承压水体上开采底板岩层破断及渗流特征

以山西某煤矿承压水体上下组煤开采为工程背景,通过对煤层底板岩石进行全应力-应变渗透性试验及单裂隙渗透性试验,揭示了岩石应力-渗流耦合机理,获得了断裂面渗透系数的定量关系式;采用离散元流固耦合模拟方法,对承压水体上煤层开采底板岩层的应力状态及渗流特征进行模拟分析.结果表明:底板岩层"四带"中的渗透性均与水平应力密切相关,其中:直接底板受工作面矿压影响严重,岩层中的水平应力杂乱无章,破坏带厚度约13m;奥灰含水层顶部岩层为低围压区,容易形成奥灰水楔劈裂导升机理,导升带厚度为17m左右;底板中部层位受采动矿压及底板承压水直接影响相对较小,此带中水平应力自上而下呈递增状态,有效隔水层带厚度38m,是底板的关键阻水层.     

急倾斜煤层工作面区段煤柱失稳机理及合理尺寸

根据急倾斜煤层工作面区段煤柱赋存特点,运用理论分析、数值模拟、现场实测等研究方法,分析了不同倾角、不同尺寸区段煤柱条件下的煤柱变形破坏特征、煤柱周围应力分布规律和影响煤柱稳定的主要因素,以及采空区的冒落、充填特征,得出区段煤柱主要受到沿倾向的剪切破坏作用出现"台阶"型破坏,急倾斜工作面区段煤柱失稳的必要条件α≥arctan(f1+f2),失稳方式为向采空区的滑落失稳,煤柱下端的底板处和上端的顶板处为主要破坏区域.结合龙煤七台河分公司新铁矿急倾斜煤层开采实际,分析得出了保证区段煤柱和采空区顶板稳定的区段煤柱合理尺寸,提出了加大区段煤柱尺寸或采空区后方煤柱上方注浆充填加固技术方案,保证了急倾斜煤层综采工作面的安全生产.     

采场岩层的力学分析

建立了煤矿底板渗流过程的力学模型,利用RFPA计算了当工作面推进到50m和100m时的渗透特性及渗流稳定性指数．研究表明：底板变形一渗流的耦合作用造成煤层底板边界随时间变化,边界变化到一定程度时形成导水通道;随着底板边界的变化,导水通道与各岩层之间的交集的渗透特性也发生变化;当任一导水通道经过的岩层渗透特性满足一定关系时,发生突水．当煤矿回采工作面推进到50m时,FWI为0．834,底板中水渗流是稳定的,不会发生突水;当工作面推进到100m时,FWI为0．928,接近1,这意味着底板可能产生渗流失稳现象．     

薄煤层开采对上覆构筑物基础变形影响的数值模拟研究

煤层开采过程中,在煤层顶、底板岩层一定的条件下,煤层的倾角和埋深对地表变形有很大的影响。通过三维有限元数值模拟,研究平缓或缓倾斜煤层、倾斜煤层、急倾斜煤层开采对上覆构筑物基础变形的影响,依据特定构筑物对倾斜变形、水平变形和基础沉降最大值的容许要求,提出安全煤柱（移动角γ、β）的保护范围,为构筑物安全运行和煤矿合理开采提供依据。     

不等长工作面覆岩破坏规律的数值模拟分析

针对不等长工作面煤层开采日渐增多的现状,采用数值模拟与理论分析相结合的方法,对采场覆岩的破坏特征及支承压力的分布状态进行系统研究,并相应模拟出工作面前方应力场与位移场的演化规律。结果表明：工作面自开切眼开始向前推移,推进到工作面“见方”期或斜长的整数倍位置时,顶板活动剧烈,覆岩空间结构发生新旧更替,形成了“0”型破断区;不等长工作面推进过程中岩层运移极不规则,推进距离在衔接面前后20～30m的范围内,应力波动较大,数值变化明显;回采期间支承压力对覆岩活动产生了重要影响,其大小约为水平应力的1．5～2倍;就采动过程中竖向位移的变化而言,巷帮移近量远大于顶底板变形量,故工程实践中应特别注意对巷帮及顶板的加固和维护。     

大倾角采场矸石充填量化特征及覆岩运动机制

为了揭示大倾角煤层开采矸石非均匀充填对采场围岩控制的作用,基于大量的工程实践和实验研究,分析了大倾角采场矸石分区充填量化特征及其作用下顶板破坏内在机制,得出了各充填区域长度和充填作用下基本顶垮落长度的量化公式,并以枣泉煤矿120210工作面为工程实例,通过相似模拟实验和矿压监测验证了其合理性.结果表明:大倾角煤层长壁开采工作面垮落矸石沿倾斜滑移充填呈现下部充填压实、中部完全充填、上部部分充填的分区特征,形成对覆岩变形、破坏和运移的非对称约束效应,导致围岩破断运移具有明显的时序性和不均衡性,顶板垮落形态向上部区域偏移.     

