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。     

采动覆岩离层多层位注浆地表沉陷控制技术

为了解决上覆岩层中无明显厚硬岩层、采动过程中难以产生较大尺寸离层空间、离层注浆充填率低的问题,提出采动覆岩离层多层位注浆技术。通过相似材料模拟实验对多层位离层注浆覆岩时空演化规律进行研究,并在淮北矿区某工作面进行现场试验。结果表明:在无较大采动覆岩离层情况下,采用增加钻孔数目的多层位离层注浆方法,在采动覆岩内部形成不同扩散半径的注浆充填体,共同叠加支撑上覆岩层,可以有效减小覆岩破坏程度。实施多层位离层注浆方法,可以有效提高注浆总量和注采比,地表减沉率可达79.92%。提出的离层注浆量计算公式可以精确预计浆液灌注量,准确率超过91%,可为覆岩离层注浆工程提供指导,并为注浆减沉率预计提供参考。这为解决煤炭资源开采引起的地表沉陷问题提供了一种有效和经济的方法,同时扩大覆岩注浆技术的应用范围。      

千米深井解放层开采卸压机理及效果分析——以华丰煤矿为例

解放层开采是煤与瓦斯突出、冲击地压等煤矿动力灾害防治的重要措施,以山东泰安千米深井华丰煤矿2613、2412工作面为背景,采用物理模拟与数值模拟相结合的方法,围绕解放层开采卸压机理、卸压效果评价等工程科学问题开展研究,明晰解放层开采后上覆岩层运动规律及矿压变化特征,厘清被解放层采动过程中采场应力与岩层位移演化规律,进而对解放层开采卸压效果和被解放层开采可行性进行指标化评价。结果表明：(1)解放层开采过程中,上覆岩层逐渐垮落形成漏斗状、非对称的多固支梁状结构,解放层开采结束后,采场左右两端分别形成对被解放层起永久性卸压保护的类悬臂梁结构,左右保护角分别为54°、60°。(2)解放层上覆岩层划分为“永久性卸压保护区”和“采空触矸压实区”,两种应力分布区对应解放层顶板应力最大值约20、36 MPa,对应被解放层内最大应力值约29、24 MPa,被解放层受两种应力区的叠加影响。(3)解放层开采结束后,工作面两端出现应力积聚,其他区域上覆岩层整体处于卸压状态,“采空触矸压实区”的持续发育已影响到被解放层,被解放层50～100 m区域沉降量约等于采高。(4)被解放开采过程中,覆岩板裂指数f为0.5...     

岩层移动动态过程的离散单元法分析

采动覆岩动态发展过程受地质、采矿条件诸多因素的影响,是一个十分复杂的时空过程。通过离散单元法数值模拟,揭示了综放开采条件下采场上覆岩层动态发展规律,特别是覆岩离层缝隙的分布规律、发展形态、空间位置以及与地质采矿条件的关系,揭示了工作面推进过程中,采场上覆岩层中重新分布的应力大小、方向及其发展变化规律,该应力的存在和变化规律是确定井下开采方法、支护方式的依据。     

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.     

深部开采覆岩应力变化规律模拟实验研究

为了研究深部开采条件下覆岩结构运动所引发的动力破坏特征及巷道围岩中采动支承压力分布规律,以某矿20180工作面覆岩为研究对象,通过相似材料模拟实验,得出了深部开采条件下覆岩应力变化规律。结果表明:顶板垮落规律显著,初次来压步距较长,周期来压步距基本相似;开采过程中底板与顶板支撑压力是动态变化的,并具有同步性;随着顶板岩层高度的增加,应力集中系数逐渐减小。根据底板和顶板的应力变化规律,将底板和顶板划分为五个区域,为深部开采条件下工作面巷道超前支护,采空区瓦斯抽放及矿压控制提供可靠理论依据。     

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。     

潘二矿下向卸压开采高应力演化特征试验研究

为研究深部近距离煤层群下向卸压开采高应力演化的特征,根据潘二煤矿深部近距离煤层群8煤和6煤地质与开采技术条件,设计了下向卸压开采的二维相似材料模拟试验模型,对8煤和6煤开采引起的采动应力进行监测。系统分析了8煤下向开采与6煤开采后的采场围岩采动应力、岩层运移及不规则煤柱对采动应力演化的影响,获得了近距离煤层群8煤下向卸压开采的顶底板采动高应力演化特征及6煤回采期间覆岩运移、采动应力裂隙演化和来压特征,得出了下向卸压开采不规则煤柱对采动应力、裂隙分布的影响规律。研究不仅为以采动高应力演化为主导作用的煤岩动力灾害防治提供了理论基础,也为卸压开采采场参数设计与优化提供了技术支撑。     

