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。     

厚松散层薄基岩开采覆岩离层裂隙演变与下沉分形特征研究

为研究厚松散层薄基岩开采下覆岩离层裂隙的演变和下沉规律,结合山东郭屯煤矿1302首采工作面地质条件,采用相似材料模拟试验和分形相结合的方法,对开采过程中覆岩裂隙网络和下沉的分形特征进行研究。研究结果表明:覆岩裂隙的演变特征具有较好的自相似性和分形特征;随着工作面的推进,覆岩裂隙网络的分形维数呈开采前期和中期跳跃式剧增,后期缓慢平稳增加的走势;开采全过程出现四处离层,其出现位置和大小均呈现出一定的规律性;在厚松散层荷载作用下,薄基岩层仍能形成稳定的强承载结构;采空区覆岩的沉降量与裂隙网络的分形维数呈现出近似双折线的非线性关系。     

浅埋煤层覆岩裂隙分形特征实验研究

为了得到浅埋煤层覆岩裂隙发育的分形特征，以神东天隆集团霍络湾煤矿为工程背景，利用相似理论进行相似模拟实验，通过相似模拟实验研究了浅埋煤层覆岩裂隙发育规律并基于分形几何理论研究了分形维数随开采推进度的演化特征，得出浅埋煤层的才采动裂隙网络的演化规律。结果表明：工作面周期来压步距为9-15m，其采动裂隙网络具有良好的自相似性（R＞0.98），裂隙网络的分形维数随开采推进度的增加具有明显的变化规律，其变化趋势分为三个阶段：升维阶段，降维阶段及稳定变维阶段。     

采动裂隙动态演化定量分析及其应用研究

合理定量分析覆岩裂隙动态演化特征对于采动损伤评价尤为关键。以任家庄煤矿110903工作面为工程背景，运用相似材料模拟试验，计算不同开采进尺下的裂隙分形维数，分析覆岩裂隙数量、倾角、长度、宽度等参量，定量研究了覆岩裂隙发育扩展情况，并通过同等试验条件对比分析了冒落区充填前后裂隙发育特征。研究结果表明：随着2层关键层的破断，覆岩裂隙分形维数呈现上升—稳定—上升趋势，分形维数变化与压力峰值变化一致，可反映出覆岩运移及压力显现变化规律；依据裂隙演化情况可将采场覆岩裂隙划分为离层区裂隙，压实区裂隙，垮落带裂隙，左、右侧竖向破断裂隙，离层Ⅱ区裂隙等，其中，竖向破断区裂隙倾角分布为0°～90°;垮落带裂隙复杂，裂隙倾角分布为0°～360°,裂隙贯通性好；离层区裂隙倾角近水平，裂隙贯通性较差；通过对比试验展现未充填和充填裂隙扩展规律，表明开采过程中及时在垮落带充填能有效控制覆岩裂隙发育。     

下保护层工作面过断层区覆岩裂隙-应力演化规律研究

为深入研究下保护层开采过断层区上覆岩层裂隙发育与应力演化特征,运用相似模拟研究方法,分析下保护层开采过断层过程中裂隙场演化、顶板断层应力变化趋势、上覆岩层运移特征。结果表明:下保护层采动容易引起顶板断层附近煤岩体破碎,形成断层带;覆岩裂隙在顶板断层带内显著增加,其密度曲线呈现"W"形分布;顶板断层底端与顶端随采动工作面接近与远离应力峰值表现出不同变化;覆岩运移具有时空效应,同一层位覆岩随工作面推进位移下沉,呈现"瀑布"状分布。     

基于分形理论的采动覆岩裂隙渗透规律研究

为了掌握采动影响区覆岩裂隙演化与渗透规律,进行了采动条件下裂隙场演化与渗透特性变化规律实验室相似模拟,采用数理统计方法对裂隙场分布进行了定性分析,在利用分形理论定量裂隙演化规律的基础上建立渗透率和裂隙变化量化参数之间关系。研究结果表明:采动影响覆岩裂隙场划分为4个区域,即离层低角度裂隙区、采空区中部冒落及裂隙带中角度区、裂隙扩展高角度区、中高角度过渡区;引入分形理论,建立裂隙演化定量表征的面积维值和条数维值与表征渗透特性的渗透率之间的关系符合非线性双变量傅里叶函数关系,为采动覆岩渗透特性表征与裂隙定量描述提供一定的理论与实践基础。     

