杨村煤矿下组薄煤层底板采动效应特征研究

杨村煤矿下组煤的开采受到底板承压水的威胁,采动底板破坏深度的研究是底板岩层阻水能力评价的关键。以杨村煤矿4602工作面水文地质条件为基础,建立了下组薄煤层底板工程地质模型,通过数值模拟软件FLAC3D模拟研究煤层底板采动变形破坏规律,得出在正常采动情况下底板最大破坏深度约为12 m;并与该工作面底板实测结果进行了对比验证,二者结果基本一致。研究结果为杨村煤矿下组煤的合理开采、支护及底板岩层阻水性的评价提供了参考依据。     

基于数值模拟的断层对底板变形破坏规律及突水的影响作用研究

基于数值模拟手段,综合考虑矿压和水压的联合影响作用,通过模拟采煤时底板岩层应力分布状态及其变形破坏过程,深入对比研究煤层开采过程中断层对底板岩层应力重新分布及其变形破坏规律、直至突水的影响。研究表明:当采空区煤壁附近有断层存在时,工作面前(后)方底板岩层应力分布呈明显的不均一性,应力变化比完整底板更剧烈,煤壁附近应力集中现象更明显,急剧的应力变化更易导致底板发生变形、破坏,断层及其附近次级结构面的存在同时也加剧了采煤过程中底板及围岩裂纹、裂隙的扩展,断层距工作面越近,越易发生突水。     

林南仓东一采区覆岩变形破坏数值模拟分析

 厚层冲积层下煤层的安全开采是林南仓矿东一采区遇到的最大问题。在分析东一采区开采具体情况和开采方式的基础上,构建了符合实际情况的工程地质模型和力学模型。应用目前最先进的Flac3D软件对东一采区的煤11和煤12的覆岩变形破坏进行了模拟。模拟结果表明,煤11开采引起上覆岩层最大下沉值为2.75m,引起上覆岩层发生塑性屈服破坏的最大高度为31m,上覆岩层处于拉应力状态区域的最大高度为27m。煤12开采引起上覆岩层下沉,最大位移量为5.42m。煤12开采后上覆岩层发生塑性屈服破坏的最大高度为47m,上覆岩层处于拉应力状态区域的最大高度为43.3m。这与经验公式计算结果和实际观测结果较为一致,模拟结果可为生产提供科学依据。     

上行开采上部煤层合理巷道位置选择研究

根据淮北朱仙庄煤矿Ⅱ5采区8煤解突要求,采用开采10煤作为下保护层的上行开采方法。数值模拟表明,Ⅱ1051工作面开采过程中,在工作面上覆岩层中形成由高应力束构成的应力壳。在回采之初,应力壳形成较为完整,同时上方壳体应力集中程度较高,随工作面向前推进,应力壳范围逐步向上发展,壳高最大约111.4m,受应力壳作用,在应力壳内部受应力壳保护的低应力区不断变大,同时壳体应力集中程度减弱。综合数值模拟与相似模拟实验得出8煤回采巷道和底板巷道应分别布置于应力壳保护内和8煤底板约14m处,此处巷道围岩应力集中程度最低,破坏范围最小,巷道最为稳定,利于8煤的安全回采。     

损伤变量在煤层底板开采破坏深度计算中的应用

针对煤层底板破坏深度的计算很少考虑实际存在的采动损伤的现状,以某矿A组煤开采为背景,提出一种基于数值模拟与理论计算的底板岩层损伤变量,进而确定底板破坏深度的方法。通过在该矿工作面巷道特定位置施工井下钻孔,采用并行电法探测技术验证该方法的有效性。结果表明:底板应力在推进至断层附近时达到峰值19.70 MPa,底板岩层等效损伤变量D'=0.79;基于损伤变量计算得出的底板岩层的最大破坏深度为20.27 m,对比井下实测结果,其准确率达到93.32%。研究结果为快速准确地确定底板采动破坏深度提供了一个新思路。     