特厚煤层小煤柱沿空掘巷数值分析及应用

沿空掘巷开采技术成功的关键主要取决于采场覆岩稳定的时间和沿空掘巷的位置。采场采动岩体运动导致围岩应力重新分布,动态采场应力作用于围岩并使其状态发生灾变是发生矿山灾害的根本原因。特厚煤层分层综采巷道布置（包括内错、外错和垂直）,合理确定煤柱尺寸、巷道支护方式和参数选择能够最大可能发挥围岩的自承能力,是提高巷道稳定的重要保证。在稳定的内应力场范围内布置小煤柱护巷,能够明显提高巷道围岩稳定状态,减少巷道维护费用。通过理论分析、数值模拟和现场实测等方法,对特厚煤层下分层沿空掘巷小煤柱不同巷道布置设计,通过煤柱的应力、应变和位移进行对比分析,确定特厚煤层下分层沿空掘巷合理的巷道位置和煤柱尺寸及上覆岩层防控技术,并得到工程验证是正确可靠的,从而为特厚煤层小煤柱开采技术提供了重要的科学依据。     

断层作用下深部开采诱发冲击地压相似试验研究

以典型断层型冲击地压矿井为例,采用相似材料模拟试验方法,基于覆岩空间结构失稳与断层活化耦合致灾原理,分析了巨型逆冲断层下盘煤层开采采场覆岩运动过程、工作面倾向支承压力及断层面的应力变化规律,研究了巨型逆冲断层影响下巨厚坚硬顶板易冲击煤层冲击地压显现特征。试验结果表明：煤层开采诱发巨型逆冲断层冲击灾变过程分为3阶段：第1阶段,受煤层采动影响,上覆岩层发生空间运动,煤体中形成明显高应力集中区;第2阶段,覆岩多层空间结构演化诱发断层活化,断层活化导致空间结构外部岩体回转,给空间结构施加外部载荷,造成空间结构失稳加剧,煤岩体的应力激增,影响范围扩大;第3阶段,断层滑移释放能量,提供动载荷。根据应力监测数据变化规律,划分了逆冲断层的明显影响区域,研究结果为断层影响下煤层开采的防冲策略与设计提供可靠依据。     

山区厚硬覆岩条件下采动损害特征

本文以四川杉木树矿山区开采试验研究为例，分析了采场上方有厚硬岩层时的采动损害特征．指出覆岩内部组合结构暨托板控制作用在煤矿工程地质与水文地质研究中具有不可忽视的作用．     

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。     

固体密实充填开采地表沉陷预计模型研究

为了实现对固体密实充填开采地表沉陷进行科学地预计,需要根据其覆岩结构形态演化规律和岩层移动特征建立完备的沉陷预计模型及其参数体系。相似材料模拟和钻孔窥视表明,固体密实充填开采覆岩形态以完整层状结构的弯曲带为主,覆岩仅在近顶板附近发育一定高度的断裂带,不发生垮落现象。岩层移动特征类似纵向载荷作用下层合板的弯曲变形,通过力学简化,基于层合板理论建立了固体密实充填开采地表沉陷预计模型。研究表明,固体密实充填开采地表沉陷形态仍可用概率积分模型进行描述,并进一步探讨了基于“等价釆高”的固体密实充填开采地表沉陷预计模型参数体系。最后将本文建立的地表沉陷预计模型应用于某工程实例,取得了良好的效果。     

基于分布式光纤技术的采动影响下覆岩变形演化规律试验研究

为了解决在实际工程中岩层变形难以用常规测试方法进行监测的问题,采用BOFDA分布式光纤技术,根据现场的煤层采动过程,在试验室建立4 200 mm×250 mm×1 600 mm（长×宽×高）的采场覆岩模型,通过预埋于模型内部的4条水平传感光纤和5条垂直传感光纤,对模型开挖过程中的覆岩变形特征进行测试。将光纤测试结果与近景摄影数字图像处理技术获得的岩层位移进行对比,揭示了光纤频移值和岩层工作面来压及覆岩结构演化的对应关系,获得了基于光纤频移值的两带发育、演化范围的表征方法。研究表明,使用BOFDA分布式光纤技术监测采动覆岩活动特征与矿压显现规律是可行的,试验结果为分布式光纤测试技术在现场监测煤矿上覆岩层“两带”变形提供了理论依据与试验保障。     

不等长工作面台阶区域覆岩运动诱冲机制及防治

针对阳城煤矿不等长工作面台阶区域发生冲击地压灾害问题,基于工作面特殊布置方式及覆岩赋存特征,采用理论分析、数值模拟和现场实测等方法,分析了台阶区域覆岩结构运动特征和围岩应力演化规律,研究了台阶区域冲击地压诱发机制。研究结果表明：1304工作面台阶区域覆岩经历了“OX-S-C”型较为复杂的结构演变,覆岩空间结构由OX向S型转换时,顶板岩层大面积破断下沉,在台阶区域形成多个悬臂梁结构,越往高位,悬臂梁长度越大;受覆岩运动和采动应力场叠加影响,煤岩体形成高应力集中区,在顶板岩层动载冲击作用下,煤岩体弹性应变能突然释放,诱发冲击地压。采用COMSOL软件对不同卸压钻孔参数下煤体应变能分布特征进行模拟研究,优化了台阶区域卸压钻孔参数。根据模拟结果,随着钻孔孔径、孔深增大及间距减小钻孔卸压效果越明显,考虑工程实际,确定孔径为150 mm、孔深为30 m、间距为1 m为合理有效的卸压钻孔参数,并应用于1302工作面台阶区域的冲击地压防治,取得了较好的防冲效果。     

