缝带内主裂缝滞后角约79.8°,地表最宽裂缝滞后角58.2°;裂缝发育条数及宽度与表土性质密切相关,风积沙区裂缝宽度一般小于30mm,黏性表土区一般大于50mm,裂缝宽深近似线性相关。本文可为类似开采条件下采动损害控制、地表环境治理、开采设计提供参考。     

露天边帮煤井工长壁综放开采工作面顶板压力计算

受露天矿剥离和内排回填的影响,采用井工长壁采煤法回采露天矿边帮煤的采煤工作面的顶板结构、覆岩活动规律、矿山压力显现规律与常规井工矿井地层条件下的工作面相比存在显著差别,因此,顶板压力计算方法也需要根据露天矿边帮煤特殊的顶板覆岩结构特点和应力场环境进行理论和实验研究。以黑岱沟露天矿一采区西帮和南帮煤为研究对象,分析其边帮煤层顶板覆岩结构特点。对于经过内排回填,且剥离较多的低台阶处煤层仅保留较薄且强度较低的基岩顶板,其上覆盖厚层的松散排土。这种软弱薄基岩厚松散覆盖层的顶板本质上不存在关键层,露天矿台阶下保留的软弱薄基岩仅仅作为井工长壁工作面的直接顶提供有限的保护作用。由于厚层的松散排土载荷作用,软弱薄基岩的破碎也较为严重。按照传统的矿山压力理论,这种不存在关键层的软弱薄基岩厚覆盖层的顶板压力应当按照支架上方全部岩层重量进行计算。然而,根据相似材料实验结果显示,支架实际受压比其上方岩层重量小得多。实验证明在没有关键层的顶板岩层中仍然存在某种保护结构。根据实验观察和矿山压力理论分析,结合放矿理论,提出了软弱薄基岩厚覆盖层的椭球拱结构和直接顶自承能力相结合混合力学模型。在露天矿边帮下煤层还存在另一种未进行内排回填的薄基岩无覆盖层的顶板覆岩类型。对于这种顶板覆岩类型,提出了薄基岩无覆盖层的台阶式悬臂梁结构和直接顶自承能力的混合力学模型。本文总结了露天矿边帮煤层3种顶板覆岩类型,推导建立了露天边帮煤井工长壁开采工作面3种顶板结构条件下的顶板压力计算解析公式。按照软弱薄基岩厚覆盖层的椭球拱结构和直接顶自承能力相结合混合力学模型计算的顶板压力与相似材料实验结果相吻合。考虑了直接顶自承能力计算的顶板压力比传统不考虑直接顶自承能力的顶板压力小约14%。采用实验和理论分析方法,对露天边帮煤井工长壁工作面开采过程顶板垮落、覆岩活动,顶板压力计算等矿山压力问题进行了系统研究。     

基载比对薄基岩厚表土煤层工作面矿压的影响

为研究薄基岩厚表土煤层工作面矿压显现规律,以李家豪煤矿为背景,对工作面基本顶结构进行了稳定性分析,并运用数值模拟软件UDEC对工作面在不同基载比条件下的矿压显现规律进行分析,结合工作面现场实测数据,分别提出依据岩块块度i和基载比判断工作面基本顶结构的稳定性。分析认为,基本顶初次破断后岩块的三铰拱结构及触矸后的单斜结构在煤壁处发生滑落失稳区域的块度范围为0.40≤i≤1.57;基载比小于0.9时,覆岩在初次来压与周期来压时易发生滑落失稳现象;薄基岩厚表土煤层关键层出现滑动失稳破坏,工作面来压时对于煤壁前方的应力影响区域不大;薄基岩厚表土煤层工作面来压时主要特征为顶板沿煤壁切落,形成台阶下沉,工作面支架动载明显。     

曹家滩煤矿顶板富水性分析及防治措施研究

为了避免西部高强度开采矿区发生工作面顶板溃水溃沙灾害，以地表生态脆弱的榆神矿区曹家滩矿井的首采工作面为研究背景，分析了首采工作面煤层的地质概况，确定了影响工作面发生水害事故的充水因素，将物理探测和“三图”法相结合对首采工作面煤层顶板富水性特征及分区进行了综合论证分析。结果表明：大气降水和地表水是矿井的间接充水水源，煤层顶板导水裂隙带波及范围内的延安组、直罗组和基岩风化带含水层的水为直接充水水源|导水裂缝带是矿井发生水害事故的主要充水通道|矿井风化基岩含水层富水性较强，延安组为弱含水层。通过FLAC 3D研究了覆岩裂隙运动破坏规律，工作面推进至180m后，导水裂隙带发育速度增加，推进至240m后达到最大值约159m，覆岩的裂采比为26.5。结合上述分析，提出了以完善矿井水害监测系统和建设防排水系统、合理确定回采参数和培训防治水专业人员相结合的防治水技术改进措施。     

