条带开采覆岩应力响应机制及移动变形规律研究

条带煤柱长期承受覆岩载荷,同时受采空区积水、邻近采动等因素的影响,发生失稳的可能性大大增加。条带煤柱失稳导致覆岩与地表再次运动,成为地表灾害的潜在隐患。为了对条带煤柱覆岩运动演化特征进行深入分析,以典型地区条带开采采空区覆岩运动演化特征为研究对象,运用FLAC3D软件对条采采空区覆岩的应力响应机制及移动变形规律进行了分析研究。研究结果表明:条带煤柱失稳后,煤柱顶板垂直应力由双峰变为单峰,峰值且相较于失稳前增加;地表沉陷量及水平移动均出现大幅度增加,对地表建构筑物构成极大危害。通过研究条采采空区覆岩应力响应机制及移动变形规律能够对条带开采区域地表下沉进行精准预测,对防治条带开采时煤柱失稳造成灾害提供了理论依据,同时对地表建构筑物的建设及安全防护提供科学指导。     

采空区稳定性评价及处治对策

根据煤层开采后影响上覆岩层及地表而产生移动和变形的时间的变化关系定性分析采空区稳定性,而且采用FLAC3D模拟了在施加地面建筑载荷后地表变形情况,确定了采空区需要处理的范围;依据建筑物荷载集度及其重要程度,采用了不同注浆处治对策.通过对采空区上覆岩体的沉降和建筑物沉降监测数据的统计分析,评估了处治效果.     

基于FLAC3D和DEM数据的缓倾斜煤层开采沉陷分析

宁夏石嘴山矿区位于西部黄河流域,其煤矿采空区沉陷导致地表生态和环境问题频发,对其采煤沉陷分析将对西部黄河流域煤矿区的环境修复有一定的积极作用。为研究缓倾斜煤层采空区围岩应力与位移场演化特征,以宁夏石嘴山矿区为对象,基于FLAC3D数值模拟软件,建立缓斜煤层开采三维数值模型,计算分析采空区围岩应力、塑性区及位移变化规律,并基于两时相DEM叠加统计分析地表位移变化,与数值模拟结果进行相互验证。结果表明:地下开采引起应力重分布,采空区顶板及煤柱出现明显的应力集中现象,最大主应力呈现从煤层顶板向地表递减的变化趋势;越靠近采空区顶部的岩层垂直位移越大,随着远离采空区逐渐减少,开采完成后地表垂直位移最大值约12 m;随着采空区面积的不断增大,采空区四周及角隅处塑性区逐步延伸扩大,且以剪切破坏为主;地面沉陷盆地不对称,2个沉降中心均发生在沉陷盆地中部且偏下山方向,下山方向比上山方向影响范围更大;数值模拟计算的沉降量与两时相DEM叠加统计分析的变化量结果及趋势基本一致,研究成果可为煤炭安全开采提供参考依据,为地表沉降监测提供新方法。      

上行开采缓倾斜煤层群围岩稳定性分析

为了研究缓倾斜煤层群下覆煤层开采时层间岩层的破坏规律以及影响上覆煤层开采的安全因素,采用相似材料实验建立两槽缓倾斜煤层上行开采平台。观测下覆煤层开采过程中采空区顶板产生裂隙、断裂、冒落和离层情况,利用位移传感器采集到的上覆煤层下沉数据分析其整体稳定性并记录上覆煤层顶板周期来压步距。采用FLAC3D软件建立模型进行数值模拟对比验证分析,找出下覆煤层工作面推进距离与上覆岩层活动规律的关系以及采空区影响下上覆煤层的纵向位移。结果表明:下覆煤层顶板冒落岩梁排列整齐,碎胀系数小,无法完全填充采空区,使岩层上部产生离层和裂隙,冒落下来的岩梁发生折断并形成稳定结构,上行开采引起上覆岩层的纵向变形与破坏,产生大量采动裂隙,表现为上覆煤层发生台阶错动最终形成一个沉陷区域,周围岩层向区域中心倾斜,影响上覆煤层顶板稳定性。由相似材料实验与数值模拟得到上覆煤层监测点下沉情况对比现场具有较好的吻合性,验证了实验模拟的正确。所得结论也可为相关问题提供有益的借鉴与参考。     

