深部煤岩体卸荷损伤变形演化特征数值模拟及验证

为研究保护层开采过程中下伏煤岩体卸荷损伤变形演化特征,运用FLAC~(3D)数值模拟方法及现场实验测量手段,以山西保德煤矿实际情况为研究背景,对保护层开采过程中下伏煤岩体应力、变形、塑性演化规律进行了研究及验证。研究表明:保护层开采过程中,被保护层应力呈增大—减小—增大的变化规律,下伏煤岩体应力在空间上呈现出明显的"O"形应力分布规律;受保护层采动影响,下伏煤层测点经过原岩应力、应力集中、采动卸压、应力恢复4个阶段;最大应力集中系数与最小卸荷比为固定值,且出现时间相同,工作面前方应力集中系数与工作面后方卸荷比均呈往复性变化,变化周期与工作面来压周期相关;本文实例中,最大应力集中系数约为1. 32,此时测点受到的z向应力值达到最大;最小卸压比约为4. 4%,此时测点受到的z向应力值达到最小,卸压效果最好;受应力变化影响,被保护层呈压缩—恢复—膨胀—回缩的基本变化规律,最终状态保持一定的膨胀变形,与应力分区相对应,根据不同变形特征可将下伏煤层分为原岩状态区、压缩变形区、卸压膨胀区、变形恢复区;本文实例中11号煤层最大膨胀变形量约为0. 6%,此时测点裂隙最为发育,增透效果最好,有利于瓦斯卸压抽采;受应力变化影响,下伏煤岩体塑形区域范围在空间上呈先xyz三向增大—x轴方向单向增大y轴z轴2个方向稳定的变化规律;随着工作面的回采,被保护层煤体塑性区范围在x轴方向不断增加;通过实测保德煤矿81307工作面回采过程中下伏11号煤地应力、膨胀变形量,对深部煤岩体卸荷损伤变形演化特征数值模拟结果进行了验证,下伏11号煤地应力、膨胀变形量变化规律与数值模拟规律较为吻合。     

上保护层开采的保护效果及裂隙带分析

作为最有效的区域防突措施,王行庄煤矿进行了保护层开采的实践,通过对煤层瓦斯压力、瓦斯含量、透气性系数的变化分析,考察了上保护层开采后对被保护层的保护效果,保护层开采前后各考察指标变化表明保护效果良好。针对在上保护层开采过程中底板煤岩体裂隙分布研究较少的情况,通过数值模拟,得到上保护层开采后底板裂隙带分布,分为底板变形破坏带和底板塑性变形带,同时划分了"上三带"各带高度。     

An analysis on the effect of mining height and floor lithology on pressure relief of upper protective layers

In order to understand the effect of mining height and floor lithology at the upper protective layer face on the pressure relief of protected coal seams, this paper uses a numerical simulation method to model the pressure changes at protected coal seam during mining upper protective layer. The results show that the taller the mining height at the upper protective layer face, the greater the protection on protected coal seam due to the higher level of pressure release; the upper protective layer face with hard rock floor impedes the pressure release at the protected coal seam, which affects the overall effect of the pressure release at protected coal seam using the protective layer mining method.     

近水平煤层下保护层保护范围的数值模拟

以淮南潘三矿近水平煤层下保护层开采工程为研究对象,基于瓦斯渗流、煤岩体变形的基本理论和有限元计算方法,通过模拟下保护层开采后被保护层的应力场和变形场的发展过程,确定了随着保护层工作面的推进,被保护层的应力变形和膨胀变形规律;根据应力卸压保护准则和煤体变形准则,提出了合理保护边界划定依据。研究表明,在结合地面钻井抽采的情况下,近水平煤层下保护层开采后,被保护层的理论保护范围存在扩界空间,可扩大到与下保护层等长等宽。现场试验与数值模拟结果基本吻合。     

