UDEC模拟厚松散层及超薄覆岩条件下开采防水煤柱覆岩突水可能性

通过UDEC（Umversal Discrete Element Code）对厚松散层及超薄覆岩条件下某矿工作面4种工况开采防水煤柱覆岩破坏特征的数值模拟以及物理模拟对计算结果的验证，得到了工作面走向中部覆岩冒落带高度随放采比的增大而增大、裂隙带高度随放采比的增大而发展缓慢的结论。覆岩沿高度方向形成“三带”，但不同于其它条件下的放顶煤开采，采空区走向中部覆岩裂隙带高度与冒落带高度基本一致，顶板岩层呈现整体弯曲下沉。当放采比为2：1与2．5：1时，顶板岩层呈现整体弯曲缓慢下沉，裂隙带最大发育高度为20—22m。通过对覆岩破坏规律以及采区水文地质特征的分析，覆岩突水可能性很小。     

岩层及地表移动与冲击地压相关性研究

对岩层及地表移动规律的观测、室内试验和数值计算分析表明,采动覆岩层沉陷运动的不协调性造成裂隙带上部弯曲带岩体中产生大范围的离层空隙。随着工作面的推采,离层空隙周期性悬露垮断构成了上覆岩层及地表移动变形运动的不同特征。根据现场观测,砾岩层运动是矿井冲击地压发生的主要力源,地表下沉速度发生剧烈变化,冲击地压发生的频率较高,地表产生反弹时更为危险,且随着砾岩层的运动,冲击地压发生周期性变化。     

近水平煤层开采上覆岩层运动与沉陷规律相关研究

将近水平煤层开采的上覆岩层运动与地表沉陷作为一个整体系统进行研究,论述了采场上覆岩层的运动规律和裂隙拱的形成及发展变化过程。并结合地表沉陷的GPS观测,确定了针对具体地质条件的地表移动变形边界角、移动角,找到了井下工作面推进位置与地表下沉速度之间的关系。     

废弃采空区裂隙带高度预测模型及应用

煤炭开采引起覆岩破断及地表下沉,覆岩及地表运移规律可反映裂隙带高度的动态演化过程。因地表下沉滞后于煤炭开采,对于废弃采空区,长期压实作用导致裂隙带高度较采动期间有所降低。基于地表点下沉速度的阶段特征将裂隙带高度的演化过程分为2个阶段,第1阶段裂隙带发育对应岩层破断逐步向上传递的过程,第2阶段裂隙带高度降低对应离层及裂隙闭合、断裂岩层受压后变形回弹及破碎岩体自然压实的过程。着眼于压实作用对裂隙带高度的影响,根据煤层采厚、垮落带和裂隙带岩层变形量及地表下沉值之间的定量关系,建立了第2阶段裂隙带高度预测模型,并结合太平煤矿实测结果进行验证,采用控制变量法分析了单一因素影响下废弃采空区裂隙带高度的演化特征。结果表明：废弃采空区裂隙带高度受控于垮落带块体强度、垮落带初始碎胀系数、采动期间裂隙带高度最大值及对应的垮落带高度、煤层埋深、地表最终下沉量等因素,太平煤矿采后15 a的裂隙带高度实测值11.36～13.00 m与理论预测值12.75 m吻合度较高,模型的可靠性得到验证。最后,应用此预测模型对武安煤矿（关停矿井）2002－2003年采空区裂隙带高度开展理论计算,结合地空瞬变电磁探测确定了地面瓦斯抽采钻孔理想的终孔位置并成功开展了地面钻孔瓦斯抽采试验。     

采场覆岩裂隙发育及高位钻孔优化设计——以祁南煤矿34_下2工作面为例

为了有效地提高高位钻孔的瓦斯抽采效果,采用数值模拟方法分析了祁南矿34下2工作面开采过程中覆岩的裂隙发育规律和离层率变化规律。判定了煤层上覆岩层冒落带和裂隙带分布范围;确定了钻孔法距参数的最佳范围为距32煤层顶板12~22 m的岩层区域。研究成果可为其他工作面高位钻孔的优化设计提供参考。     