基于极限分析法和数值模拟的条采岩层稳定性分析

为解决红阳二矿西三下部采区村下压煤问题,保证村下采区稳定安全,实现矿区可持续开采,以该采区压煤开采地质条件和煤层赋存情况为研究基础,应用轴向力作用下岩层稳定性极限平衡分析法进行理论分析,结合采煤沉陷预计软件对地表移动变形进行预计,利用数值模拟对理论分析和沉陷预计的结果进行合理性验证,综合以上研究过程得到如下结论:(1)村下压煤条采,沿采空区倾向,顶板位移从两边到中间呈增大趋势,且在采区中间位置达到最大位移值979.3 mm;(2)从采空区顶板至地表,沿采区垂向,岩层位移值呈减小趋势,在地表处达到最小位移值3.45 mm;(3)在采深760 m时,村下采空区上覆岩层应力分布重新达到平衡,可保持稳定大约10年,采深达到815 m时,采空区及上覆岩层逐渐趋于稳定并维持大约5.6年;(4)采煤沉陷预计地表最大沉降值W=720 mm;最大曲率值K=0.005×10~(-3)/m;最大水平变形值ε=0.45 mm/m;(5)数值模拟分析结果与极限分析法、采煤沉陷预计结果一致,可为村下压煤开采提供稳定性判据,避免了采区采动损害引发地表塌陷灾害。     

薄基岩条带开采覆岩与地表移动数值模拟研究

通过数值模拟模型，分析了薄基岩条件下条带开采引起的覆岩破坏机理、地表的下沉和水平变形等移动变形值，揭示了薄基岩条带综放开采引起的上覆岩土层的应力场、位移场及地表的移动变形规律，为薄基岩条件下条带开采覆岩与地表移动变形的工程地质机理的研究奠定了基础。     

厚松散含水层下固体充填采煤岩层移动控制与实践

为了避免近厚松散含水层下煤层开采地下水溃入工作面,对五沟煤矿CT101工作面采用固体充填采煤技术,通过FLAC~(3D)数值模拟软件分析了固体充填采煤地表下沉、岩层移动、支承压力分布和覆岩破坏高度特征,在此基础上,揭示了固体充填采煤岩层变形破坏过程。研究结果表明,固体充填能大幅度减小岩层和地表的移动变形,降低工作面周围支承压力和导水裂缝带高度;固体充填采煤上覆岩层移动变形分为未充填采煤、固体充填体填入和充填采煤推进3个阶段,充填前顶板弯曲变形产生微小断裂,充填后固体充填体支撑了悬露的顶板,限制了顶板进一步断裂。最后通过现场工程实践,得出CT101工作面充填综采工作面的岩层移动控制效果良好,导水裂缝带高度仅为9. 58 m,实现了厚松散含水层下煤层的安全开采。     

贵州水城煤矿上覆岩层破坏机理及地质环境灾害预测

山区煤矿地质构造复杂,采煤导致矿区地表变形形式与平原地区有很大差异。以贵州水城煤矿为例,依照其工程地质条件及开采方式,选取贯穿矿界的3条地质勘探剖面,利用FLAC3D有限差分软件对开采过程进行数值模拟,预测采煤引起上覆岩破坏机理和地表破坏形态。研究结果表明:前期阶段上覆岩层破坏和地表下沉最为明显,随着采区向深层延伸,地形起伏增大,倾斜的覆岩组合特征和岩性发生改变,地表不会形成类似平原地区的沉陷盆地和沉陷漏斗,而是产生大量裂缝;上覆岩层破坏表现为出现贯通的拉张裂隙带,尤其在沟谷等应力集中区域更为明显,将会改变矿区原有水文地质条件,不排除局部地表水出现疏干的状况。最后结合上覆岩层变形量及破坏机理,对采区可能引发的地质环境灾害进行了预测。研究成果对山区煤矿土地复垦和矿山地质环境评价提供了参考。     

特大采空区上覆岩层地压与地表塌陷灾害监测研究

大红山铁矿采用无底柱分段崩落法开采形成了3个规模巨大的采空区,采空区上覆岩层移动与地表开裂塌陷将导致露天采场发生滚石地压灾害、井下采场产生空气冲击波次生地质灾害、地表与井下发生泥石流地质灾害等。针对上述问题,采取了多通道微震监测、非接触式岩移实时监测、基于手持式GPS仪的地表开裂范围监测和基于全站仪的地表沉降与水平移动监测的多种综合地压监测手段,对上覆岩层崩落高度、上覆岩层下沉变形量、地表开裂范围和地表沉降与水平移动等进行了监测,通过两年的监测获取了大量的监测数据,经分析表明,采空区上覆岩层崩落高度约在+1 090⁺1 060 m,上覆岩层+1 090 m平巷内观测点累计沉降量为1 350 mm,地表开裂范围位于以岩移角为75°划定的地表岩移范围内,地表测点最大累计沉降与水平移动量为1 779与948 mm,上覆岩层与地表的变形移动活动处于稳定渐进可控的状态,目前不会发生上述地压地质灾害。     