“上柱-下垮”复合残采区中部残煤开采可行性评价

针对白家庄煤矿"上柱-下垮"复合残采区中部残煤的安全开采问题,采用实验手段研究了多重采动影响下中部残煤采场岩层的垮落特征、应力分布规律及塑性区分布范围,结合弹塑性力学理论分析了上下煤层开采造成的损伤破坏范围,对中部残煤开采可行性进行了研究。研究表明:(1)上下煤层的采动影响并未破坏中部残煤的宏观连续性,且在中部残煤开采过程中,上覆岩层结构相对稳定;(2)采场岩层的支承压力与塑性区的分布范围基本一致,二者皆可以评价上下煤层开采后层间岩层的损伤破坏范围,其损伤范围包含整个上位层间岩层和下位层间岩层的局部范围;(3)中部残煤主要受上部煤层开采影响,处于上部煤层开采损伤破坏范围之内,因此在中部7号残煤开采过程中,其采场顶板稳定性较差,应采取合理有效的顶板控制措施保证安全生产。     

煤层厚度与层间岩性对上保护层开采效果的影响研究

采用数值分析的方法,建立了保护煤层开采厚度、被保护煤层赋存厚度及层间岩性对上保护层开采保护效果影响的计算模型。结果表明,当上保护煤层开采厚度增加但小于下部被保护煤层赋存厚度,或者上保护煤层开采厚度不变而被保护煤层赋存厚度增加时,保护效果逐渐增加;但当上保护煤层开采厚度大于被保护煤层赋存厚度时,保护效果基本一致。同时,当上保护煤层与下部被保护煤层间的岩层岩性越硬时,被保护煤层煤体单元的塑性变形量和应力减小量越小,保护效果越差。在实体煤岩内,岩性差异大的区域内水平应力降也较大。采空区下方不均衡分布的垂直应力的垂向挤压与水平应力的横向剪切作用,是底板煤岩体单元发生偏心失稳进而产生塑性变形和破坏的重要原因。     

开采顺序对复合残采区层间煤岩层矿压显现影响规律研究

为了研究上下煤层开采顺序对复合残采区层间煤岩层矿压显现影响的规律，以西山煤电白家庄煤矿上下部煤层分别采用刀柱法和长壁垮落法开采后形成的复合残采区为研究对象，综合运用现场调研、理论分析和数值模拟等研究方法，分析了上下煤层不同开采顺序对中部遗留煤层及其围岩应力分布、移动变形和破坏特征的影响。研究结果表明：相较于“先下后上”的开采顺序，采用“先上后下”开采顺序时，上下部煤层开采完毕后中部遗留煤层及其围岩的应力集中程度更低，双重采动所造成的应力影响范围更小|采用“先上后下”开采顺序时，复合残采区层间煤岩层移动变形量较“先下后上”开采顺序时小|采用“先上后下”开采顺序时，上部煤层遗留刀柱煤柱下方岩体未受到塑性破坏，即该区中部煤层整体稳定性较好。研究可为同类型赋存条件的复合残采区中部遗留煤层安全开采提供理论基础。     

A new numerical approach of coupled modeling for solid deformation and gas leak flow in multi-coal-seams

From the viewpoint of interaction mechanics for solid and gas, a coupled mathematical model was presented for solid coal/rock deformation and gas leak flow in parallel deformable coal seams. Numerical solutions using the SIP (Strong Implicit Procedure) method to the coupled mathematical model for double parallel coal seams were also developed in detail. Numerical simulations for the prediction of the safety range using protection layer mining were performed with experimental data from a mine with potential danger of coal/gas outbursts. Analyses show that the numerical simulation results are consistent with the measured data in situ.     

小错距上下煤层反向同采对上工作面巷道的影响

根据新集一矿已有的工程地质资料和科研成果建立模型,采用FLAC3D进行了数值模拟,并结合现场观测,研究了小错距上下煤层工作面反向同采时,上工作面巷道围岩应力、塑性区和变形情况,研究结果表明,上工作面巷道围岩变形在两工作面推进过程中呈现两个阶段的变化,该巷道围岩一定范围内发生塑性破坏是其围岩变形不断增长的主要原因,因此上工作面巷道支护的关键是加固其围岩的塑性破坏区,提高围岩的自承载能力.     

