承压水上开采工作面底板破坏规律相似模拟试验

 随着我国煤炭开采深度的增大,承压水上开采工作面底板破断、突水灾害正呈逐年递增的趋势。以峰峰矿区九龙矿深部承压水上开采工作面底板为研究对象,通过现场底板取芯、编录和室内试验,获得承压水上工作面底板含水层分布特征及底板岩层的力学参数,确保试验中现场参数的可靠性。采用自行设计的工作面底板水压模拟装置,进行承压水上工作面回采过程中顶、底板破断失稳特征的相似模拟试验,得到底板工作面回采过程中顶、底板应力变化规律。运用非接触的光学测量技术对全场位移值进行观测,得出底板位移场变化规律。通过“下三带”理论,计算九龙矿深部工作面底板岩层的最大破坏深度、承压水导升高度和有效隔水层厚度。模拟试验结果表明：九龙矿深部承压水上工作面开采底板存在明显的“三带”特征,采用新型的承压水模拟装置可以模拟承压水在采动作用下的卸压过程。     

分层开采底板岩层移动的现场观测研究

煤层开采会诱发底板岩层的变形和破坏 ,由此导致许多煤矿灾害的发生 ,最引人注目的是底板承压水的突出。对于厚煤层分层开采 ,由于第二分层及以下各分层开采时工作面围岩应力场与第一分层时具有明显不同的特征 ,将导致煤层底板岩层移动呈现不同的规律。介绍了分层开采煤层底板岩层移动的观测方法 ,提供了试验观测数据 ,并给出了分层开采煤层底板岩层的移动变形规律。试验成果对防治底板承压水的突出具有较大的意义。     

承压水上开采煤层底板隔水层裂隙演化 规律的试验研究

 奥陶系岩溶水是我国华北矿区煤矿安全生产的一大隐患,而带压开采是开采受底板突水威胁的煤层的有效方法之一。为深入分析承压水上煤层底板突水的危险性,自主设计煤层底板承压水水压加载系统,实现采用压力水袋对底板隔水层的承压水作用的物理模拟;分析底板隔水岩层的变形及破坏特征,得到底板隔水层的裂隙产生、发育直至导水通道形成规律。研究结果可为揭示承压水底板突水的力学机制提供参考。     

承压水上厚煤层底板变形破坏特征实验研究

采场底板稳定性影响因素很多,其中高承压水作用是底板隔水层裂隙发生、发育、扩展及造成底板变形失稳的关键因素之一。我国华北型矿区均受石炭二叠纪煤系底部的太灰、奥灰含水层影响,为此,分析承压水作用下采场底板矿压显现规律意义重大。通过相似材料模拟,分析承压水作用下底板岩层变形及裂隙发育规律。结果表明:沿工作面推进方向,按煤层底板变形特征可划分为5个区,依次为稳定区、压缩区、压缩-膨胀过渡区、离层膨胀区及压实稳定区;按底板破坏特征,自上而下依次为竖向张裂隙带、斜向穿层裂隙带、顺层裂隙带。研究结果可为承压水上开采底板失稳机理研究提供参考。     

固液耦合模式下含断层缺陷煤层回采诱发底板损伤及断层活化突水机制研究

针对具体地质条件,以现场试验数据为基础,采用相似材料试验及数值模拟相结合的分析方法,对含断层缺陷煤层回采过程中底板损伤破坏及断层活化规律进行研究,研究得出:采用内径不同的水管能够很好地反映底板岩层渗透性的空间差异性,通过采用调节注水管水柱高度的方式可以控制水压以满足设计要求;煤层埋深、承压水水压及断层落差越大越易突水,断层防水煤柱宽度越大越不易突水;通过试验及模拟计算再现了不同因素影响下煤层回采过程中底板采动裂隙形成、断层活化到突水通道形成的全过程,揭示了含断层构造底板突水通道的形成机制;研究结果对承压水上含断层缺陷煤层回采时防水煤柱的留设具有重要的参考价值。     

