小浪底水库下采煤导水裂隙发育监测与模拟研究

 新安矿有8.00×107 t煤炭资源处在小浪底水库水体之下,煤厚变化大(0.0～18.8 m),现有的导水裂隙高度计算方法不能满足水体下采煤安全评价的要求,水体下采煤存在突水隐患。为确定开采过程中覆岩破坏上限及其是否导通地表水体,研究区在5个地面钻孔中进行超声成像观测,在5个井下钻孔中进行并行网络电法CT观测,并通过物理模拟和数值模拟进一步研究各种不同开采条件下的覆岩破坏过程。观测及模拟结果表明,导水裂隙发育最大高度主要取决于煤层采厚,两者之间为非线性关系,在此基础上给出相应计算公式,为结合其他突水影响因素确定安全可采分区提供可靠依据,并得到3个位于安全可采区内的工作面工业性试采成功的验证。     

近距离煤层群下行开采覆岩运移特征试验分析

为研究近距离煤层群多次开采对覆岩运移的影响,根据潘二煤矿近距离煤层群(8、7、6、5煤)地质和开采技术条件,采用相似材料模拟试验开展了下行开采覆岩运移特征研究。分析得出了多次开采覆岩变形、破坏及运移规律,近距离煤层群多次开采与单一煤层开采形成的覆岩宏观运移形态和特征相似。随着开采次数增多,覆岩下沉系数呈线性递减。多次开采覆岩变形、破坏至连通的时间和空间位置关系与开采厚度、开采次数、层间距及层间岩性等因素密切相关。研究表明,覆岩运移的多次演化叠加不仅是影响顶板来压和控制、瓦斯抽采布置和效果的关键因素,也是采动应力演化致灾的主导因素。     

煤层开采后覆岩破坏规律研究新方法

电阻率法动态监测技术是研究煤层开采后覆岩破坏规律的一种新方法 ,该方法通过在采煤工作面覆岩中预埋入电极传感器,动态、连续的观测工作面回采前后上覆煤岩体电阻率及供电电流,根据电阻率及供电电流的变化情况分析工作面煤层开采后顶板岩层破坏的形态,查明工作面开采后覆岩"两带"发育的动态变化规律,得到煤层采后顶板"垮落带"和"导水裂缝带"的发育高度。     

煤矿采场上覆围岩变形特征分析

以四川攀枝花茶叶树煤矿的地质条件为依托，针对茶叶树煤矿35号煤层采场上覆岩层的活动规律进行了研究，通过理论计算和现场检测，分析了煤层开采后上覆岩层移动规律、破坏特点及上覆岩层垮落范围，介绍了覆岩“三带”的大概范围，为深入认识煤矿采场覆岩变形特征提供了指导。     

覆岩破坏特点和观测原理

目前,为了保证工作面回采安全,众多学者付出了很多努力。为更高效开采煤层,释放水体下压煤越来越受到各界专家的关注,覆岩破坏规律的研究成为研究的核心问题。网络并行电法、地电场观测、电极电流反演技术是覆岩破坏观测的三个主要的方法。研究覆岩的破坏特点和岩石的观测原理具有十分重要的意义,对煤层开采具有重要的参考价值。     

近距离煤层卸压开采围岩力学特征试验研究

为获得近距离煤层卸压开采卸压层与被卸压层煤岩体变形、破坏特征和围岩支承压力分布规律,根据潘二煤矿7煤和6煤开采地质及工程条件,建立了7煤下行卸压开采和6煤上行卸压开采的相似材料试验模型。通过试验观测与数据分析,获得了单一煤层下行卸压开采(7煤)、上行卸压开采(6煤)覆岩运移、支承压力分布等围岩力学特征及多煤层(7煤和6煤)开采围岩力学特征的叠加演化效应。研究表明,被卸压层中的应力分布及变形特征与卸压层开采布置参数、层间距及岩层结构密切相关,而煤柱留设是影响卸压开采效果及被卸压层安全开采的关键因素,尤其是煤柱下应力集中区的巷道布置、围岩稳定性控制、煤岩动力灾害防治等是下行卸压开采的技术关键。     