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。     

上覆硬厚岩层破断运动及断顶控制

硬厚覆岩的破断与结构将发生显著的变化。针对汝箕沟煤矿二2煤层上覆厚层石英砂岩条件,采用现场实测、数值模拟、理论分析及现场试验等方法,研究了硬厚覆岩裂隙发育特征、破断运动、矿压显现特征及断顶控制技术,为硬厚覆岩工作面灾害防治提供了依据。研究表明,硬厚石英砂岩的微观结构致密完整,呈现大面积悬空、大步距破断运动,引起强烈的支架动载,甚至导致工作面风流逆转、沟通上部采空区隐形火区;硬厚岩层破断运移后产生明显的离层空间,并在开切眼上部和工作面上部及采空区中部形成覆岩主裂隙带,且发育高度大于经验计算数值,甚至与上方采空区沟通诱发灾害;实施开切眼深孔断顶爆破及降低工作面采高,有效缩短了硬厚岩层的初次破断步距,降低了支架动载及主裂隙带高度。     

采动覆岩裂隙分布及其空隙率特征

利用弹性薄板理论和关键层理论,对采空区上覆岩层的下沉进行定量描述,研究采动影响下覆岩裂隙的分布特征,得到了基于相对下沉量的覆岩规则移动带空隙率的近似公式。研究表明,覆岩裂隙场内,裂隙数量分布以两边为多,中部较少,在关键层下部的岩层往往产生较大的离层空间;随着岩层深度减小,空隙率逐渐变小,覆岩底部,空隙率曲线沿走向呈现马鞍状,在关键层或者硬岩起作用的区域形态发生改变,曲线形态逐渐变成拱状。其结论可应用于岩体渗流研究及瓦斯综合治理。     

深部开采上覆岩层采动裂隙网络演化的分形特征研究

借助相似模拟材料模型试验,模拟了在深部开采条件下上覆岩层采动岩体裂隙分布状态,运用分形几何理论研究了采动岩体裂隙网络分形维数随开采宽度、采场矿山压力、岩层沉降的动态演化规律,并分析了断层对采动岩体裂隙网络分布演化的影响以及采动岩体裂隙网络在三带的分布特征。结果表明：随开采宽度增加,采动岩体裂隙网络分形维数呈现总体增大趋势,在断层影响下表现出降维特点;分形维数与超前工作面压力和岩层沉降均具有非线性关系;三带采动岩体裂隙网络均具自相似性,冒落带、裂隙带、弯曲带分形维数比为1.082 3:1.139 4:1。     

浅埋采空区大采高条件下覆岩破坏规律

浅埋采空区下远距离煤层开采覆岩破坏直接影响本煤层工作面安全开采和上覆采空区稳定性。针对神东矿区大柳塔煤矿开采实际,采用相似模拟试验、数值计算和现场实测方法研究了2-2煤采空区下伏的5-2煤层开采覆岩运动及裂隙发育规律。研究结果表明,大柳塔煤矿5-2煤层一次采全高开采,覆岩裂隙带贯穿层间岩层导通2-2煤采空区,层间岩层的破断会诱发上覆岩层大面积垮落,工作面出现强烈的矿压显现,同时加剧了上覆采空区围岩结构失稳及地表沉陷。现场实测也表明大柳塔煤矿5-2煤层大采高开采覆岩破坏高度137. 32 m,裂采比20. 2,与模拟结果一致。这些成果可以为大柳塔矿5-2煤层工作面安全开采提供理论依据。     

霍洛湾煤矿22101工作面顶板两带发育规律

在详细分析霍洛湾煤矿水文地质条件基础上,根据2-2煤层上覆不同岩层的岩石力学参数建立了工作面回采过程中覆岩变形与破坏特征的数值模拟模型,研究了工作面回采过程中顶板覆岩在不同来压阶段导水裂隙带和垮落带的发育高度;通过对钻孔冲洗液漏失量的现场观测,进行了“两带”发育高度的探测。将数值模拟结果及现场观测资料对比分析,确定22101工作面的导水裂隙带高度为33.6~37.8m,垮落带高度约9.6m。这为评价研究区水体下开采可行性和水体下开采防水煤柱的设计提供了科学依据。      