司马煤矿底板断层活化突水机理分析

为分析煤矿采场底板断层采动活化机理,以司马煤矿为背景采用理论分析、数值模拟、室内试验等方法,在考虑采动应力和水压力的基础上进行了研究。推导出了完整底板及含断层底板采动破坏深度的表达式;采用模拟断层带填充物渗透性试验及FLAC~(3D)数值模拟软件,研究了煤层开采过程中应力变化对断层带渗透特性的影响,并通过现场断层带联通性试验验证了司马矿断层带阻隔水能力较弱。     

高承压水上暗斜井开拓断层带底板水害预测与防治技术

基于大埋深高承压岩溶水上巷道开拓近断层破碎带,底板岩层变形破坏加剧,导致有效隔水层厚度锐减,从而发生突水事故的规律特征。通过分析某煤矿下组煤首采区暗斜井开拓范围内岩体结构、力学性质等地质及水文地质条件,采用力学计算、数值模拟方法,对暗斜井开拓井巷底板岩层导水破坏深度及奥灰含水层导升带高度,进行了理论计算和数值模拟分析。结果表明,随着开挖深度的增加,底板破坏深度增加幅度不同,越接近断层底板岩层导水破坏深度越大。预测行人暗斜井施工至400 m时,存在底板突水隐患。根据井巷底板岩层破坏规律及水害预测结果提出了相应的水害防治措施,保证了暗斜井开拓工程的顺利施工。     

采动影响下底板破坏规律及底板巷道稳定性分析

为进行采动影响下煤层底板变形破坏规律的研究,建立底板破坏深度求解力学模型,依据关键层理论和弹性理论得到沿走向底板内支承压力传播规律,再借助FLAC3D数值模拟软件分析3煤底板破坏特征,将倾斜煤层底板采动最大破坏深度按照相关理论进行核算。研究表明：底板浅位置的岩层,垂直应力等值线变化梯度相对较大,形状为半椭圆形;工作面回采重新达到平衡后,煤层底板的主要破坏形式为剪切破坏,且3煤工作面采动底板破坏最大破坏深度在21 m左右,底板巷道塑性区无明显增加;滑移线理论计算出采空区底板最大屈服破坏深度为10.68 m,而3号煤底板巷道与3号煤层相距约30 m,3号煤层的开采几乎不会对底板巷道造成影响,计算结果与仿真模拟结论相近。     

葛泉矿带压开采下组煤底板破坏深度探测研究

针对葛泉矿底板加固条件下带压开采下组煤的情况,依据采场底板不同深度应变监测值随工作面推进发生的变化情况,分析了葛泉矿首采工作面煤层底板岩体受采动破坏的情况,确定底板破坏深度为12.5 m。     

煤系地层覆盖下铝土矿开采岩体地压活动规律研究

通过统计山西某煤系地层覆盖下铝土矿采区内的勘探钻孔资料,铝土矿采矿厚度和煤铝之间岩层厚度的采厚比分为6.9、11.9、17.4三种情况。根据采厚比的不同情况,建立煤下铝矿体回采模型,研究分析煤下铝房柱法开采过程中应用崩落协同充填技术处理采空区时覆岩地压活动规律。铝土矿的开采使上覆岩层垂直应力释放,水平应力略有增加;煤下铝回采过程中,同步崩落顶板处理采空区,对上覆岩层沉降、上覆煤层应力释放具有显著的控制作用,均未出现铝土矿的开采导致煤层拉剪破坏的情况,同时未超过规范对于地表保护等级Ⅰ级的水平变形和倾斜的允许值。根据数值分析结果建立了煤层底板水平变形、倾斜随采场沿倾向推进之间的线性关系,沿倾向总的开采阶段数不宜超过11个。     

深部开采底板采动破坏深度演化规律研究

针对深部开采工作面底板采动破坏带深度实测困难、已知实测数据极少的难题，采用数值模拟与井下钻孔注水试验相结合的方法，分别对林西矿深部工作面底板岩层完整区域、破碎区域底板采动破坏演化规律及深度进行了研究。注水试验实测结果表明：底板岩层完整区域采动破坏带深度为23.58 m,破碎区域采动破坏带深度为37.45 m。数值模拟结果表明：随工作面开采推进，岩层完整的底板采动破坏深度发育将经历“增长-稳定”的过程；岩层破碎的底板采动破坏深度发育将经历“增长-稳定-突增-稳定”的过程；底板赋存小构造(或裂隙)“活化”,并与底板采动裂隙联通，是导致岩层破碎的底板采动破坏深度加大的根本原因。     