大倾角煤层长壁开采顶板受载与变形破坏倾角效应

大倾角煤层长壁工作面安全高效开采的关键是对围岩的有效控制,以新疆2130煤矿25221大倾角长壁综采工作面为研究背景,采用"现场监测+数值计算+模拟实验+理论分析"相结合的研究方法,在对顶板的破坏-运移-充填特征综合厘定与分析的基础上,构建顶板力学模型,系统研究了充填矸石非均衡约束条件下顶板的非对称变形破坏特征及其倾角效应.结果表明:在大倾角煤层开采中,煤层倾角的变化不仅会改变顶板的受载特征,亦会改变其对应的边界条件,且较前者而言,后者对顶板非对称变形破坏特征的影响更为显著.随着煤层倾角的增大,顶板所受法向载荷逐渐减小,充填矸石对顶板的非均衡约束效应逐渐增强,顶板的挠度和弯矩明显减小,挠度和弯矩沿工作面倾向的演化规律明显改变,顶板的最大变形位置由倾向中部区域向倾向上部区域迁移,顶板的最大弯矩位置由倾向下侧区段煤柱→倾向上侧区段煤柱→倾向中上部区域迁移.工作面倾向下部区域顶板受充填矸石支撑载荷作用后稳定性增强,顶板破坏运动的活动范围上移,工作面倾向中上部区域顶板岩层运动的幅度和剧烈程度加大,该区域煤壁、"支架-围岩"系统等在工作面推进过程中易出现动态失稳而引发围岩灾变.     

远距离下部煤层回采对上部采场巷道影响分析

为了研究远距离多煤层开采时下部煤层回采对上部采场巷道破坏的原因和影响范围,结合云煤一矿和正德矿业的井下采掘关系,通过覆岩破坏高度经验公式和UDEC数值模拟,得到远距离多煤层开采覆岩破坏的特点以及部分巷道受损的原因。利用概率积分和FLAC3 D数值模拟揭示了正德矿业倾斜岩面移动变形特征以及巷道破坏的主要原因;采用岩层移动角计算云煤一矿开采对正德矿业的影响范围,确定了巷道受损数目。研究结果表明:受损巷道少部分是由下部工作面回采引起的覆岩破坏和岩层移动变形共同造成的,而大部分受损巷道则仅由岩层移动变形造成;在采场倾斜岩面上,由于自重力和平行于岩面原岩应力分力的影响,下部工作面回采对其上山影响范围大于下山;采用优化的岩层移动角计算云煤一矿对正德矿业的采动影响范围,确定了巷道受损数量和位置,基本与现场实际情况吻合,可以为相似案例提供参考。     

长壁工作面顶底板稳定性数值模拟

通过对淮南潘三井田１２２１工作面１３－１煤层顶底板沉积岩体结构的综合分析,同时考虑了沉积岩体在垂向和侧向上不连续的地质特征,概化为３种地质力学模型,应用弹塑性力学有限元方法进行了工作面周围应力分布计算．结果表明：在采动影响下,煤层顶底板岩体中明显地存在着一种对称的双应力拱,由于介质的不连续性导致采动应力场的挠动,局部产生附加应力,在回采过程中将对煤层顶底板的稳定性产生不利的影响．     

直接顶厚度对回采巷道稳定性影响的数值模拟研究

当回采巷道沿煤层顶板或底板布置时,由于煤层一般较顶底板软弱,因此,巷道围岩的矿压显现特征主要表现为两帮煤体的变形、破坏等现象,巷道易发生两帮煤体沿层理向巷道空间挤出的现象,并进而产生破碎、松动等现象.这与巷道上覆岩层的应力有着密切的关系.本文运用RFPA软件,分析了回采巷道上覆软弱直接顶厚度对巷道稳定性、巷道围岩应力分布与破坏情况、巷道围岩破裂部位与破裂范围的影响.通过对不同直接顶厚度影响下的巷道围岩稳定性分析,得出直接顶厚度与巷道围岩稳定性之间的数值关系,并分析了直接顶厚度对回采巷道稳定性的影响因素,这为煤矿回采巷道的开挖与支护提供一定的理论基础.     

