煤炭地下气化温度场和裂隙场的演化规律

对国内某煤炭地下气化现场气化煤层的顶底板岩石不同温度下的热力学参数资料进行了收集整理,建立了岩石及煤比热容和导热系数随温度变化的拟合曲线方程,并采用COMSOL模拟了研究区地下气化的温度场分布。根据温度场模拟结果运用FLAC~(3D)软件对研究区的覆岩裂隙场进行了数值模拟,证明了数值计算模型及其结果的合理性。     

煤炭地下气化过程中温度-应力耦合作用下燃空区覆岩裂隙演化规律

进行了高温下泥岩和砂岩的热物理性质实验和单轴压缩实验，获得了不同温度下岩石比热容、导热系数、弹性模量和单轴抗压强度等基本物理力学参数。基于热力学与弹性力学理论，建立了考虑岩石损伤演化的温度-应力耦合作用控制方程，并以某煤炭地下气化现场的工程地质条件为背景，对温度-应力耦合条件下燃空区覆岩温度场和裂隙场的演化规律进行了数值模拟研究。最后，采用现场钻孔观测试验法对燃空区覆岩断裂带发育高度进行了探测。现场探测结果与数值模拟结果基本吻合，证明了数值计算模型及预测结果的合理性。     

薄基岩近距离煤层开采"水-岩"致灾演变模型及规律研究

为研究薄基岩近距离煤层开采的"水-岩"致灾演变规律,建立了薄基岩覆岩裂隙扩展渐变破坏模型并分析了岩石的3种破坏模式,从平面及空间角度揭示采动覆岩岩体裂隙扩展过程中的渐变失稳破坏发育特征;构建覆岩岩体破坏致灾演变力学模型,从力学角度上解释覆岩破断致含水层突水致灾过程。结合工程实例,采用UDEC及FEFLOW数值模拟软件分别建立数值模型,模拟分析近距离煤层回采覆岩失稳破坏特征及地下水体运移渗流特征,揭示采动条件下地下水体运移致灾演变规律。研究结果表明:开采活动破坏了地下水体原有的渗流规律,近距离煤层的重复采动极大地增加了覆岩岩体内裂隙密度及宽度,裂隙带内的渗透性增加,覆岩裂隙是水的渗流、运移的主要通道,导水通道的拓宽从而导致突水致灾危险性增加。     

煤炭地下气化温度场动态扩展对顶板热应力场及稳定性的影响

为探索煤炭地下气化过程中煤层温度场扩展对顶板应力的热影响,利用相似材料制作大尺度顶板模拟内蒙古乌兰察布褐煤层顶板泥质软岩,对煤层温度场动态扩展条件下,顶板应力场扩展过程及顶板稳定性进行实验研究。结果表明,在模型实验中,顶板热应力的最大值可达1.5 MPa。在氧化区培育阶段和气化阶段,煤层温度场沿通道轴向平均扩展速率分别为0.018,0.028 9 m/h,顶板热应力场沿通道轴向扩展速率分别为0.015和0.027 m/h。氧化区培育阶段煤层温度场扩展主方向与裂隙方向一致,煤层温度场动态扩展与顶板热弥散的双重作用使顶板应力场的扩展速率逐渐趋近于煤层温度场扩展速率。同时,泥岩顶板受高温影响在垂直气化通道方向形成稳定的拱形结构,可维持顶板在垂直气化通道方向的区域稳定。     