基于微震监测的深埋煤层顶板导水裂隙带发育特征

导水裂隙带发育高度是矿井水害预测的重要技术参数之一。以彬长矿区文家坡煤矿4103工作面为研究对象,利用井-地联合微震监测技术对顶板导水裂隙带发育特征进行研究。研究结果表明:深埋煤层开采时,微震事件超前工作面回采位置发育,超前影响角最大为35°,最小为28°;断层的存在降低了覆岩稳定性,相较于正常基岩,更易在回采影响下发生应力集中和破坏;断层加大了微震事件发生的超前距,而采空区则使微震事件的高密度区向其所在部位发生偏移,加剧覆岩破坏程度,增大导水裂隙带发育高度;垂向上,4103工作面监测区内的微震事件高密度区域主要集中在高程+400~+520 m,结合微震事件数量和能量分布特征,判定4103工作面垮落带发育高度为50 m,垮采比13.16,导水裂隙带发育高度为117 m,裂采比为30.79。该成果可为彬长矿区类似煤矿深埋煤层顶板导水裂隙带发育高度研究及顶板水防治提供重要依据。移动阅读      

奥陶系石灰岩推覆体含水层下煤层开采覆岩破坏特征研究

采用相似模型试验和数值模拟相结合的方式,分析了奥陶系石灰岩推覆体含水层下煤层开采的覆岩破坏及地表沉陷 特征。经验公式计算,相似模型试验和数值模拟的对比分析表明：该特殊地质条件下,不考虑渗流场影响时,垮落带高度 为采厚的2.2~4.5倍,导水裂隙带高度为采厚的14.0~19.1倍;渗流场的存在使导水裂隙带及垮落带高度增加,此时垮采比为 4.8,裂采比为20.6。因此,从偏安全的角度考虑,煤层的实际开采过程应考虑渗流场的影响,以渗流场-应力场耦合作用 下的导水裂隙带高度作为安全煤（岩）柱合理留设的依据。     

覆岩层破坏理论在采区地基稳定性评价中的应用 ——以吉林九台营城煤矿为例

煤层开采后,上覆岩层将形成冒落带、裂缝带和弯曲带。根据营城煤矿研究区自然地理条件、区域地质条件和工程水文地质条件,应用覆岩层破坏理论,得出营城煤矿最大冒落裂隙带高度和建筑物荷载的最大影响深度之和为270 m,远小于该区域煤层最小开采深度( 838 m) ,该区不会产生较大的不均匀沉降。     

大采高综放开采覆岩破坏特征和裂隙演化规律

工作面回采过程中,覆岩破坏特征对于煤矿水灾害和瓦斯防治具有重要意义,为了进一步研究综放开采覆岩破坏特征。以山西某矿5.82m大采高工作面为试验面,采用分段注水、钻孔电视、地质雷达、微震监测探测覆岩破坏高度,对破坏过程进行了数值模拟研究,并对裂隙演化进行了相似模拟试验,同时对传统经验公式进行了修正,研究结果表明:综放开采垮落带发育高度为43.1m,断裂带发育高度为86.7m;垮落带、断裂带、导水断裂带各测试方法之间相差分别小于4.5%、7.1%、9.0%;工作面采动前,裂隙发育度低,而采动后,裂隙数量明显增多,发育度增加;近煤壁区域为裂隙聚集区,密度曲线呈“蛇”型分布;得到新的适合该矿地质条件下的覆岩导水断裂带发育高度经验公式。     

近距离上保护层开采瓦斯运移规律数值分析

采动裂隙是瓦斯运移的通道,搞清瓦斯运移规律是瓦斯治理的前提。在考虑岩石动态破坏过程和含瓦斯煤岩渗流-应力-损伤耦合的基础上,结合平煤五矿实际地质条件和开采工艺,建立了数值计算模型,应用RFPA-Gas程序模拟了近距离上保护层采动顶底板岩层变形破坏、裂隙演化规律与瓦斯运移规律。模拟结果较好地再现了保护层开采过程中煤岩层应力变化、顶底板损伤及裂隙演化过程,得到了上覆岩层移动的“上三带”（冒落带、裂隙带和弯曲下沉带）和底板变形的“下两带”（底板变形破坏带和弹塑性变形带）。得到了被保护层瓦斯流量分布、瓦斯压力分布和透气系数的变化规律,卸压煤层瓦斯透气性增大了2 500倍,得到了煤壁下方压缩区和膨胀区之间的张剪瓦斯渗流通道,并将保护层底板压缩区和膨胀区的瓦斯渗流特征提炼出来：压缩区对应的是渗流减速减量区、膨胀区由卸压膨胀陡变区和卸压膨胀平稳区组成,分别对应着渗流急剧增速增量区和渗流平稳增量区。指出卸压膨胀陡变区是瓦斯突出危险区,为近距离保护层开采瓦斯治理指明了方向。实践表明,瓦斯治理效果显著。     

