综放开采工作面覆岩EH-4电导率分布特征

为了解采动覆岩破坏充水情况,确保水库下压煤安全开采,大平煤矿利用EH-4电导率成像系统在N1S1工作面对采动覆岩进行了探测。经对岩层电导率图象解译:工作面推过22 m,采空区上方岩层内形成一拱型高阻区,电导率800Ω以上岩拱高度约90 m(相当于采高的7.2倍);工作面推过92 m,采空区上方高度约300 m(相当于采高的24.2倍)为拱形低阻区,岩层电导率30Ω以下,离层破碎岩层集中发育在拱顶部区域。工作面超前约70°角范围,岩层破坏充水,电导率下降。推过160～190 m后,上覆岩层电导率普遍在10～20Ω之间,呈充水特征。     

采空区围岩水流场特征研究

运用RFPA2000数值模拟软件,建立了采空区端部突水流场计算模型,分析了综放采场覆岩破断过程中采空区竖向流场特征、水平流场特征和流场流速分布规律。研究表明,当隔水层被破坏后,顶板水沿裂隙通道涌向采面。随着工作面的继续推进,涌入工作面的水量逐渐减小,采空区中部的流速逐渐减小,突水部位进一步向采空区前后两侧收缩,工作面突水流速与承压水的压力成正比。当首次周期来压后,随着工作面的推进,上覆岩层垮落、离层高度上升,采空区压力呈现中间高两侧低的趋势,致使周边较疏松,形成“o”形圈;它是水流的主要通道,其宽约为20m。     

长壁工作面采动覆岩层理开裂机理及侧向裂隙发育规律

长壁开采煤层覆岩下沉变形过程中,岩层内部形成弯曲应力,并可能沿抗拉和抗剪强度较小的层理开裂形成侧向导水通道。针对相邻采空区积水侧向渗漏引起的工作面突水问题,研究了长壁开采覆岩层理开裂机理,分析了侧向裂隙发育规律。首先基于Winkler弹性地基梁理论建立采动覆岩弯曲下沉挠度方程,考虑煤柱和采空区上覆岩层不同支承压力与破坏程度确定对应的上覆载荷和地基系数,给出各层位岩层的下沉、转角、弯矩和剪力曲线计算公式。在此基础上,将采动覆岩层理裂隙分为张拉离层裂隙和剪切错动裂隙,并根据岩层非同步弯曲下沉特征与组合梁理论计算岩层内部弯曲应力分布情况,提出了张拉离层裂隙和剪切错动裂隙发育判断依据,给出了覆岩任意层理面上侧向裂隙发育位置、长度和隙宽等参数的计算方法。最后以凌志达煤矿15102工作面工程地质条件为依据,计算了上覆各岩层的挠度曲线和弯曲应力分布,分析了采动覆岩层理裂隙发育规律。结果表明,15102工作面在区段煤柱上方发育有超过50 m的剪切错动裂隙,超过了15101和15102工作面之间区段煤柱最大宽度;采空区边界上覆岩层中剪切错动裂隙和张拉离层裂隙共同发育;采空区中部上覆岩层中主要为张拉离层裂...     

大倾角大采高采场覆岩应力路径时空效应

为揭示大倾角大采高采场覆岩变形破坏的时空演化特征及应力路径效应,以2130煤矿25221工作面为研究背景,采用3DEC数值模拟方法,在对覆岩变形破坏时空演化特征的综合厘定与分析的基础上,提出了大倾角采场上覆岩层在采动应力作用下的扰动分区,量化了采场沿工作面走向、倾向及不同层位覆岩采动应力路径的空间演化规律,揭示了采场空间不同区域覆岩采动应力与断裂失稳过程中的对应关系。研究结果表明：在大倾角大采高开采中,重力-倾角效应作用下矸石呈现非均匀充填特征,导致覆岩垮落形态及顶板承载拱在采场空间均呈现出典型的跨层迁移转化特性,包络面内中上部区域“倒三角临空面+倾斜砌体结构+高位梯阶岩层”形成空洞现象,“高位梯阶岩层”失稳易诱发“倾斜砌体结构”同时断裂,对支架形成较大的冲击动载荷。工作面煤层开采导致采场上覆岩层的三向采动应力大小、方向均发生了显著变化。沿工作面走向,覆岩最大主应力演化先增大再减小,最小主应力则先减小再反向增大,最大和最小主应力沿推进方向的垂直平面内向采空区旋转,上覆岩层的极限平衡状态界面沿工作面倾斜方向呈非对称展布。沿工作面倾向,煤柱侧上方岩层产生应力集中,工作面上方岩层卸荷,覆岩层...     