上覆煤层开采围岩变形规律研究

为了研究上覆煤层开采围岩变形规律,确保下伏煤层的安全开采,采用FLAC^3D数值模拟软件,研究了上覆煤层开采过程中煤岩体的垂直应力变化情况、煤层顶板垂直应力与工作面推进距离关系以及上覆煤层开采围岩变形特征。研究得出,随着上覆煤层的不断推进,工作面下伏煤层支撑应力呈“M”型分布;随着工作面的不断推进,下伏煤层应力形成应力恢复区、膨胀变形区和压缩区3个区。     

潘一东矿近距离煤层上行开采围岩裂隙演化规律模拟研究

结合潘一东矿深部煤层开采的具体工程地质条件,运用相似模拟、数值模拟相结合的方法,分析研究了深部煤层上行开采过程中,岩层破坏断裂、裂隙演化及下沉变形特征,进一步分析了岩层下沉变形曲线与岩层断裂、裂隙发育和受力状态的关系。研究表明:下煤层和上煤层开采过程中,岩层裂隙富集区主要分布在切眼向采空区内一定距离斜向上一定距离范围内和煤壁向采空区内一定距离斜向上一定距离范围内的岩层中;采空区正上方岩层经历一个裂隙产生、扩展、闭合的演变过程;下煤层开采时,煤壁处岩层断裂角小于切眼处;上煤层开采时,煤壁处岩层断裂角随两煤层工作面位置不同,经历一个先增大后减小的过程;岩层整体下沉曲线斜率不同区域与岩层裂隙发育情况及受力破坏状态是有密切联系的。     

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。     

两煤层坚硬顶板联动冲击致灾机制

针对宽沟煤矿"3·7"、"3·8"震动事件呈现短时间隔"连锁"效应的现象,采用现场实测方法研究两煤层开采后的岩层结构特征,采用理论分析、微震监测的方法分析了两煤层开采形成的结构形态与失稳演化过程,基于数值模拟方法揭示了两煤层开采坚硬顶板联动效应引起的煤体应力演化过程,提出了两煤层联动冲击致灾机制.研究表明:I01020...     

近距离煤层群下保护层开采卸压保护效果研究

为了防治石屏一矿近距离煤层群开采过程中存在的煤与瓦斯突出风险,运用FLAC3D数值模拟软件分析了11025下保护层开采对上覆C19主采煤层卸压保护效果。研究结果表明:平均厚度1.3 m的下保护层开采后,距离20.9 m的上覆煤层应力释放呈现很强的分区分带性,采场中部一定范围内的应力明显降低,靠近采场边缘应力增大,中心最大位移量约为440 mm。基于法向应力和膨胀变形率指标确定煤层倾向方向卸压角运输巷侧为δ1=60.4°,风巷侧为δ2=67.9°,走向方向两端卸压角δ3=δ4=58.7°。下保护层开采后,卸压范围内C19主采煤层透气性系数提高7倍,最高瓦斯抽采速率1.13 m3/min,瓦斯压力降为0,起到了良好的卸压保护效果。     

上保护层不合理布置对被保护层应力叠加影响效应研究

为了研究上保护层不合理布置导致被保护层开采过程中巷道围岩严重变形破坏的问题,采用现场调研、理论分析、数值模拟和矿压观测等方法,对中兴矿3203工作面上保护层开采后的影响效应进行了研究,结果表明:当上保护层遗留煤柱宽度为10~70 m时,其对被保护煤层造成叠加应力大小为13.7~18.1 MPa;当上保护层工作面宽度为75~125 m时,其对应理论垂直有效距离为30~52 m;上保护层布置不合理导致被保护层工作面采掘空间围岩受应力叠加影响而稳定性较差,而合理布置上保护层能够有效改善被保护层采掘空间围岩应力环境,确保矿井安全高效生产。     

煤层群开采保护层厚度设计优化数值模拟研究

保护层开采是效果明显的安全措施,能够有效预防煤层群开采过程中瓦斯事故。以屯兰煤矿为工程背景,采用数值模拟分析手段,分析7号煤层作为保护层时,开采厚度分别为0.8 m和1.5 m时,被保护煤层应力、位移变化特征,以及在保护层开采过程中煤层内部应力集中程度、泄压范围和煤层膨胀变形程范围,通过多个因素综合对比分析,最终确定最佳保护层开采厚度,相关研究对邻近煤矿保护层开采具有借鉴意义。     