直接顶厚度对回采巷道稳定性影响的数值模拟研究

当回采巷道沿煤层顶板或底板布置时,由于煤层一般较顶底板软弱,因此,巷道围岩的矿压显现特征主要表现为两帮煤体的变形、破坏等现象,巷道易发生两帮煤体沿层理向巷道空间挤出的现象,并进而产生破碎、松动等现象.这与巷道上覆岩层的应力有着密切的关系.本文运用RFPA软件,分析了回采巷道上覆软弱直接顶厚度对巷道稳定性、巷道围岩应力分布与破坏情况、巷道围岩破裂部位与破裂范围的影响.通过对不同直接顶厚度影响下的巷道围岩稳定性分析,得出直接顶厚度与巷道围岩稳定性之间的数值关系,并分析了直接顶厚度对回采巷道稳定性的影响因素,这为煤矿回采巷道的开挖与支护提供一定的理论基础.     

高瓦斯煤层群保护层工作面留设煤柱合理宽度

以神东矿区保德煤矿高瓦斯煤层群为工程背景,对保护层8~#煤层留设煤柱的自身稳定性及其对被保护层的卸压效果进行研究.结果表明:煤柱宽度越大,则煤柱内部塑性区占比、垂向应力、水平变形均越小,煤柱稳定性越高;煤柱下方卸压盲区中不同底板深度处的垂向应力与煤柱宽度呈不规则关系,据此将煤柱底板不同深度区域划分为垂向应力-底板埋深负相关区(底板埋深0～15 m)、垂向应力-底板埋深过渡区(底板埋深15～30 m)、垂向应力-底板埋深正相关区(底板埋深大于30 m)3个区域;煤柱宽度对完全卸压区域的范围及卸压程度几乎无影响,11~#煤层完全卸压后膨胀变形量达0.7%,最小垂向应力仅为0.57 MPa;11~#煤层卸压盲区宽度为57 m,现场实测结果与数值模拟结果基本吻合.综合考虑煤柱稳定性、被保护层卸压效果、资源回收率方面因素,建议将保护层8~#煤层中留设煤柱宽度优化为25～30 m.     

三软煤层切顶成巷二次复用围岩应力及变形演化规律

为研究"三软"煤层条件下切顶卸压自成巷道二次复用期间围岩稳定性,以中兴煤矿1200试验工作面为工程背景,对自成巷道在"采—留—用"期间的扰动因素进行分析,通过数值模拟和现场实测,对自成巷道在二次复用期间的围岩应力演化规律和变形特征进行研究.结果表明:"三软"煤层条件下自成巷道在二次回采期间的超前支承应力影响范围约为40 m,应力峰值距工作面约10 m;巷道顶底板均处于较低的应力水平,采场侧向应力最大值远离实体煤帮,而矸石帮侧采空区始终处于较低的应力水平,该技术有效地切断了顶板的部分应力传递路径,提高了自成巷道在二次复用期间的稳定性;围岩变形随着工作面走向可大致分为缓慢变形区,加速变形区和剧烈变形区.     

非充分采动导水裂缝带高度影响因素敏感性分析

为确定非充分采动导水裂缝带高度影响因素的敏感性,提出一种基于灰色关联分析和层次分析法的加权灰色关联分析模型。首先分析和确定非充分采动导水裂缝带高度主要影响因素,然后采用灰色关联分析确定各影响因素的关联度,并采用层次分析法确定各影响因素的权重,最后根据各影响因素的加权关联度确定各影响因素的敏感性。结果表明,非充分采动导水裂缝带高度影响因素的敏感性从大到小依次为工作面倾斜长度、开采厚度、覆岩结构特征、开采深度和煤层倾角,非充分采动工作面必须考虑工作面倾斜长度对导水裂缝带高度的影响。     

压力隧洞渗透稳定的参数敏感性分析

为了研究压力隧洞渗透稳定性与围岩变模、围岩渗透系数、地应力、衬砌类型及厚度等的关系,建立了压力隧洞内水外渗的渗流-应力-开裂耦合计算模型,拟定了不同围岩渗透系数、不同围岩变模、不同初始地应力、不同衬砌类型及厚度等组合的一系列工况,运用上述计算模型对压力隧洞内水外渗进行了计算.根据计算结果,以隧洞综合透水率和破坏内水压力为渗透稳定性指标,对围岩渗透性、围岩变模、地应力及侧压力系数、衬砌是否配筋、衬砌厚度等影响因素进行了参数敏感性分析,给出了各参数对压力隧洞综合透水率及破坏内水压力的影响程度.研究成果可为压力隧洞设计,尤其是衬砌型式选择提供参考依据.     