离层注浆条件下覆岩变形破坏特征的连续探测

覆岩破坏的发育高度及其分布形态是合理确定开采边界及留设防水煤岩柱的基础。为了探讨覆岩离层注浆条件对导水裂隙带形态的影响,采用前端泄露式多回路注(放)水系统,应用井下仰孔分段注水法对东滩煤矿14308工作面覆岩离层带实施注浆充填条件下综采放顶煤导水裂隙带的破坏特征进行了连续探测。探测结果表明:厚煤层综采放顶煤条件下覆岩离层带注浆时的覆岩采动导水裂隙带高度略高于正常条件下的覆岩采动导水裂隙带高度,走向方向的采动导水裂隙带高度低于倾向方向的采动导水裂隙带高度;离层带注浆时的覆岩破坏形态和范围向工作面外侧突出较大。     

采动覆岩渐进破坏的连续–离散耦合模拟研究EI北大核心CSCD

采动覆岩破裂演化数值结果准确性的关键在于建立岩体渐进破坏本构与连续–离散模拟方法。构建偏应力、球应力为基本变量的屈服函数、塑性势函数,结合广义胡克定律得到完整岩块的弹塑性本构;引入弹塑性损伤理论,以平方拉剪应力准则为初始损伤判据,结合Benzeggagh-Kenane断裂准则,得到拉剪混合型断裂本构;构建离散块体挤压本构,基于直剪实验数据修正Sargin粗糙结构面剪切摩擦本构。编制反映岩石渐进破坏的连续–离散耦合模拟计算程序,在验证本构模型的基础上,根据同煤工程地质条件建立数值计算模型。结果表明:(1)岩石渐进破坏本构方程及相应的连续–离散耦合模拟方法,可数值实现岩石从连续体到离散体的转变过程;(2)多煤层重复开采扰动下,石炭系煤层覆岩裂隙分布复杂,其高度约为采高的21倍,远超经验公式所得结果;(3)模拟条件下,在侏罗系煤柱集中应力和采动应力耦合作用下,石炭系工作面超前支承压力峰值达到42 MPa,较无煤柱区域提高8~10 MPa,矿压显现强烈。上述成果在大同矿区得到初步应用,为进一步开展保水采煤、压裂卸压等提供理论支撑。     

浅埋综放L工作面开采方法及其矿压实测研究

 根据路天煤矿16#煤层的具体条件,提出并成功实践L形巷道布置的开采方法。通过现场实测分析,研究L工作面浅埋综放开采时顶煤和顶板的垮落特征、支架的工作阻力、地表塌陷规律及填埋碾压技术等,分析L工作面顶板破裂扩展及分块垮落顺序,建立浅埋综放开采的拱–台阶岩梁组合力学模型,揭示浅埋综放的覆岩移动规律及破煤机制,并给出维护顶板稳定的支架阻力计算公式。研究结果表明：(1) L工作面开采方法是一种高效、安全、高回收率的采煤方法,采露头煤或者露天转井工开采时可以借鉴;(2) 在合适的煤层条件下,浅埋深放顶煤开采在技术上是可行的;(3) 周期来压步距随覆盖层厚度的增加呈增大的趋势;(4) 工作面中部周期来压显现明显;(5) 地表变形垮落可分为4个阶段,填埋碾压应分2个阶段进行;(6) 为提高端面顶板和煤壁的稳定性,应提高支架初撑力。研究结果对类似条件下的开采方法及矿压规律研究具有积极的指导意义。     

基于微地震监测的覆岩多层空间结构倾向支承压力研究

 随着开采深度的不断增加,矿山动力灾害日趋严重,采场周围岩(煤)体变形失稳是顶底板突水、煤与瓦斯突出、冲击地压(岩爆)等矿山动力灾害发生的根本原因,而岩层运动范围扩展后深部采场的采动应力场分布规律研究是解决上述问题的理论基础。将采场上方直至地表的岩层视为采场上方的覆岩空间结构,基于微地震监测结果,针对倾斜煤层,圈定采场覆岩多层空间结构的范围,研究覆岩空间结构岩层运动发展规律,并建立覆岩空间结构下的采场倾向支承压力计算模型。利用力学方法,针对倾斜煤层研究倾向支承压力的动态分布规律和计算方法,得到了倾向支承压力的计算公式;利用上述计算方法,研究了华丰矿1410工作面倾向支承压力分布规律,并与现场1410工作面微地震监测结果所揭示的倾向支承压力分布进行了对比分析。研究结果表明,上述方法适用于深部采场岩层运动范围扩展后的、倾斜煤层倾向支承压力的定量化估算和预测     