A RBFNN-based method for the prediction of the developed height of a water-conductive fractured zone for fully mechanized mining with sublevel caving

The movement and failure of overlying strata induced by underground coal mining cause “three zones,” including the caving zone, the water-conductive fractured zone, and the sagging zone from the bottom up. For knowledge about the height of the water-conductive fractured zone, there has been no empirical or theoretical formulae for thick coal seam using fully mechanized longwall mining with sublevel caving. This paper presents a methodology of determining the height of the water-conductive fractured zone based on the radial basis function neural networks (RBFNN) model in MATLAB software. Before modeling, the relationship between the height of the water-conductive fractured zone and mining thickness, the lithologic character of the overburden and its composite structures, and workface parameters was studied. After that, 32 and 7 measured data were used as training and testing samples, respectively. It has been found that the average relative error is 6% and the maximum relative error is 10% for 7 test samples by comparing actual results with predicted results. The model was applied to the no. 31503 workface in the Gaozhuang coal mine for safety evaluation. The predicted value is 59.6 m, and the measured value is 55.9 m. The RBF-based model shows much better performance than empirical formulae in the Regulations for Coal Mining and Coal Pillar Design under Buildings, Water-bodies, Railways and Main Shafts for the prediction of the height of the water-conductive fractured zone for fully mechanized mining with sublevel caving.     

煤层开采覆岩预裂–注浆改性失水控制方法探讨

陕北榆神矿区煤层开采面临顶板水害防治与水资源协同保护技术需求,根据材料力学、断裂力学相关理论,以及不同覆岩类型的采动裂隙带统计成果,提出基于预裂–注浆改性(P-G)的煤层顶板失水控制技术思路,其基本原理为通过压裂工艺将连续性好的基岩层压裂成非连续性岩层,削弱采动导水裂隙在坚硬岩层中向上扩展的“尖端效应”,抑制导水裂隙发育高度。再采用黏土类软弱注浆材料将岩层改性为相对软弱的岩层,起到抑制导水裂隙带向上发育与降低上覆岩层导水能力的双重作用,从而实现煤层顶板含水层失水控制。本文以陕北能源基地榆神矿区为对象,提出以采煤工作面地质与水文地质条件分析,采煤工作面顶板含水层涌(失)水模式识别,P-G模式、层位与时间确定,顶板岩层水平孔水力压裂与注浆改性为主要思路,对榆神矿区采煤工作面顶板含水层失水控制方法进行了探讨,为我国陕北能源基地榆神矿区顶板水害防治和水资源协同保护技术实践提供一定的借鉴。      

Investigation into the Behaviour of a Support System and Roof Strata During Sublevel Caving of a Thick Coal Seam

Monitoring of strata control parameters and behaviour of a powered support was carried out during an experimental trial of a mechanized longwall sublevel caving face for exploitation of a 7.5m thick coal seam. Field observations indicated that the requirement of support density for underwinning of top coal by sublevel caving under intact strata is different from that for underwinning under broken and fractured rock mass. Analysis of the leg closure observations and support resistance variations during different mining cycles showed rapid increase of the setting load density of the support in relation to the yield load density. This resulted in a large amount of leg closure during mining cycles of the sub level caving face under broken rock strata. Due to operational constraints, the field observations could not provide enough information to visualize the behaviour of the overlying rock strata. Simulation of the field conditions was therefore performed on a physical model to bridge this gap of information. Results of laboratory investigations on the physical model are combined with those of the field to explain the critical behaviour of the support system during sublevel caving under broken rock strata.     

陕北某矿双煤层开采对覆岩影响的模拟对比

多煤层开采条件下煤层覆岩破坏具有独特的特征，影响矿井生产布置。以陕北某矿为例，以该矿地质采矿条件为基础，采用相似材料模拟实验与数值模拟相结合的方法，通过建立模拟模型，开展了双煤层开采对覆岩的破坏影响研究。结果显示:留设不同宽度的煤柱，采用相似材料模拟和数值模拟2种方法得到的煤层覆岩垮落带高度、裂隙带高度都基本一致；在双煤层开采时，留设的煤柱宽度越大，两个煤层的叠置区域就越小，煤层开采对覆岩的破坏程度就越小。在工作面布置时，建议增大两个煤层的开采距离，并尽量增加煤柱宽度，以减缓覆岩移动破坏范围和破坏程度。研究成果为类似双煤层开采工作面的设计及覆岩破坏控制提供技术支撑。