云驾岭煤矿采动覆岩裂隙场分布特征模拟研究

为了研究云驾岭煤矿采动覆岩裂隙场分布及其演化规律,通过相似模拟试验和UDEC数值模拟方法探究了采动后上覆岩层的下沉曲线与裂隙场分布特征,计算覆岩离层率空间分布情况。结果表明：随着开挖工作的不断推进,采动覆岩裂隙场呈梯形分布特征,逐步向较高层位和推进方向发育,其中下部裂隙被压实,两端裂隙较为发育,整体上裂隙密度逐步减小,经历裂隙产生、扩展和压实三个阶段,而覆岩离层率先后经历“单峰”和“双峰”两个分布形态。采空区中部与煤壁后方和开切眼附近区域采动裂隙演化规律截然不同,采空区中部区域的采动裂隙随着垮落岩层被上覆岩层压实,采动裂隙逐渐减小,煤壁后方和开切眼附近区域,边界煤柱和垮落岩层形成三角形的采动裂隙区域。采动覆岩位移场影响区随着工作面推进向高层位和推进方向发育,开采初期呈现矩形分布,而后随工作面的推进,采动覆岩位移场影响区则呈现梯形分布,中部的位移矢量箭头垂直于底板,开切眼和工作面端位移矢量分别呈逆时针和顺时针偏转。     

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。     

浅埋煤层群重复采动覆岩运移及裂隙演化规律研究北大核心

为了准确掌握单一煤层和煤层群开采覆岩裂隙演化规律及分布形态特征,通过物理相似模拟实验、现场钻孔勘探、理论计算等方法分析煤层开采过程中覆岩运移破断特征及采动裂隙的分布形态。结果表明:在重复采动条件下,覆岩出现离层裂隙和纵向裂隙并伴随超前裂隙的产生,形成“采空区-工作面”和“采空区-采空区-工作面”结构时,覆岩裂隙经历产生、扩张、闭合、再产生、贯通、再闭合等6个动态循环变化阶段;煤层群在一次采动时形成“梯形”裂隙区,二次及多次采动下,覆岩受上覆载荷作用,裂隙区向工作面两侧煤柱扩展,上煤层受本煤层边界煤柱和下煤层开采形成的“悬臂岩梁”支撑影响,使工作面两侧裂隙明显高于工作面中部,覆岩形成“M”形裂隙分布形态;覆岩受采动影响产生周期性破断,以单岩层或多岩层同时产生变形、运移、破断垮落,由此可见,覆岩中存在控制上部岩层的硬岩层和其控制岩层以组合梁的形式同步运移、破断。根据覆岩破断特征建立了基于Winkler弹性地基煤层群重复采动覆岩破断特征的组合岩梁力学模型,由模型计算得到覆岩裂隙演化高度和相似模拟实验及现场所测高度相近,由此表明,该模型可作为浅埋煤层群重复采动覆岩裂隙演化高度计算的依据。     

特厚煤层富水覆岩采动裂隙动态分布特征模拟研究

以矿区煤田地质勘探水文地质资料为基础,结合具体工程地质条件分析了彬长矿区地层结构及其含水性;利用物理模拟方法研究了复合型水体下综放工作面采动过程中覆岩冒落带与裂隙带裂隙、导水通道形成、分布特征。结果表明,覆岩周期破坏形成离层和垂向破断裂隙,随工作面的推进岩层运移裂隙挤压闭合,在沿走向方向上形成局部闭合区、裂隙发育区,在开切眼及工作面附近易形成贯通导水裂隙成为透水通道,特厚煤层综放开采导水裂隙带发展高度约为采高的17～18倍,为工作面顶板控制及水害防治提供依据。     