深井高地压坚硬顶板采场围岩特性的数值模拟

深井高地压坚硬顶板采场矿压显现与围岩控制问题更加突出,分析煤壁、顶板、底板的应力状态与变形破坏特征,对深井高地压坚硬顶板采场围岩控制具有重要的意义．本文采用AN—SYS6．1数值模拟软件,模拟分析了不同采深条件下煤层和顶底板应力状态的变化特征,通过比较得到了支承压力、煤壁破碎区、煤壁变形、直接顶及底板应力等的变化特征,初步研究了深井高地压坚硬顶板采场围岩特性．结果表明,深井条件下围岩的受力情况更加复杂,围岩更容易出现应力集中,这提高了工作面的支护难度．     

上保护层开采下煤岩强扰动力学行为与渗透特性

保护层开采在低渗透高瓦斯近距离煤层中得到广泛应用,研究保护层开采扰动下的煤岩强扰动力学行为与渗透特性为进一步更加高效安全的开采被保护层煤层提供了理论支持。选取平煤集团十二矿上保护层己14煤层工作面己14-31010和被保护层己15煤层工作面己15-31030为研究对象,进行相似模拟试验和保护层开采过后被保护煤层受力分析。通过相似材料模拟试验获取保护层开采方式下被保护层的受力情况,上保护层开采过程中,煤层压力先增大后减小,采空区重新压实稳定后,应力状态近似恢复到原岩应力状态。通过对保护层开采后的被保护煤层受力分析获取煤层变形后的应力状态,上保护层开采过后,被保护层煤层产生变形,煤层上部分膨胀变形,应力小于原岩应力;下部分煤层压缩,应力大于原岩应力。结合二者的结果获取保护层开采方式下室内试验中被保护层煤层应力加载路径。依据被保护层煤层应力加载路径,设计进行采动耦合应力路径下的煤样渗流试验。试验结果表明:上保护层煤层开采过程中,同等试验条件下,被保护层煤层可承受的上保护层开采扰动应力越大,被保护层煤层开采过程中的煤体破坏应力峰值越大,体积应变越大;被保护层煤层开采过程中,M组煤样和N组煤样应力应变曲线与常规保护层卸荷三轴试验相比,扩容点出现位置明显提前;同等应力状态下,水压越大,煤样的体积应变越大;被保护层煤层开采过程中,M组煤样初始围压为35 MPa,围压对渗透率的影响大于轴压的影响,N组煤样初始围压为20 MPa,围压、轴压交替对渗透率产生主要影响,渗透率曲线呈现"W"型。两组试验中,扰动应力最大的试样破坏前的渗透率普遍大于其他试样的渗透率。     

近距离煤层群综放开采区段煤柱稳定性研究

为解决龟兹矿业5号与3号近距离煤层重复采动影响下区段煤柱失稳难题,利用模拟试验结合工业性试验的研究手段,探究了区段煤柱在重复采动作用下的应力演化规律和区段煤柱尺寸因素作用下的围岩应力分布情况,阐释了区段煤柱宽度因素作用下巷道围岩损坏及位移规律。结果表明:近距离煤层重复采动作用下,设计煤柱宽度超过6 m有利于提高区段煤柱稳定性。研究成果在龟兹矿业进行了工程应用,对A502运输巷围岩变形情况进行了实测,实测结果验证了研究成果的有效性。     

弱透气性煤层受岩石下保护层开采影响卸压增透效果研究

针对平煤股份十矿大埋深弱透气性煤层下保护层开采工程,采用岩石破裂损伤理论和有限元计算方法,研究了被保护层变形规律、应力演化过程、卸压保护范围及瓦斯抽采效果。结果表明,随着保护层工作面的推进,其上覆煤岩体同时发生拉伸应力和剪应力破坏,被保护层大量的裂隙扩展发育,孔隙率大幅提高;随着保护层的开采,被保护层呈现出压缩和膨胀的变化规律,位于保护层采空区中部上方的被保护层变形最大,变形膨胀率最大,因此有利于煤层的卸压增透和瓦斯的抽放;岩石保护层开采后对被保护煤层沿倾斜方向预计保护范围卸压角为78°。工业试验显示:在己_15-16-24130岩石下保护层开采后,上覆己_15-16煤层变形膨胀率在0.62%~1.54%,己₁₇煤层变形膨胀率在1.71%~3.67%;在预计保护范围线位置测定的煤层最大综合残余瓦斯压力为0.42 MPa,最大残余瓦斯含量为4.210 7 m³/t。证明预计保护范围是可靠的,为平煤十矿下保护层开采区域瓦斯治理技术的推广应用提供了可靠的依据。