深部煤岩层复合结构底板破坏机制及应用研究

为研究平煤矿区深部岩石开采工作面底板岩体破坏机制,在传统的单一岩层底板塑性滑移线场理论基础上,构建三层复合结构底板塑性滑移线场力学模型,推导得出5种工况下底板最大破坏深度理论解;模拟分析不同推进度下底板岩体应力场分布规律及塑性变形特征;最后运用振弦式应变计实时监测十二矿己15–31040岩石开采工作面底板岩体微应变量,得到采面采前–采中–采后底板变形发育形态及破坏域。结果表明：(1)该工作面底板主动破坏区深度位于中层与下层结构岩层之间,属第三种工况,最大破坏深度理论解为17.08 m;(2)模拟实验发现了底板岩体破坏与损伤主要集中在开切眼及两巷下方,以塑性滑移破坏形式为主,破坏深度为17.1～17.9 m,且寒灰承压水导升高度小于石炭系底部铝土泥岩厚度,有效隔水层可抵御寒灰水导升;(3)实测数据显示底板破坏初始位置超前采面7.9m,以压剪破坏形式为主,临近采面底板岩体进入采空区后转化为拉剪破坏,破坏深度可达16.5～18 m,温度监测显示采动破坏带的下部岩体仍具有良好的抗渗性。理论计算与模拟实验及实测结果相一致,可为相似地质条件下煤岩层开采工作面底板水害防治提供理论指导和实践参考。     

承压水体上对拉工作面开采合理错距的确定

承压水体上对拉面开采的错距对底板岩层破坏的影响只是局部的和暂时性的。当工作面开采达到一定规模后，底板岩层破裂最大深度取决于宏观开采技术参数和地质条件。底板岩层现时的和最终的破裂深度不因开采错距的大小（5～30m）而改变，以淮北杨庄矿承压水体上对拉工作面开采为研究背景，通过现场矿山压力观测，数值模拟分析，认为对拉面错距在10m以内为宜。     

厚覆盖层条件下地下采矿引起的地表变形陷落特征模型试验研究

以某金属矿山为原型,运用地质力学模型试验,深入分析了厚覆盖岩层条件下地表变形陷落随不同开采水平的变化规律、不同开采水平下地表变形陷落范围的变化规律以及地表变形陷落随时间的变化规律。试验采用数码相机数字化近景摄影测量方法来量测采矿过程中地表及上、下盘岩体中的位移。本试验模拟了复杂的地质条件和自然崩落法的采矿过程。地表最大下沉位移主要集中在断层F1,F4之间的区域。采场顶板围岩具有明显的流变特性,蠕变曲线具有较明显的减速蠕变阶段、稳定蠕变阶段以及变形稳定阶段。在目前开采条件下,蠕变曲线都呈变形收敛形态。相对最终稳定时的总位移量,开采完毕瞬时位移占10%～35%,减速蠕变阶段所产生的位移约占43%～72%,稳定蠕变阶段所产生的位移占15%～25%,不难发现,绝大部分地表下沉位移主要发生在减速蠕变阶段。减速蠕变阶段约为7～8 d,最终变形稳定阶段约为46～50 d。通过对试验结果的深入分析,从-270 m水平起采明显优于从-200 m水平起采。根据试验结果,所提出的最优起采深度已被矿方所采用。     

厚覆盖层条件下地下采矿引起的地表陷落特征模型试验研究变形

以某金属矿山为原型，运用地质力学模型试验，深入分析了厚覆盖岩层条件下地表变形陷落随不同开采水平的变化规律、不同开采水平下地表变形陷落范围的变化规律以及地表变形陷落随时间的变化规律。试验采用数码相机数字化近景摄影测量方法来量测采矿过程中地表及上、下盘岩体中的位移。本试验模拟了复杂的地质条件和自然崩落法的采矿过程。地表最大下沉位移主要集中在断层F1，F4之间的区域。采场顶板围岩具有明显的流变特性，蠕变曲线具有较明显的减速蠕变阶段、稳定蠕变阶段以及变形稳定阶段。在目前开采条件下，蠕变曲线都呈变形收敛形态。相对最终稳定时的总位移量，开采完毕瞬时位移占10％～35％，减速蠕变阶段所产生的位移约占43％～72％，稳定蠕变阶段所产生的位移占15％～25％，不难发现，绝大部分地表下沉位移主要发生在减速蠕变阶段。减速蠕变阶段约为7～8d，最终变形稳定阶段约为46～50d。通过对试验结果的深入分析，从-270m水平起采明显优于从-200m水平起采。根据试验结果，所提出的最优起采深度已被矿方所采用。     