承压水体上岩浆岩底板采动效应的数值分析

为防治卧龙煤矿首采区的底板突水,根据首采区煤层底板地质特征,分析了底板岩浆岩岩性及其组合特征,考查了太原组灰岩水的富水性和水压情况,并采用了应变软化本构关系,建立地质力学模型.运用快速拉格朗日元法对承压水体上底板的采动效应进行了数值模拟,分析了应力、位移场,确定10煤回采底板破坏深度为13 m.结果表明底板导水裂隙带深...     

深井大断层工作面围岩应力数值模拟

运用FLAC3D数值模拟软件对首采区应力进行了数值模拟,巷道两帮应力集中程度较高,高于垂直应力;巷道底部岩层交界面及两侧边缘位置应力集中程度特别高,顶板两侧肩角应力集中程度明显,容易切顶冒落;巷道顶、底板5 m左右水平应力高度集中。分析得到顶板岩层的运移规律:当工作面沿断层边缘或者朝向断层方向开采,临近断层侧超前支撑压力与原岩构造应力叠加强烈,矿压显现将明显增加。     

煤层采动围岩破坏及断层活化特征分析

通过收集整理东滩煤矿一采区断层水文地质资料,采用FLAC~(3D)数值模拟软件对一采区F_2断层围岩采动破坏进行模拟研究,并对断层活化特征及导水裂隙带发育规律进行分析。结果表明,煤层开采时断层影响围岩破坏,且对顶板的破坏程度大于底板;不同的开挖步距影响断层活化,开挖步距为10和20 m时出现断层活化位置相同,开挖步距为20和40 m时断层活化加剧的位置相同;开采工作面距断层带越近,导水裂隙带发育高度越大,开采至断层带时达到最大值140 m,过断层后出现回落;由于3煤上覆隔水层厚度远大于导水裂隙带高度最大值,故无需专门留设防水安全煤柱。     

综放开采下组煤首采面上覆老空水探查及突水危险性评价

为了探究左权五里堠煤业上组煤老空区富水性及其对下组煤首采工作面突水的危险性,以下组煤首采面为研究背景,系统分析了研究区上下2组煤层顶底板岩性组合及水文地质条件;根据物探探测结果,在下组煤首采面巷道先后施工了20个探放上组煤老空水钻孔,发现上组煤老空水存在局部水量大、水压高、富水性分布不均的特点。在此基础上,建立了上下组煤层开采顶底板的工程地质数值模型,采用数值模拟方法对上组煤和上下组煤开采完毕后的应力场及塑性区场变化特征进行了对比分析,得到上组煤层开采后底板破坏深度为11 m,下组煤开采后导水裂隙带高度为112 m,没有波及上组煤底板破坏深度范围,与首采面实测涌水量反映的规律是一致的。根据首采面及附近2个钻孔的资料,采用2种相关经验公式类比计算了下组煤开采导水裂隙带高度,优选了可靠性较高的经验公式。     

深部倾斜煤层采动底板破坏演化特征分析

为研究深部倾斜煤层底板破坏特征及破坏深度,以羊东煤矿8469工作面为研究对象,采用理论分析、数值模拟和现场实测相结合的方法,对煤层采后底板应力分布规律、塑性区发育特征及破坏深度进行了研究。通过数值模拟与理论分析可知:煤层开采后,作用在周围煤岩体上的支承压力产生不同的应力分区。沿煤层走向方向,应力呈对称性变化,形状近似马鞍状,在工作面两端处产生应力集中;沿煤层倾向方向,倾斜剪切力的存在使底板岩体由采动破坏转变成滑移破坏,塑性破坏区和应力变化大致呈勺型分布形态,最大应力集中区出现在工作面下侧。随着工作面向前推进,底板破坏范围相应增大,但推进255m后,破坏深度不再增加。现场实测表明,底板浅部岩层最早受到扰动,且受到的扰动程度最高。扰动范围随最大注水量的减少而增加,在底板下25m范围内的岩层受影响较小。由此可知,该工作面底板破坏深度为25.0～29.2m。     