采空区上方建筑物地基附近的地表沉陷

根据载荷作用线上水平位移的特征和采空区上覆岩层破断后的结构形态,确定了位移边界条件;给出了采空区上方任意点的沉降位移、地表沉陷、地表水平位移以及建筑群引起的地表沉陷;探讨了在采空区和建筑物载荷的共同作用下地表的移动特性。研究结果表明:建筑物引起的地表沉陷与建筑物和采空区的相对位置有关;建筑物附近的地表下沉随着采空区上覆岩土层厚度的增加而减小,呈非线性变化;在沉降范围内,建筑物两侧地表的水平位移均匀分布,方向相向,均指向建筑物。      

济南市某铁矿采空区影响范围数值模拟

以济南某采空区为例,基于FLAC3 D数值模拟程序对采空区的稳定性进行数值模拟分析,获得了铁矿开采后采空区的应力及位移分布规律,在采空区上方确定了一个长为65 m的地表沉降严重区.数值模拟结果与经验公式计算的结果基本吻合,证实该方案合理,说明了采用数值模拟分析采空区的稳定性是可行的.     

多煤层开采覆岩移动及地表变形规律的相似模拟实验研究

以离石—军渡高速公路下伏康家沟煤矿采矿地质条件为原型,采用相似材料模拟实验方法,对多煤层开采引起的覆岩移动及地表变形规律进行了研究。相似模拟实验结果表明:多煤层开采条件下,随着煤层累计采厚的增加,采空区"三带"覆岩下沉量和采空区地表沉降量、地表倾斜变形、地表水平位移及地表曲率变形都呈增大趋势,采空区上覆岩体更加破碎,地表变形更加强烈。研究成果可为高速公路下伏多煤层采空区的治理设计提供依据。     

采空区地表沉降影响因素研究

采空区地表沉降影响因素众多,以有限元软件ANSYS为基础,利用数值模拟方法的灵活性,分别对各主要影响因素进行分析.选用适合于岩土类材料的德鲁克-普拉格本构模型,利用ANSYS特有的"杀死单元"命令模拟矿体被采出,再通过"激活单元"命令模拟采空区被填充.分别研究了开采深度、开采厚度、地形条件、采空区填充等因素对地表沉降的影响.结果表明:随开采深度的增加,地表变形随之降低;随开采厚度的增加,地表变形增长较快;随着地形坡度的变化,采空区地表移动盆地逐渐向地势较低方向移动;矿体开采后及时充填,对控制地表变形效果显著.     

卧龙湖煤矿102工作面顶板采动效应研究

基于卧龙湖煤矿的岩石力学测试资料,运用FLAC3D数值模拟软件,分析了102工作面在回采过程中的应力重分布、覆岩的变形和破坏特征。数值模拟结果表明,随着工作面的向前推进,垂直方向应力和位移成增加的趋势,采空区中间部位岩体位移近于垂直方向。研究结果为工作面布置方法、顶板支护方式的选择和采区设计提供了依据,为顶板事故的预防提供了参考资料。     

煤层开采后覆岩稳定性物理模型及数值模拟

选取鄂尔多斯盆地某典型的煤矿区,通过FLAC~(3D)数值模拟、相似材料模拟以及理论计算,对煤层开挖后上覆岩层稳定性进行模拟研究,预测多种采动下地层动力学发生失稳及周围岩体应力重分布的规律及影响范围。研究结果表明,FLAC~(3D)能够较好地模拟煤层开挖给上覆岩层带来的影响;煤层开挖后,采空区上方竖向位移呈现中间大,两边小的趋势;采空区的影响范围略大于开采范围。     

南水北调中线工程郭村矿采空区段稳定性研究

南水北调中线工程禹州市郭村煤矿采空区地表形成了长1 700 m、宽400 m的移动盆地,采空区上覆岩体为典型的“三带型”（冒落带、断裂带和弯曲带）。通过布设高精度监测网,研究了施工前后采空区地表变形特征,监测结果表明,施工前,采空区地表移动已基本结束,处于稳定状态;施工期间,注浆造成应力重新分布,注浆区域内地表变形有明显振荡,而对注浆区域外的地表影响不大;施工结束后,地表变形均趋于稳定。采用FLAC3D有限差分软件,分别计算了渠道运行期间无渗漏、一般渗漏和严重渗漏3种工况下渠道和采空区变形和应力分布规律。计算结果表明,随着渗漏的严重,竖向位移和影响深度增大,但是增幅减小,最大值可达5.5 cm;影响宽度区域沿着渠道对称分布,均匀增大;水平位移逐步增大,且增幅增大,但最大值为7 mm,影响较小;采空区灌浆加固使应力重新分布,仅在采空区两端产生应力集中,渗漏工况下渠道过水荷载所产生的附加应力与自重应力相比很小,对采空区稳定性影响不显著。     