基于分布式光纤技术的采动影响下覆岩变形演化规律试验研究

为了解决在实际工程中岩层变形难以用常规测试方法进行监测的问题,采用分布式光纤传感技术的布里渊频域分析技术(BOFDA)和布里渊频移(BFS)分析技术,根据现场的煤层采动过程,在试验室建立4 200 mm×250 mm×1 600 mm(长×宽×高)的采场覆岩模型,通过预埋于模型内部的4条水平传感光纤和5条垂直传感光纤,对模型开挖过程中的覆岩变形特征进行测试。将光纤测试结果与近景摄影数字图像处理技术获得的岩层位移进行对比,揭示了光纤频移值和岩层工作面来压及覆岩结构演化的对应关系,获得了基于光纤频移值的两带发育、演化范围的表征方法。研究表明,使用BOFDA分布式光纤技术监测采动覆岩活动特征与矿压显现规律是可行的,试验结果为分布式光纤测试技术在现场监测煤矿上覆岩层"两带"变形提供了理论依据与试验保障。     

煤矿环境治理技术新进展及应用

我国煤炭资源的长期大规模开发和利用引发了一系列环境问题,主要包括环境污染、资源破坏和地质灾害三类。地下充填方法是一种行之有效的生态环境修复方式。新型离层注浆技术可有效预防因采煤塌陷产生的环境问题,同时解决煤矿建筑物压煤问题,实现顺序开采,延长了煤矿生产年限,缓解了矿山关闭所带来的环境问题。中国煤炭地质总局在采煤沉陷治理领域以新型覆岩离层注浆技术为核心,形成了产学研用一体化的采煤沉陷区治理综合技术体系。通过对新型离层注浆技术的研究与实践,形成了厚煤层覆岩离层注浆控制采空塌陷技术体系,完善和发展了采空塌陷控制理论与技术。该技术在夏店煤矿得到了成功应用,取得了较好的经济和社会效益     

煤层采动后甲烷运移与聚集形态分析

富含甲烷厚煤层经综采放顶煤方法开采后,甲烷运移通道和聚集空间随采场上覆岩层活动特征及导气裂隙带空间分布形态而不同。本文分析了煤层采动后采场覆岩关键层活动特征对导气裂隙带分布形态的影响,提出上覆岩层中破断裂隙和离层裂隙贯通后在空间形成椭抛带分布,阐述了卸压甲烷在椭抛带的升浮—扩散运移理论,为实现煤层与甲烷的安全共采提供了科学依据。      

孤岛顶煤综放采场冲击矿压形成机制及控制技术

应用覆岩空间结构学术观点对孤岛顶煤综放采场冲击矿压机制及其控制技术进行研究。根据覆岩关键层的岩性、层位、范围等因素,覆岩关键层空间结构分为覆岩空间大结构和基本顶有限矿压结构。孤岛顶煤采场冲击矿压发生机制：①孤岛顶煤综放采场 ? 型空间大结构形成过程是集中压力逐渐增加的过程,是该时间段发生冲击矿压的力源;②采场基本顶形成最下位 ? 型空间结构后,随着工作面推进,基本顶块体产生滑落失稳,造成工作面冲击矿压现象。通过对分段来压理论、基本顶结构失稳理论和坚硬顶板预断裂理论对覆岩关键层空间结构运动的控制作用研究,提出采用覆岩空间结构理论分析、分阶段降低放煤率、坚硬覆岩预爆泄压技术、覆岩坚硬岩层破裂的微地震监测技术等方式方法预防冲击矿压的发生。     

势接触法中法向刚度系数取值研究及岩层运动过程模拟

采场上覆岩层的开裂和破断在力学上可归结为连续介质向非连续介质转化或非连续介质进一步演化。正确模拟岩层运动对于岩层稳定性控制和有关灾害预防具有极其重要的意义。在自主开发的拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法中,只有法向刚度系数正确取值,势接触力才更可靠。为了模拟时间较长的开采过程和解决煤层离散单元形成的聚集体仍能承受超过自身承载能力的问题,采用了准静力模式和应力跌落方法。为了有助于正确选择适于模拟岩层相互作用的法向刚度系数,首先对其进行了标定,以考察嵌入引起的误差的影响。然后设计了4组（上相对较软-下相对较硬、两相对较软、上相对较硬-下相对较软和两相对较硬）两岩块撞击-平衡过程的数值试验,并以其中一组为例进行了重点分析。通过考察两岩块的嵌入量和上岩块下表面的平均应力的演化以及上块从运动到平衡的时长,最终得到了具有普适性的结果,即法向刚度系数与弹性模量的比值为15 m-1时较为适当。为了检验上述建议值是否适于模拟采场岩层运动,以某煤矿1141工作面为例进行了计算。研究发现,在法向刚度系数取为建议值时,计算结果较为合理,且计算效率较高。