龙东煤矿F_孙断层煤柱留设的数值模拟研究

为了研究断层带对煤层开采的影响,以龙东煤矿东二采区F_孙断层岩体地层为原型,根据采区地质特征,运用FLAC~(3D)建立数值模型,模拟煤层开挖。根据数值模拟结果,判断不同断层煤柱条件下采空区塑性变化及煤层顶板应力变化情况,从而合理设置断层煤柱。研究结果表明:随着采煤工作面的不断推进,采空区顶底板破坏越来越严重,当工作面推进95 m时,采空区顶底板破坏严重且与断层邻近的地层受到破坏,从而导致断层破坏,成为导水断层,引发煤层突水事故。同时,对煤层推进95 m时,煤层顶板的应力特征进行分析,得出断层煤柱合理留设宽度为55 m。     

双承压水间采煤顶底板破断及渗流规律

以山西某煤矿双承压水间下组煤开采为背景,针对煤岩应力-渗流耦合机理,采用相似材料模拟和离散元数值模拟,揭示双承压水间下组煤不同开采尺度下岩体断裂模式和渗流规律,提出顶板导水裂隙带发展模式,并建立底板“四带”形成与工作面开采过程的对应关系。研究发现：初采期间底板仅发育矿压破坏带,达到充分采动后,新增损伤带及采动导高带开始出现,新增损伤带主要集中于工作面下方。采动岩体应力-渗流耦合效应归结为：煤层开采导致顶板破裂和应力的降低,顶板岩体渗透性能增大,太灰水透过顶板裂隙渗入采空区和工作面;底板隔水层在奥灰高承压水的楔劈作用下发育导高裂隙并导升。当残余水头压力无法继续劈裂隔水层岩体抗拉强度,底板岩层重新恢复到应力-渗流稳定状态。     

带压开采首采工作面底板破坏深度研究

为得到离柳矿区柳家庄煤矿8号煤层首采工作面底板破坏发育特征,采用数值模拟及现场实测相结合的方法,研究了80101首采工作面底板破坏裂隙的发育形态及深度、不同工作面宽度条件下的底板破坏深度发育特征;根据压水判别依据,确定了5组底板破坏探测孔裂隙发育深度的实测数据。数值模拟结果表明:未受相邻采场采动应力影响下的首采工作面底板破坏深度发育较小,底板破坏在工作面走向上呈倒马鞍形,即工作面端部两侧底板破坏深度最大,最大破坏带向外侧倾斜为剪切破坏为主;工作面中部底板破坏深度小,以拉张破坏为主;底板破坏深度受工作面宽度影响较大,底板采动破坏深度与工作面宽度呈线性变化。现场实测结果表明,柳家庄煤矿80101首采工作面底板破坏深度为16.32~16.92 m,验证了数值模拟的有效性,同时为离柳矿区下组煤带压开采提供了基础资料。     

华北型煤田下组煤开采围岩破坏规律研究

为了防止华北型煤田下组煤开采因围岩破坏致煤层底板奥灰突水,基于FLAC3D数值模拟软件,建立了下组煤开采试验工作面数值模型,利用光纤光栅传感器技术,监测了工作面回采过程中底板突水信息,通过数值模拟与监测结果的对比,获得了工作面煤层顶底板应力与破坏特征.结果表明:试验工作面初次来压步距为35～40 m,周期来压步距为10～20 m;工作面底板存有3个应力分区,即应力增高区、应力降低区和应力恢复区;煤层顶板破坏形态为沿走向和沿倾向方向“马鞍形”的叠加;试验工作面煤层底板破坏深度10.0～12.5 m,开切眼与终采线位置附近煤层底板破坏深度均达22.5 m,终采线位置附近煤层底板破坏深度大是试验工作面突水的主要原因.