深部采动覆岩移动变形致灾的试验分析

针对深部开采条件下覆岩移动变形引起的安全问题,采用理论分析、相似材料模拟试验结合的方法,通过监测相似材料模拟深部煤炭开采过程中覆岩位移、应力变化情况及覆岩的断裂破坏、弯曲和移动变形的过程,对比分析了采场覆岩体的移动变形、应力场演化过程和采动应力的影响区域.试验结果表明:在深部倾斜煤层开采过程中,沿着采煤工作面形成了应力升高区、应力降低区和原岩应力区;对孤岛工作面进行开采时,新旧采空区容易因上覆岩层的垮落塌陷连通成整体,极易发生矿井动力灾害;布置孤岛工作面的巷道位置时建议考虑布置在采空区的应力降低区内,并且煤柱宽度不应大于10 ～ 12m,最佳选择为6～8m.     

基于巨厚岩层-煤柱协同变形的煤柱稳定性

采前煤柱稳定性研究是工作面冲击危险性评估和开采方案设计的关键。以山东某矿深井巨厚砾岩条件工作面开采遗留煤柱为背景,采用案例调研、理论分析、数值模拟和工程实践等方法,对巨厚岩层-煤柱协同变形机制及其煤柱稳定性进行了研究,建立了巨厚岩层-煤柱协同变形的简化力学模型,探讨了引起煤柱变形的主要应力来源和变形形式,推导了在协同变形条件下煤柱的应力-应变关系。以此为基础,综合煤柱煤体应力、围岩稳定性和变形特征等条件,提出了煤柱整体失稳的力学判据。研究结果表明：巨厚岩层-煤柱失稳诱发冲击与煤柱的位置、尺寸和上覆岩层运动或变形关系密切,上覆岩层运动或变形是诱发煤柱失稳的动力因素;巨厚岩层-煤柱的变形主要包括受集中力F压迫的协同挠曲压缩变形和受集中力G作用的重力沉降变形,二者保持内在协调性;巨厚岩层下煤柱整体失稳的工程判据为煤柱煤体平均支承应力p超过其平均极限支承强度Rc（p≥Rc）;评估得到遗留的50 m煤柱具有强冲击危险性,并通过优化开采设计,取得了良好的效果。该研究成果对相似条件煤柱留设及其稳定性分析具有参考意义。     

巨厚松散层下防水煤柱合理留设及其数值模拟

防水煤柱合理留设是巨厚松散层下煤炭开采设计的基本参数。通过对东欢坨矿第四系巨厚松散层地质特征分析,揭示了本区第四系巨厚松散层中的含、隔水层厚度及其结构分布特征和对煤炭开采充水的影响,建立了巨厚松散含水层下防水安全煤柱计算模型和理论,提出了在巨厚松散层下的防水煤柱留设的非线性计算方法,计算东欢坨矿8煤层防水煤岩柱的高度为65.62 m。根据流-固耦合理论,应用FLAC3D数值模拟计算软件,模拟了东欢坨矿 8煤层开采过程中上覆岩层变形破坏规律,揭示了煤层顶板岩体冒落带、导水裂隙带和弯曲下沉带的分布规律,获得了防水煤柱高度及相关工程技术参数,验证了巨厚松散层下防水煤柱留设的非线性设计方法和计算模型的可靠性,为巨厚松散层下防水煤柱合理留设探索了可行途径。      

辽宁大窑沟急倾斜煤层开采沉陷数值模拟研究

急倾斜煤层覆岩结构的复杂性,使得现有的理论不能很好的解释覆岩移动和地表沉陷规律,为了深入研究急倾斜煤层开采覆岩移动和地表沉陷规律,本文采用MIDAS/GTS对急倾斜煤层开采情况进行模拟,并将"三带"理论应用于急倾斜煤层的研究。根据煤层开采后覆岩移动规律和地表沉陷的特点将煤层开采分为浅部开采阶段和深部开采阶段。浅部开采阶段覆岩破坏范围较小,顶板形成以上下煤柱为拱脚的拱形结构,地表表现为非连续的塌陷坑;深部开采阶段基本顶断裂、垮落在采空区形成铰接结构,地表表现为连续的下沉盆地。