弱胶结地层重复采动覆岩渗透性演化规律研究

为研究西部地区弱胶结地层煤层群开采过程中覆岩渗透性演化规律,以伊犁矿区伊新煤业开采地质条件为基础,通过构建弱胶结采动地层数值计算模型,分析了重复开采扰动下弱胶结煤系地层覆岩的应力分布特征、塑性破坏区发育及渗透性演化规律。结果表明：近距离上位煤层开采时,采动支承压力峰值的应力集中系数达到1.81,采空区覆岩最大拉应力值达到0.9MPa;上位煤层工作面推进距离达到300 m时,采空区上行破坏区和下行破坏区相互导通;重复开采扰动下,弱胶结地层采动覆岩的孔隙压力大幅下降,采动渗流场呈现采空区四周渗流速度大于采空区中部渗流速度、采空区煤壁侧的渗流速度大于两侧和切眼侧渗流速度,当上行和下行破坏区连通时渗流速度大幅增大;近距离下位煤层开采,当煤层间岩层破坏区初次贯通时,上下煤层间岩层形成中间渗流速度大、两边渗流速度小的扇形渗流场,随着工作面持续推进,最大渗流速度位于工作面前方。     

千米深井大采高工作面覆岩破坏过程数值模拟分析

我国近年来千米深井不断增多,覆岩破坏形式和破坏范围也越来越严重。从千米深井大采高覆岩运动和顶板破坏的形式及应力分布特征出发,利用RFPA数值模拟的方法进行了大采高工作面的覆岩破坏过程的研究,得出了在千米深井工作面推采时主应力向两侧转移,且大致沿岩层移动角出现扇形应力降低区的结论。随着工作面的继续推进,采空区上方覆岩破坏和位移具有明显的分带性,各带特征明显不同,但其界面逐渐过渡,空间形态大致呈对称的“马鞍”形分布。     

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。     

综放工作面及其围岩宏观应力壳力学特征

采用大型非线性三维计算机数值模拟、实验室相似材料模拟对综放工作面围岩应力分布进行了深入研究,发现综放工作面围岩存在高应力束组成的宏观应力壳,应力壳位于采场四周未采煤岩体和弯曲带内,其形态随工作面推进采场结构的变化而改变.应力壳承担并传递上覆岩体荷载和压力,是最主要的承载体,应力壳拱脚处应力形成采场四周围岩支承压力.砌体梁结构位于宏观应力壳下的减压带内,砌体梁仅承担壳体下岩层部分荷载.综放工作面主要力学特征是位于上覆围岩宏观应力壳保护下的低应力区内,这正是综放工作面矿压显现趋于缓和的根本原因.基于对应力壳体的发现和开展的一系列分析,揭示了综放采场顶煤“垫层”作用的力学本质.     

不同采厚围岩力学特征的相似模拟实验研究

针对一次采厚变化对采场围岩变形、位移、应力分布等力学特征的影响,根据淮南谢桥煤矿1151(3)综放工作面地质和开采技术条件,采用实验室相似材料模拟开展了不同采厚回采过程中围岩力学特征的研究.结果表明,不同采厚回采期间煤层顶、底板一定范围内的岩层应力均具有明显的分区特征,在高位岩层和工作面前方及切眼后方未采煤岩体内均形成起主要承载作用的宏观应力拱,覆岩运移形态均为非对称性;随一次采厚增加,覆岩垮落角略有变化,支承压力影响范围和两带（垮落带和断裂带）高度加大并逐渐趋于稳定;两带高度、支承压力峰值位置距工作面煤壁距离与一次采厚呈非线性正比关系.     