特厚煤层综放采动底板变形破坏规律的综合实测

为了探究兖州煤田兴隆庄煤矿特厚煤层综放开采对底板岩层的变形破坏规律,应用钻孔应变感应法和超声成像技术对该矿某综放工作面进行了综合实测,获得了底板下不同深度应变增量随工作面推进的变化曲线和工作面推进过程中不同深度钻孔超声成像图片资料。通过5个应变传感器监测数据和大量钻孔超声成像图片的关联对比分析,基本确定了该工作面采动底板扰动深度和矿压作用下支撑压力的影响范围。研究结果表明：①该工作面底板采动扰动深度约为19 m,具有较明显分带性,即可分为采动扰动破坏带和采动扰动变形带,带厚分别约为16 m和3 m;②采动扰动破坏带属于整体塑性变形,其强度条件已基本丧失,但采动扰动变形带仍以弹性变形为主,具有良好的承载条件和较强的抗渗强度;③采动矿压超前和滞后显现明显,其对底板影响程度具有由浅及深而减小的特征。该综合实测方法的成功应用不但为综放开采巷道支护、老空水防治等提供重要信息,而且对深部即将开采的下组煤能否安全带压采掘研究也将具有重要参考价值。     

Porosity zoning characteristics of fault floor under fluid-solid coupling

During exploitation approaching to faults structure, due to the influence of mining stress, the rock mass inside the fault zone and between the fault and the coal pillar is prone to damage and activate, so it is the key research and protection position. The dynamic response of faults is closely related to the failure process of rocks, and the influence of the change in mining-induced stress will also result in the differential distribution of the mechanical properties of floor, and ultimately affects the failure of floor and the outburst process of the confined water. In order to quantitatively analyze the influence of mining pressure on the porosity change of floor and water pressure distribution in coal seam mining process, the change characteristics of rock material mechanics parameters such as Young’s modulus, porosity, and permeability under the action of mining disturbance and confined water pressure were studied. A similar material simulation study on the water pressure and stress distribution of floor at different depths under different mining distance conditions was carried out. According to the results, the energy dissipation of coal floor rock mass is closely related to the change of porosity. Meanwhile, the changes in the porosity of rock mass under the action of uneven water pressure and the partition and distribution model of pore water pressure of the floor were established. When mining is carried out near the faults, the spatiotemporal position when and where the upper and lower boundaries of the fault zone in the lower water-resisting layer release energy at the same time is critical to the occurrence of water inrush.

     

高承压水上采煤底板突水通道形成的监测与数值模拟

 底板采动破坏及导水通道的形成是底板突水发生的必要条件,也是进行矿井突水的监测预报基础。以新义矿为例,采用现场监测及数值模拟等手段,研究高承压水上采煤底板采动破坏及突水通道的形成及演化过程,分析该过程中的底板电阻率、应力及孔隙水压力的变化规律。结果表明：高承压水上采煤底板受工作面超前支撑压力破坏严重,11011工作面底板破坏深度达到25 m,大于一般经验计算值;建立的基于流–固耦合底板采动破坏数值模拟模型更能准确、客观地反映底板破坏的影响因素,模拟的最大破坏深度为23.75 m,与现场监测结果接近;采动过程中的底板电阻率、应力以及孔隙水压力变化较好地反映底板破坏及突水通道形成、演化以及充水的整个过程,可作为矿井突水临突监测预报的重要信息源。     

采场底板断层防水煤柱留设研究

采场断层防水煤柱的合理留设关系到煤矿安全较大，其留设不仅要考虑断层本身的性质，还应考虑矿山压力这个因素。采场附近煤体划分为弹性区和非弹性区，但非弹性区不具有隔水性能。根据采场支承压力的分布特征，推导出非弹性区范围的计算公式；根据推进方向上采场底板应力分布特征，应用计算机模拟矿山压力高峰应力在底板中传播的方向，建立采场底板突水的力学模型，得出底板水通道是由断层和被矿山压力破坏的底板岩层联合组成的结论。其突出的条件为：煤层开采造成的底板破坏深度不小于底板高峰应力线与断层交点的深度。在此基础上推导出采场断层防水煤柱留设计算公式，并用实例验证该公式的合理性。     

断层倾角对断层活化及底板突水的影响研究

 针对含断层缺陷底板的受力特征,建立相应的简化力学模型,分析得到断层面上的剪切应力和法向应力表达式,并研究断层倾角对断层面上剪切应力、法向应力及断层活化的影响规律。同时运用RFPA2D-Flow软件,模拟不同倾角的正断层在采动影响下底板的裂隙分布、渗流分布及采空区底板涌水量变化特征。模拟结果在一定程度上揭示含断层构造底板突水通道的形成机制及断层倾角对底板突水的影响规律。研究表明,断层倾角越大,断层越容易活化与突水。研究结果对采场底板含断层缺陷时防水煤柱的留设具有重要的参考价值。     