近距离煤层开采侧向支承压力分布的相似模拟试验研究

采用相似模拟的方法,以平项山八矿己二采区己15和己16-17煤层实际地质资料为基础,分析了近距离煤层上煤层开采时,在上煤层采场两侧向的支承压力分布及集中程度、峰值距煤壁的距离、支承压力的影响范围;一定范围内底板中集中应力的传递及渐衰减特征．研究了上煤层开采后下煤层开采过程中,采煤工作面两侧应力降低区范围、峰值应力的位置、应力集中的程度以及与上煤层开采时的对比关系．作者认为,下煤层开采后上覆顶板岩层受到二次扰动,其破坏移动主要是沿原有破裂面滑移,由于剪胀的作用,上覆岩层能够形成面接触的覆岩基本结构特征．根据模拟结果得出：特定开采条件下,上部或下部不同煤层采煤工作面侧向卸压区范围．该结果对区段巷道布置有一定的参考价值．     

构造应力对煤层顶板稳定性影响的数值分析

煤层顶板垮落是煤矿生产常见的灾害,煤层顶板稳定性预测是防治顶板事故的关键技术措施。构造应力是影响煤层顶板稳定性的重要因素之一。利用FLAC3D软件,分析在构造应力的影响下煤层项板在采动过程中的变形破坏特征,以及不同侧压条件下煤层顶板的移动规律。结果表明,顶板破坏在岩梁中部是由下向上发展的,在一定的条件下,随着水平构造应力的增大,顶板破坏范围逐步减小,顶板岩层的位移逐步减小。     

近距离煤层开采侧向支承压力分布的相似模拟试验研究

采用相似模拟的方法,以平顶山八矿己二采区己15和己16-17煤层实际地质资料为基础,分析了近距离煤层上煤层开采时,在上煤层采场两侧向的支承压力分布及集中程度、峰值距煤壁的距离、支承压力的影响范围;一定范围内底板中集中应力的传递及渐衰减特征.研究了上煤层开采后下煤层开采过程中,采煤工作面两侧应力降低区范围、峰值应力的位置、应力集中的程度以及与上煤层开采时的对比关系.作者认为,下煤层开采后上覆顶板岩层受到二次扰动,其破坏移动主要是沿原有破裂面滑移,由于剪胀的作用,上覆岩层能够形成面接触的覆岩基本结构特征.根据模拟结果得出:特定开采条件下,上部或下部不同煤层采煤工作面侧向卸压区范围.该结果对区段巷道布置有一定的参考价值.     

大倾角综放面端面顶煤稳定性控制数值模拟及应用

大倾角松软煤层综放面实现高产高效的关键之一是端面顶煤稳定性控制.利用FLAC3D数值模拟软件,分析了放项煤采场覆岩与顶煤的应力场特征、端面顶煤的破坏规律以及位移特征.结果表明:端面顶煤产生较大变形,处于应力降低区;煤壁前方项煤在支承压力作用下产生破坏区,遍布整个煤层;上端头的围岩片帮控制是应重点加强的关键部位;工作面上部支架后底座下滑是支架失稳最先出现和最常见的现象.通过及时支护、提高支护质量等围岩稳定性控制措施,可以取得良好的端面顶煤稳定性控制效果.     

浅埋近距间隔式采空区顶板“双拱桥”结构稳定性研究

浅埋近距离煤层群上煤层顶板结构失稳特征是下煤层开采工作面动压防控的关键.采用砌体梁理论和UDEC数值模拟相结合的研究方法对南梁煤矿20107工作面间隔式采空区顶板"双拱桥"结构稳定性进行了研究.结果表明:临时煤柱的蠕变失稳诱发间隔式采空区基本顶垮落可视作"W型砌体梁+双拱桥"结构的覆岩承载模型.在"砌体梁理论"的基础上分析了间隔式采空区基本顶断裂岩块回转触矸后形成"双拱桥"结构的稳定性.随着煤柱支撑能力衰减或上覆载荷发生异变时,非对称应力斜拱平衡结构将产生失稳.数值模拟分析了间隔式采空区顶板"双拱桥"结构应力分布特征,得出了墩柱体在底板中应力传递规律,墩柱宽度减小,"双拱桥"结构非对称应力斜拱拱高降低,拱顶向墩柱侧转移的变化特征,划分了浅埋间隔式采空区下开采时顶板动力灾害防控区域.模拟了下煤层开采过上煤层间隔式采空区顶板"双拱桥"结构时覆岩垮落特征,得出了浅埋间隔式采空区下开采工作面出隔离煤柱5 m时,易发生动载矿压.研究结果为下煤层开采工作面顶板动压防控提供理论指导.