松散表土薄基岩浅埋煤层矿压显现规律数值分析

为了分析松散表土薄基岩浅埋煤层首采工作面上覆岩层的运动规律,尤其是顶板初次来压和周期来压步距,运用UDEC软件对神木汇森凉水井煤矿首采面上覆岩层矿压显现规律进行了数值模拟,在此基础上进行了现场实测。结果表明,首采面初次来压步距的计算值为40.0 m,实测值32.8 m;周期来压步距的计算值为20 m,实测周期来压步距为16.5～22.0 m,平均为19.5 m;强制放顶距为20 m时能减小初次来压强度;强制放顶能有效地削弱和减小顶板初次来压的强度和规模,保证强制放顶效果的关键是提高强制放顶爆破作业的质量。     

隔水层采动破坏裂隙的闭合机理研究及工程应用

煤层顶底板的采动裂隙是煤矿一系列灾害事故发生的根源,对其发育及演化规律的研究对各类灾害事故的防治具有重要意义。论文借助现场超声波成像技术、室内岩石矿物成分分析以及岩石膨胀性实验等手段,分析了影响煤层顶板采动裂隙闭合的相关因素,揭示了顶板隔水层采动裂隙的闭合规律。结果表明:顶板隔水层中的蒙脱石(包括伊/蒙混层)含量越高,其膨胀程度越大;隔水层距煤层顶板的距离越大,膨胀程度亦越大;在不发生顶板结构严重破坏的情况下,当隔水层的体积膨胀率大于采动裂隙的发育率,采动裂隙将实现有效闭合。最后,通过在新安煤田水体下采煤岩体渗透性评价以及神东矿区水资源保护性开采中的工程应用,对顶板采动裂隙的闭合机理进行了验证,并取得了良好的应用效果。     

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。     

薄基岩综放采场直接顶结构力学模型分析

为深入研究薄基岩综放采场矿压显现规律,以山西潞安矿业集团司马煤矿薄基岩区厚煤层开采为研究背景,采用数值模拟、理论分析、现场实测等方法对薄基岩综放采场直接顶结构特征进行了研究,建立了薄基岩综放采场直接顶结构力学模型,分析了直接顶“半拱”式平衡结构的形成机理和破断规律。结果表明：根据司马矿薄基岩区直接顶厚度和岩层性质不同,将直接顶划分为Ⅰ型和Ⅱ型两种类型;采高6.5 m,直接顶厚度大于15 m时,容易形成“半拱”式平衡结构,采场矿压呈现出来压步距短、静压大、动压小、动载系数小等特征,“半拱”结构有规律的破断失稳是薄基岩综放工作面矿压显现的根源,该结论解释了司马煤矿薄基岩综放采场的矿压显现规律。     

薄基岩大采高工作面覆岩移动规律相似模拟研究

针对赵固二矿11050工作面采高达6 m、基岩薄,并且在工作面回采过程中,煤壁片帮、冒顶等矿压显现明显的具体情况,采用相似模拟试验的方法,研究了薄基岩大采高工作面的覆岩移动规律。结果表明覆岩破坏高度与工作面推进长度呈线性关系,整体呈现阶梯状分布。     

厚松散层薄基岩坚硬顶板工作面覆岩破坏电法监测

掌握导水裂缝带发育高度对于厚松散层薄基岩煤矿工作面安全开采具有重要的意义。在煤层采动影响前,在工作面巷道向煤层工作面顶板施工1个仰孔,布置孔中电极电缆,形成钻孔电法监测系统。在巷道中连接并行电法仪器和钻孔电缆,数据采集方式称为AM法。随采煤工作面位置逐渐接近并进入钻孔控制范围,监测电极电流值和视电阻率值发生变化。结果表明:对潘北煤矿厚松散层薄基岩坚硬顶板工作面电法监测显示,弯曲下沉带电极电流值和视电阻率值较为稳定,受采动影响程度较小;导水裂缝带内,电极电流值明显下降,视电阻率值明显升高;顶板高度0~40 m采动超前影响范围可达410 m左右;工作面坚硬顶板砂岩地层为控制覆岩破坏的关键层,采空区上方坚硬顶板岩层垮落滞后工作面9~16 m;工作面导水裂缝带高度为37 m,导水裂缝带未发育到基岩面,风化砂质泥岩裂隙在采动应力作用下存在闭合现象。     

采动影响下逆冲断层“活化”特征试验研究

以义马矿区的F16大型逆冲断层为背景,结合断层影响下5个矿井的地质钻探和井下揭露情况搭建相似模型,在考虑断层面的分形特征和断层面两侧覆岩赋存特征的基础上,综合运用声发射监测、采场覆岩位移和采场应力监测系统,研究采动影响下断层"活化"前后的覆岩运动特征、矿压显现规律和动力响应特征。研究表明:受逆冲断层南北两侧地层覆岩结构复杂和构造运动影响,断层"活化"前后工作面覆岩运动特征、矿压显现规律和动力响应明显不同。断层"活化"前,工作面覆岩"三带"特征明显,底板应力基本不受采动应力影响,声发射信号较弱。进入断层影响区后,顶板离层量呈跳跃式增长,采动应力诱发断层"活化",底板应力达到最大值,声发射的总事件数和能率发生突变增加。当推过断层一段距离后,随着上盘关键岩层悬臂岩梁长度增加,工作面煤壁发生屈曲破坏,底板应力增加,待岩梁垮断挤压应力释放后,底板应力随之下降,伴随着工作面上方"短砌体梁"结构发生切落且沿断层面滑动,产生大量声发射信号。