Coal mining above a confined aquifer

Mining above a confined aquifer involves the risk of a water in-rush to the mining face through broken floor strata. Thus, safe mining should take into account the important factors which influence the fracture behavior in rock strata. From the geological point of view, these factors, on the one hand, include geological structures, mechanical properties and permeability of floor strata, the thickness of waterproof strata separating the coal seam from the confined aquifer, in situ stress state and hydraulic pressure of the confined aquifer. On the other hand, mining parameters factors include length and rate of the mining advance, the length of the mining face in the longwall mining system, and the face interval between the double mining panels if any. Focused on fracture behavior and extent in floor strata with reference to the double face mining above the confined aquifer in Yangzhuang colliery, People's Republic of China, this work includes a systematic and comprehensive study which covers the in situ survey of the geological structure and hydraulic process, laboratory experiments on the mechanical and permeating properties of rocks, and in situ measurement of stress and fluid flow in the floor strata and the pressure distribution in the mining gateways. To gain a better understanding and insight into fracture initiation and development in the floor strata during the mining process, both physical and numerical models were employed.The final fracture depth in the floor strata primarily depends on the geological and hydraulic conditions, while mining parameters are of secondary importance. From a comprehensive analysis of fracture behavior in the floor strata, the importance of an effective in situ survey for geological structures has been emphasized. The adoption of room and pillar or strip and pillar mining system is recommended to avoid a water in-rush catastrophe.     

含隐伏断层煤层底板损伤演化及滞后突水机理分析

基于对采动岩体流固耦合作用的力学响应以及底板岩体强度退化机制的认识,针对承压水体上采煤的岩体水力学模型,对底板隔水岩体的长期强度特征进行了分析,并用数值方法再现了含隐伏小断层底板在采动应力扰动和高承压水共同作用下采动裂隙形成、小断层活化、扩张、突水通道最终贯通形成的全过程。通过对损伤演化、应力场和渗流场的解读,揭示了开采扰动及水压驱动下完整底板由隔水岩层到突水通道的演化机理,对突水通道进行时空基准标定,并着重就小断层发育高度、承压水水压力大小对隔水底板的损伤演化模式及突水滞后时间的影响关系进行了分析探讨,从岩体强度退化及损伤演化机制的角度,为承压水体上采煤底板滞后突水的机理分析提供了一些新的认识。     

煤矿底板潜在突水危险区微震识别研究

为提高微震数据后期分析的直观性,便于对回采过程中底板潜在突水危险区的分析与识别,利用聚类分析法对某煤矿微震事件的时空分布进行了分析,结合现场开采活动,有效区分了微震事件聚集区。通过理论计算与数值模拟获取正常采动影响下顶底板破裂高度,对比研究微震事件聚类分析结果,将该矿微震事件分布在垂直方向上划分为高位异常区、正常影响区和低位异常区。结合现场工程地质概况与涌水量资料,确定低位异常区即为底板潜在突水危险区。利用研究结果,最终构建了底板潜在突水危险区微震识别的一般模式。     

基于有效应力概念的矿井临界突水系数修正及应用

 矿井底板突水和水压致裂具有同源的力学机制,都是确定岩石(体)破坏的临界水压(突水系数为单位厚度的临界水压)。从水压致裂理论分析得出,有效应力系数对其作用显著。针对矿井底板破坏突水问题,通过对突水实例模拟分析,从稳态和瞬态两方面深入探讨有效应力系数变化对煤矿底板破断突水过程的影响。基于有效应力概念,推导煤层底板在不同渗透状态下临界突水系数的公式。最后,根据矿井底板不同的渗透特性,提出修正突水系数的计算方法和现场测试使用方法,对深刻理解岩体破坏突水的渗流力学本质、突水系数的内涵、指导底板注浆防渗设计,具有重要的理论和实用价值。     

近距离煤层群上行开采工作面巷道布置研究

钱家营矿主采煤层以典型的近距离煤层群形式赋存,为解决钱家营矿近距离煤层群开采中由于村庄压煤而面临的采掘衔接困难问题,对下部12_-1煤层开采的保护范围进行计算,并通过理论分析、数值计算、相似材料模拟试验等方法,分析了12_-1煤层开采后对9煤层的影响和破坏程度,研究了12_-1煤层回采后上覆岩层变形和应力变化以及煤柱区域垂直应力变化特征。结果表明:下部12_-1煤层开采后,对9煤层具有保护效果,采动影响系数K值为10.8~13.0,煤层破坏程度在30以内,9煤层总体形态较好,处于12_-1煤层的裂隙带中,应力降低明显,卸压效果显著。提出跨煤柱巷道布置方案,进一步减弱了采动影响。现场监测表明运用上行开采跨煤柱巷道布置方式对解决钱家营矿近距离煤层群的开采问题效果良好。