深井富水工作面“动—静”应力效应诱发冲击地压机理研究

冲击地压的发生是一个多因素诱发的结果。以郓城煤矿1301工作面为工程背景,研究“动—静”应力效应诱发的（“动”指工作面回采时,上覆岩层运动对前方煤体施加超前支承压力及扰动;“静”指水仓突水后,煤层上方相当于开采一个解放层,突水区域上覆岩层部分应力向周边转移,使突水区域周边的静应力升高）新型冲击地压发生的机理,本文采用采用理论分析、现场监测、工程试验、数值模拟等方法研究了冲击地压发生的应力来源、突水造成的煤体岩性改变特征、工作面回采的动态影响等,得出以下结论：①突水打破了原岩应力平衡,使其周边煤体静应力升高,这是冲击地压发生的静应力来源。②煤体浸水30天,使煤体的强度大幅降低,使其在同等应力作用下增大了“蠕变”冲击发生的风险。③1301工作面回采,超前支承压力是发生冲击地压的动应力来源;超前支承压力与高静应力叠加,增大了应力的集中程度,再加上上覆岩层对高应力集中区的动态扰动,使冲击地压发生的风险进一步加大。该方法对于富水工作面的防冲评价具有重要的参考意义。     

Field trials of aquifer protection in longwall mining of shallow coal seams in China

The large-scale mining of shallow coal seams has a significant impact on the overlying aquifers and surface ecological environment. To protect the aquifers and maximize the coal resource recovery, field trials were undertaken during the operation of the LW32201 in Bulianta coal mine, Shendong, China. With a severely weathered rock (SWR) layer and two key strata (KS) in the overlying strata, aquifer protection in longwall mining (APLM) relies mainly on the rapid advance. In some localized zones, special measures should be taken to achieve the APLM, including lowering mining height, backfill and slurry injection. To further understand the mechanism and applicable conditions of the APLM and validate the effectiveness of the APLM, variation of the water table in the aquifer was observed as the longwall face passed through the zone. This paper also discusses the mechanism and basic requirements of the APLM and the relationship between the fall of the water table and the surface subsidence. The results of the field trials indicated that APLM in shallow coal seams could be successful under suitable conditions.     

一种氡气地表探测覆岩采动裂隙综合试验系统研制与应用

 在概述现有关于覆岩采动裂隙发育特征方面研究现状和总结氡气现有工程应用领域的基础上,首次尝试将氡气的地球物理化学特性应用于采矿工程领域,将放射性测量方法引入到地下煤炭开采覆岩采动裂隙发育过程及其含水性方面的探测,并独立自行研制氡气地表探测覆岩采动裂隙综合试验系统。该综合试验系统具有拆装简便,物理模拟模型铺设方便,在同一物理模拟试验台架上可快速实现二维或三维物理模拟试验等优点。将该综合试验系统应用于神东矿区大柳塔煤矿11203工作面开采二维相似物理模拟试验中,模拟得出覆岩采动裂隙动态演化特征及其与氡气浓度变化二者之间的对应规律。同时,该试验也进一步地验证采用氡气地表探测覆岩采动裂隙的可行性。     

坚硬顶板厚煤层卸压开采覆岩运移特征试验研究

为研究多组厚硬顶板厚煤层开采覆岩运移特征及其对上煤层卸压范围的影响,结合潘二煤矿3煤和4煤开采地质及工程条件,构建了相似材料模拟试验模型。试验观测与数据分析表明,受煤层倾角和多组厚硬岩层影响,覆岩运移中出现非对称“台阶”断裂现象,应力卸压角、膨胀变形卸压角与经验法计算结果相差较大,应力卸压角小于理论计算卸压角平均13°,变形卸压角小于理论卸压角平均7.5°。应用关键层理论分析表明,卸压层和被卸压层间两个关键层是引起覆岩“台阶”断裂、运移不协调及卸压范围减小的主要原因,揭示了多关键层组合对覆岩运移的非对称及卸压特征的差异性的作用机理。     