基于分形理论的上覆煤岩裂隙发育规律研究

为研究近距离保护层开采上覆煤岩裂隙发育规律，以熊家湾煤矿C8和C9煤层为工程研究背景，基于分形理论和数值模拟技术分析近距离保护层开采上覆煤岩时裂隙发育和应力变化等特征。研究表明：C9保护层开采后，裂隙网络分形维数整体呈下降—上升—稳定趋势，表征上覆煤岩裂隙发育分为新生裂隙发育到顶板垮落压实、顶板垮落压实到压实裂隙发育和压实裂隙发育到整体稳定3个阶段；随着工作面推进，上覆煤岩的应力与裂隙网络分形维数变化整体相似，可用裂隙网络分形维数表征应力变化趋势；结合“三带”经验计算公式和数值模拟结果，得出裂隙发育高度为20 m左右，高于煤层间距，C8煤层裂隙发育。相关研究结果可为黔西地区相似地质条件上覆煤岩裂隙发育规律研究提供参考。     

浅埋深薄基岩煤层组开采采动裂隙演化及台阶式切落形成机制

探索浅埋深薄基岩煤层组开采采动裂隙演化对认识溃水溃砂通道形成机制具有指导意义。基于大柳塔矿地质条件,设计相似模拟试验,首采1-2上煤层,充分开采后再采1-2煤层。由此,揭示采动裂隙演化规律,指出上煤层采动碎胀作用明显,下煤层采动地表下沉线性增长明显。利用分形与逾渗理论定量评价了采动裂隙的演化特征。上煤层开采,根据周期来压特征,分维变化划分2个线性阶段。下煤层开采,非线性受控于上覆煤层引起的分维变化,分形维数将趋于一个稳定值。进一步揭示了采动裂隙逾渗概率随推进度的线性关系的,得到整个煤层组开采覆岩裂隙非线性演化的2个临界状态。研究了切落式破坏形成机制,提出了岩层板簧效应并分析了崩塌式切落特征,指出拉破坏是典型切落式台阶形成的主要原因。     

近距离煤层重复采动覆岩裂隙时空演化特征研究

采用相似材料模型试验,在上行和下行开采方式下,对近距离煤层重复采动覆岩裂隙的时空演化特征进行了研究.采用数字图像处理技术对覆岩裂隙进行了量化分析,并基于分形理论与信息熵,提出了采用裂隙分形维数、裂隙熵和裂隙率3个特征参数来反映裂隙状态.研究结果表明:随着煤层开采的不断推进,上行开采重复采动覆岩裂隙的裂隙熵和裂隙率具有相...     

低瓦斯煤层高强开采覆岩卸压瓦斯抽采合理布置研究

针对低瓦斯厚煤层高强综放开采卸压瓦斯治理问题,采用物理模拟、数值分析和现场监测方法,研究工作面开采初期和稳定时期覆岩结构演化及裂隙场分布特征,揭示了考虑采动裂隙场的卸压瓦斯场分布特征;依据研究获得采动瓦斯聚集区分布,提出采用高位定向长钻孔治理采空区卸压瓦斯,并进行了效果检验。结果表明:工作面推进至135 m后,覆岩结构和裂隙演化基本稳定,垮落带发育高度为25～27 m,裂隙带发育高度为75～95 m,弯曲下沉带发育高度达到110 m左右;采动裂隙带瓦斯聚集区位于距回风巷25～55 m、高度距煤层顶板25～50 m范围内;高位定向长钻孔瓦斯抽采技术实施后,抽采平均浓度为5.8%,平均流量为0.71m~3/min,工作面上隅角和回风流瓦斯浓度均小于0.8%,瓦斯治理取得较好效果,为类似条件下的卸压瓦斯治理提供参考。