高温对煤炭地下气化围岩损伤的影响

煤炭地下气化是煤炭无害化开采技术创新战略方向之一，该技术可以回收老矿井废弃煤炭资源，对传统采煤技术难以开采的煤炭资源进行原位清洁转化。气化过程中燃空区形成带来的结构应力和高温造成的热应力共同作用对岩石造成损伤。以大城勘查区深部煤层为气化对象，得出典型围岩热物性及力学参数随温度变化规律。基于连续损伤力学理论，在平滑Rankine损伤模型的基础上提出高温岩石损伤变量模型，使用COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件对深部煤层地下气化过程围岩温度、主应力、损伤变量进行模拟研究。结果表明，5种典型岩石的比热容随温度升高整体呈上升趋势，导热系数随温度升高整体呈下降趋势，抗压强度和弹性模量随温度变化规律差别较大。围岩受温度影响范围随气化时间呈指数变化，气化10 d时，温度影响范围仅为3.27 m;气化50 d时，温度影响范围达到5.73 m;气化100 d时，温度影响范围为8.21 m;气化400 d时，温度影响范围达到18.20 m。结合地下气化过程中普遍采用的控制注气点后退气化法，岩石处于高温区的时间在40 d左右，温度场对围岩的影响范围约为4.7 m。燃空区上方及两端均出现损伤...     

综放面覆岩破裂数值模拟及高位钻场参数优化

基于准确划分煤层上覆岩层"竖三带"的煤层法向分布范围,根据鹤壁九矿长壁综放工作面开采技术条件和岩石力学性能等参数,建立力学模型,运用岩石破裂过程分析软件RFPA2D,对上覆岩层随工作面推进时的变形、冒落情况进行了数值模拟,得到了顶板由变形到破坏的全过程及其破坏的规律。用经验公式对覆岩裂隙带高度进行了计算,综合判定了工作面上覆岩层的裂隙带高度为23.5～55m,高位钻场抽采参数优化后,其平均抽采量达到7.36m3/min,较好地解决了采空区瓦斯涌出问题。     

覆岩裂隙带发育高度数值模拟和现场实测

根据武所屯煤矿开采技术条件和岩石力学参数等,建立数值计算模型,运用数值模拟软件FLAC3D对上覆岩层随工作面推进时的塑性区破坏、应力分布,以及垂直位移变化情况进行数值模拟,采用应力判别法确定覆岩导水裂隙带高度,并采用经验公式法和现场实测对覆岩破坏高度进行了验证,结果表明:采用数值模拟的方法预测覆岩破坏高度具有较高的准确性和优越性。     

基于PFC的覆岩破坏高度数值模拟及实测分析

为了直观、清晰地掌握煤层开采覆岩裂隙发育演化情况,确定覆岩破坏高度,归纳相对应的演化规律,以伊犁矿区为试验研究对象,采用离散元颗粒流软件PFC3D建立数值模拟三维模型,依据现场测得的宏观参数,模拟工作面推进160 m时各煤层采高范围覆岩破坏情况,并采用钻孔实时彩色成像技术对PFC3D模拟情况进行全面验证.研究结果表明:...     

沟谷地形下煤炭资源开采覆岩导水裂隙发育规律模拟研究

为探索沟谷地形下煤炭资源开采覆岩导水裂隙发育规律,利用FLAC软件建立了沟谷地下煤层开采数值模拟模型,研究了煤层至沟谷之间不同垂直距离的覆岩导水裂隙发育规律。研究结果表明:随着煤层至沟谷垂直距离的增加,沟谷底塑性区高度变化不大,约8 m,而煤层上覆塑性区高度随之增加,当煤层至沟谷垂直距离为25、35、45、55、65 m时,其煤层上覆塑性区高度分别为14.5、14.9、15.6、16.1、16.5 m;覆岩有效隔水厚度随着煤层至沟谷垂直距离的增加而增加,煤层至沟谷垂直距离愈大,则覆岩与沟谷地段越不容易形成贯通导水裂隙。     

煤炭地下气化模型试验研究现状与发展

为探索模型试验在煤炭地下气化研究中的作用,阐述了煤炭地下气化模型试验气化炉的结构特征、燃空区扩展规律及气化工艺.研究结果表明,模型气化炉虽不能完全模拟地下煤层赋存条件,但可在煤层和岩层中设置温度、压力、组分和应力等测点,获得现场难以测得的温度场、压力场、浓度场和应力场等物理场;可对不同赋存条件下煤层的燃空区扩展形状及规律展开直观研究;气化工艺模型试验不仅可获得与现场试验相同的工艺参数,也可开展煤炭地下气化过程中污染物析出与迁移规律的研究,并用于现场生产.最后,提出了模型试验的发展方向.     