考虑煤体状态的采动岩体移动规律

在传统采动岩体理论分析中将煤体作为采动岩体的刚性边界,这与现场实际有较大的出入。针对该问题,将煤体视为与其上覆岩层一起协调变形的弹性承载体,对覆岩的初次破断和周期性破断进行了理论分析和数值模拟,结果表明:覆岩的移动规律不仅与其自身性质有关,而且与其下伏支撑体的地基系数密切相关。当下伏支撑体的地基系数小时,覆岩初次垮落步距更小,覆岩初次断裂位置位于岩梁中间,覆岩周期断裂的位置更趋于支撑边界深处,同时支撑体本身的破坏范围更大;反之,覆岩初次垮落步距更大,覆岩周期断裂的位置更靠近支撑边界,同时支撑体本身的破坏范围变小。因此,在煤层开采过程中,覆岩的移动规律不仅需要考虑自身的力学性质,还需考虑其下伏支撑体的状态。在考虑软弱煤层时,不仅应考虑软弱煤层的力学性质,还需综合考虑煤层的开采厚度。     

Impact of longwall mining on groundwater above the longwall panel in shallow coal seams

Since longwall mining causes subsidence through the overlying strata to the ground surface, the surface water and groundwater above the longwall panels may be affected and drained into the lower levels.Therefore, loss or interruption of streams and overburden aquifers is a common concern in coal industry.This paper analyzed the potential effects of longwall mining on subsurface water system in shallow coal seam. In order to monitor different water level fluctuations throughout the mining period, three water wells were drilled down to the proposed deformation zone above the longwall panel. A GGU-SS-FLOW3 D model was used to predict water table contours for the periods of pre- and post-mining conditions. The field data from the three water wells were utilized to calibrate the model. The field test and numerical model can help to better understand the dewatering of shallow aquifers and surface waters related to ground subsidence from longwall mining in shallow coal seam.     

Coal mining under aquifers in China: a case study

The hydrogeological conditions are very complex in many coal mines in China. Water inrushes from aquifers near mining coal seams occur frequently, and coal mines often suffer from serious water disasters during coal extraction. Therefore, mining safety from groundwater hazards is a common concern of both mine operators and researchers. It is of vital importance to determine mining-induced strata failure and strata hydraulic conductivity variations for predicting and preventing water inrushes in coal mines. This paper summarizes the current situations of coal mining under aquifers in China, and presents a case study for mining under a water-bearing alluvium. The case study consists of field investigations, physical simulation and numerical analyses to evaluate the stress redistribution, strata failure and hydraulic conductivity enhancement resulting from coal extraction in Daliuta Coal Mine, Shaanxi Province, China.     

煤矿层状岩体压力拱演化规律的相似模拟

采动作用下的岩体应力转移变化所形成的压力拱特征研究,对于采矿岩层控制和巷道围岩稳定具有重要的科学价值。基于理论分析和相似材料物理模型实验,分析了综放工作面上覆岩层变形破坏形态及其应力转移变化规律,证实了采矿矿压以压力拱的形式转移。研究表明:采煤工作面推进后,伴随着采场岩层应力的不断转移和调整,将在采场岩层中形成一个承担上覆岩层重力的压力拱,其空间形态近似为长轴在开采面推进向短轴与工作面平行向的鸡蛋壳形厚壁结构。工作面初采开始后,随其推进距离的增加,压力拱向周边岩层深部延伸;拱体厚度增大、拱内岩层应力升高。     

“S”型覆岩空间结构煤柱导致冲击失稳的力学机制探讨

进入深部开采后,决定矿山压力显现程度的运动岩层在厚度和层面方向上已经超出传统的平面模型范围,所形成的覆岩空间结构的运动影响着采动应力场的分布,煤柱及其周围由于采动引起的应力重分布和应力集中是诱发煤柱冲击失稳的应力条件和根本原因。因此,通过分析覆岩空间结构的运动规律及其采动应力场分布,并以此探讨作用在残留煤柱的力源,是研究煤柱诱发冲击失稳机制的理论基础。以华丰煤矿六层煤残留煤柱为研究对象,通过研究四层煤开采形成的“S”型覆岩空间结构岩层运动特点和六层煤上覆岩层运动规律,分析作用在煤柱上的复合应力,探讨煤柱力源,通过应力计算和微地震监测分析煤柱及其周围的应力场的分布规律,研究煤柱导致动力失稳的应力条件和机制,研究结果表明,四层煤和六层煤开采形成的高应力是煤柱诱发动力失稳的应力条件,而煤柱及其周围形成的高应力差是动力失稳的根本诱因;基于煤柱应力分析,探讨高应力区煤柱卸压解危的措施。