大角度俯采覆岩运动规律数值模拟

针对大倾角煤层俯采过程中覆岩运动所引发的支架倾倒、输送机下滑和顶板破碎等安全事故,以霍州煤电辛置煤矿10 428C工作面为例,运用FLAC3D数值模拟软件,分析了顶板岩层沿工作面走向和倾向采动特征。结果表明：大倾角俯采煤层顶板岩层无论沿工作面走向或倾向方向上,垂直应力等值线和位移等值线均呈现非对称拱形态。工作面下方支承压力和位移值普遍大于上方,岩层运动范围在中上部扩展较快。工作面顶板塑性破坏区向顶板发展,工作面下方顶板破坏范围明显增大。     

硬厚岩层下逆断层采动应力演化与断层活化特征

上覆硬厚岩层受逆断层切割后,工作面顶板运动、采动应力会有异常变化。采用三维数值计算方法,模拟分析了上、下盘工作面向逆断层推进过程中的采动应力演化特征、煤层顶板运动特征及断层活化规律,并采用工程实例进行了分析验证。研究表明：在逆断层切割作用下,上盘工作面围岩呈倒楔形,采动应力向底板深处、顶板高处转移,围岩应力集中程度大于下盘工作面。下盘工作面与上盘工作面相比,采动应力受工作面与断层距离的影响较大。巨厚岩浆岩及其下部岩层形成类似“杠杆”结构,造成煤层顶板的下沉和反弹。逆断层下盘工作面煤层直接顶断层带活化的可能性大于上盘工作面,高位岩浆岩断层带活化的可能性小于下盘工作面。下盘工作面与逆断层距离40 m时断层开始活化;上盘工作面与逆断层距离40 m时,煤层直接顶断层带开始活化,与逆断层距离30 m时高位岩浆岩断层带开始活化。     

综采工作面过断层回采工艺技术研究分析

基于综采工作面在揭露断层时受构造应力、回采应力以及上覆岩层重力等作用下,煤体破碎、片帮,导致工作面端面距加大、支护难度大、局部冒落等现象,降低了工作面回采效率,威胁回采安全。隆安煤业通过技术研究,分析了综采工作面在过断层期间主要存在的技术难题及常见过断层回采工艺,取得了显著应用成效。     

基于板壳理论的充填开采覆岩导水断裂带发育规律

为分析充填开采时覆岩导水断裂带的发育规律,采用板壳理论分析了充填开采过程中关键层的破断力学过程,得到随着采厚的增加,导水断裂带是逐层向上发育,而不是随着采厚的增加渐进式发育;采用数值模拟的方法再现了采后不同充填高度时覆岩导水断裂带的发育规律,得出覆岩的"两带"发育随着等效采高的变化存在着临界效应,即充填体高度的量变,会引起覆岩变形破坏高度的质变。现场观测了充填工作面采后的覆岩导水断裂带发育情况,实测得到的结果与理论分析结果吻合,验证了上述理论分析和数值模拟得到的结论。     

神东矿区覆岩破坏类型的探测研究

神东矿区主要开采侏罗系煤层,由于工作面覆岩松散层厚度、基岩厚度和埋深变化的复杂性,加之矿井水文地质条件变化较大,多次发生工作面突水、溃沙事故。采用以钻孔探测工作面覆岩破坏高度的研究方法为主,首次指出矿区存在覆岩破坏"两带"分布、覆岩破坏正常"三带"分布和超高导水裂隙带分布3种覆岩破坏类型。     

深井不等宽断层煤柱诱发冲击地压机理研究

以采深超千米且存在不等宽断层煤柱工作面为工程背景,分析了断层构造应力和临断层采动工作面上覆岩层运移对冲击地压的影响,进而研究了不等宽断层煤柱诱冲机理。研究表明,断层构造应力和煤层上方悬露覆岩应力叠加超过不等宽断层煤柱综合强度导致了冲击地压发生。通过构建断层构造应力模型、悬露覆岩载荷模型和不等宽断层煤柱承载模型,推导了不等宽断层煤柱能否发生冲击的力学判别式,可用于断层煤柱区域冲击危险区的精确划分,为提前采取针对措施提供依据。研究成果经现场实践,实现了工作面安全开采。