基于计算机模拟的煤炭地下气化场覆岩运动规律分析

顶板控制和覆岩破裂规律研究是井下开采支护的理论基础。以张家口蔚州煤矿地下气化场煤层为研究对象,利用计算机仿真技术模拟了"三带"发育、覆岩结构规律、围岩剪应力分布、煤层支撑压力分布、燃空区厚岩层载荷分布以及覆岩垂直位移变化规律。该研究为煤矿井下气化场煤层覆岩支护措施的设计提供了参考。     

云冈煤矿8615-1工作面采动裂隙演化规律研究

根据云冈煤矿8615^-1大采高工作面煤层赋存情况和开采技术条件,构建FLAC^3D数值模型,通过设置边界条件,研究了厚煤层大采高工作面随着开采距离不断增加采场上覆岩层的应力场、位移场和围岩破坏规律。研究结果能够指导厚煤层大采高工作面开展采场围岩控制。     

大倾角煤层开采大型三维可加载相似模拟试验

由于煤层赋存条件特殊,大倾角煤层开采采场围岩空间应力分布及演化、围岩运动特征复杂。现有三维模型试验平台存在模型加载、空间开采与监测等技术缺陷。通过采用新型三维可加载模型试验系统,实现模型均布加载、密闭空间开采模拟等技术创新,对枣泉煤矿120210工作面大倾角煤层开采进行大型三维可加载相似模拟试验研究,得出在工作面上部区域覆岩垮落充分、裂隙发育,关键域形成层位高,下部区域覆岩垮落不充分,关键域形成层位低,覆岩空间垮落呈非对称拱壳形态,上部区域应力值、来压强度、支承压力区应力集中系数等特征量明显大于下部区域。以上结果验证了大倾角煤层开采围岩空间结构形态和应力演化规律。     

巨厚砾岩与逆冲断层控制型特厚煤层冲击地压机理分析

以某典型冲击地压事故为背景,通过理论研究和现场勘查,研究了巨厚砾岩与逆冲断层控制下特厚煤层工作面冲击地压致灾机理和防治方法。通过对地层结构与开采形成覆岩空间结构的研究,建立了侧向静态支承压力估算模型,得到了21221工作面上覆岩层空间结构与应力分布规律;估算了巨厚砾岩传递应力、自重应力与F16逆冲断层及相变带构造应力的叠加总应力,该应力超过了该矿的临界冲击应力;特厚煤层在叠加应力作用下发生塑性滑移,逐渐形成滑移线场,并产生塑性膨胀,导致巷道围岩应力增加,在外部扰动应力作用下,煤体发生瞬间大范围滑移是发生冲击地压的主要原因。针对这类冲击地压的致灾机理,通过合理设计巷道平面位置以避开传递应力峰值区域、采用半煤岩巷道以减小滑移线场范围和合理设计煤层大直径卸压孔参数以改变煤体滑移方向等措施,有效治理了该类冲击地压。     

浅埋沿空留巷切缝顶板断裂条件及移动规律研究

根据浅埋煤层顶板断裂后岩块间水平挤压力较小难以形成砌体梁的特点,分析了切顶卸压沿空成巷下的巷道顶板断裂结构,建立了下位切缝上位弯曲裂缝的双边悬臂梁的断裂力学模型,推导了沿空巷道侧向基本顶沿切缝结构面裂缝扩展断裂时的切顶工作阻力;建立了侧向基本顶两种不同顶板断裂位态下围岩结构数值模型,得出了两种断裂位态下的结构移动变形规律。当切顶阻力Q?ql时,巷道顶板沿煤壁内一定深度内断裂,空区侧弧形三角板直接顶的倒台阶悬臂结构可向沿空巷道围岩传递较大破断动载和覆岩移动压力;而当切顶阻力Q≥ql并与切缝联合切顶同时作用时,则可使得垮落带内直接顶和低位基本顶沿切缝结构面断裂滑落失稳,实现顶板断裂位态主动控制,减小弧形三角板侧向悬臂传递覆岩荷载的结构长度,优化顶板承载结构和围岩应力,降低巷旁支护体承受的附加荷载。同时切落后碎胀的矸石及时充填空区将上覆岩触矸点前移,减缓了上覆岩下沉和旋转变形作用力。哈拉沟矿浅埋薄基岩大断面复合顶板切顶成巷试验结果表明:沿空巷道超前切缝可减小侧向顶板区域支架工作阻力和直接顶垮落步距,降低岩板破断引起的冲击动载,实际切顶阻力与理论计算分析结果较为吻合。     

大倾角煤层变角度综放工作面开采覆岩运移规律

大倾角煤层变角度综放工作面受倾角变化的影响,覆岩运移、矿压显现规律更为复杂。针对枣泉煤矿大倾角煤层120210变角度工作面综放开采条件,采用物理相似模拟实验和现场监测方法,对比研究了大倾角煤层变角度工作面和单一角度工作面综放开采覆岩运移规律。研究表明:120210工作面受不同倾角的影响,覆岩运移规律较单一角度工作面差异大,上部区域倾角26°,覆岩运移特征表现出倾斜煤层开采的特征,基本顶以"悬臂梁"结构形式发生破断运动,顶板平均压力23.7 MPa,分布均匀;下部区域倾角44°,覆岩运移特征表现为大倾角煤层开采特征,顶板垮落的矸石沿倾斜滑移充填采空区,顶板平均压力29.5 MPa,分布不均、变化范围大;中部区域过渡段覆岩运移既有倾斜煤层又有大倾角煤层开采特征,顶板平均压力27.15 MPa,分布较均匀,是两者转换的关键区域。根据工作面不同倾角区域覆岩运移、矿压显现特征提出大倾角煤层变角度综放工作面开采围岩控制原则,并依据此原则提出工作面分区域顶煤放出量控制方法。     

远距离下保护层开采对上覆煤岩层卸压效果的影响

为探究晋城矿区下保护层开采对上覆岩层卸压效果,综合运用数值模拟和现场实测等手段,并以该矿区开采9号煤层作为3号煤层下保护层为工程背景开展研究。采用数值模拟手段研究下保护层开采上覆煤岩体卸压效果及被保护层煤体膨胀变形规律,并确定有效保护范围。研究结果表明:保护层回采后,上覆煤岩体出现分区卸压效应,卸压效果随与工作面垂直距离增加而降低;被保护层倾向卸压角为63°,走向卸压角为60°;采空区中部被保护层膨胀变形率保持在4‰左右,为稳定卸压区域。现场工业试验后,通过钻孔电视发现被保护层煤体受采动影响产生离层裂隙。煤层瓦斯参数测定发现,被保护层煤体瓦斯含量、瓦斯压力分别降低至开采前50%和60%,表明开采9号煤层作为保护层对上覆3号煤层卸压消突效果显著。     

大同矿区坚硬顶板大面积整体切冒分析

针对大同矿区坚硬煤层坚硬顶板及坚硬覆岩介绍了一种特殊的开采沉陷实例,即大同矿区"三硬"条件上覆岩层大面积整体突然切冒。从煤层特征、围岩性质、采煤方法及顶板控制等方面对影响顶板大面积一次性整体切冒的因素进行了详细分析,阐述了坚硬顶板大面积一次性整体切冒的机理,指出了其对井下采场和地表破坏具有突发性、随机性和滞后性。因此对大同矿区开采沉陷的治理具有重要意义。