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。      

考虑锚杆支护的深部围岩分层破裂数值模拟

通过数值模拟研究了锚杆支护对峰后围岩的支护效应。首先,基于Mohr-Coulomb峰后应变软化的遍布节理模型,建立了临界塑性剪切应变η*与支护阻力的耦合关系;然后,根据锚杆加固机理,将锚固作用后围岩的力学参数嵌入到应变软化模型中;最后,将临界塑性软化系数η*影响下的应变软化模型嵌入有限差分FLAC3D中,并通过对锚杆支护下的围岩震荡应力场等分析,研究了不同锚杆支护长度对深部洞室围岩分层破裂范围及应力、变形的影响。数值研究分析表明:考虑锚杆支护,围岩分层破裂化现象明显减弱;支护条件下的围岩应力场、位移及破裂区范围与未支护时差异明显。在一定范围内增加锚杆长度,可使围岩应力峰值点向洞壁移动,破裂区半径减少,拱顶和拱脚沉降均减少;当其支护长度超过临界长度后,竖直和水平方向破裂区半径以及沉降量均趋于稳定值,且两方向上破裂区半径及沉降的数值接近。     

深部大变形回采巷道围岩拉压分区变形破坏的模拟研究

为研究深部回采巷道围岩大变形破坏规律,在地质力学评估及矿压显现特征实测的基础上,采用真三轴相似模拟方法,模拟了不同加载梯度下巷道围岩应变特征。结果显示,在浅埋静水压力条件下,巷道围岩呈现“浅部拉应变、深部零应变”的特征;深埋静水压力及初掘采动应力下巷道围岩出现“径向应变拉压交替分布”现象;当采动应力集中系数大于2时,深埋巷道围岩应变进入非线性大应变状态。采用FLAC3D的应变软化模型与摩尔-库仑模型,对比研究了深部回采巷道围岩位移、塑性区分布规律。结果表明,应变软化条件下,巷道围岩产生拉、压分区破坏且软化后的围岩位移与实测结果更吻合。综合研究结果,揭示了深部回采巷道围岩拉、压分区的产生机制,初步提出了注浆、喷层等措施,防止过度应变软化引起深部回采巷道围岩大变形,为类似巷道稳定性控制提供了一定的参考。     

含应变软化本构关系的岩-土接触元直剪试验数值模拟

关于含应变软化本构关系的岩-土接触面特性的研究手段较为有限,基于FLAC可实现具有应变软化接触的本构数值分析。利用该模型对接触面直剪试验进行模拟,并对接触单元剪切强度参数演化与剪切应力-位移关系变化特征进行深入研究。模拟结果再现了接触面的渐进性破坏过程及内部剪应力变化特征,研究表明了摩擦角的增减变化主控剪切应力-位移关系曲线的形式特征。     

深部围岩非规则破裂化的温度效应分析

利用FLAC3D中应变软化模型和温度模式建立数值计算模型,考虑初始地应力中温度热应力的修正并以函数的形式嵌入,讨论了非规则破裂化现象中应力及塑性区的特征。考虑地层温度和岩体热力学参数对深部围岩非规则破裂化的影响,分析围岩最大最小应力及塑性区特征。数值分析表明:FLAC3D塑性区图中呈现明显的非规则破裂化现象,而且随着地层温度升高和线膨胀系数增大,深部围岩非规则破裂化趋于严重;线膨胀系数大的围岩受温度影响较大。比热容和导热系数对深部围岩非规则破裂化影响微弱。得到了震荡的最大最小主应力曲线,最大剪应力与塑性区呈现出与最大剪应力理论相似却又不同的关系,即非规则破裂塑性区外边界和最大剪应力曲线的主峰值存在对应关系,但最大剪应力曲线主峰值相对于塑性区外边界存在滞后性。     

循环荷载下完整底板导水通道演化过程研究

采动影响下完整底板防治水的重点是研究岩层由隔水层到导水通道的演化过程。煤层开采引起底板岩体承受压–拉–压循环荷载,并导致弹性模量变化。以弹性模量为损伤变量,采用双标量型D-P弹塑性损伤本构模型,根据成庄矿条件建立数值模型,分析采动底板导水通道演化规律。结果表明,(1)上一计算步煤壁处底板压缩破坏深度随顶板悬露面积增大而再次加深,工作面煤壁位置处底板压缩损伤深度的增长速率在充填体影响下迅速减小(顶板初次垮落),并最终达到稳定(顶板周期垮落);(2)采动底板中同时存在压、拉损伤破裂带,二者相互连通,决定了导水通道的位置;(3)充填体的弹性模量对底板破坏深度有很大影响,其值过低会导致破坏深度持续快速增加。由注水试验所得监测结果与数值模拟成果基本吻合。     

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。     

长壁工作面巷顶沿空掘巷围岩应力分析

镇城底矿工作面的回采巷道一条沿顶板掘进,一条沿底板掘进,相邻两工作面在端头搭接,沿底板掘进的巷道形成巷顶沿空掘巷。通过理论分析、相似模拟、数值模拟及现场实测对巷顶沿空掘巷围岩结构及应力环境进行了研究。得到如下结论：该巷道不受超前和固定支承压力影响,大结构下方的矸石垫层可起到能量和应力耗散的作用,避免了动载和冲击影响,应力低且稳定;岩层移动形成的垮落角对采空区应力大小和分布（尤其采空区边缘）有重要影响;垮落角越小,采空区应力越小,该巷道围岩应力越小,采空区恢复至原岩应力的距离越大;垮落角对岩体塑性区发育方向起控制和导向作用;该巷道围岩应力大幅低于原岩应力,卸压程度大;实测该巷道竖向和横向位移均比非沿空巷道小,即顶底板和两帮应力环境均得到改善。研究对维护具有冲击倾向的高应力巷道具有一定意义。     

错层沿空掘巷围岩应力分析

结合镇城底矿,通过理论分析、相似模拟、数值模拟及现场实测对错层沿空掘巷围岩应力进行了研究。得到如下结论:该巷道免受超前和固定支承压力影响,有大结构保护下的矸石垫层耗散能量和应力,避免了动载和冲击影响,应力低且稳定;岩层移动形成的垮落角对采空区应力大小和分布(尤其采空区边缘)有重要影响;垮落角越小,采空区应力越小,该巷道围岩应力越小,采空区恢复至原岩应力的距离越大;垮落角对岩体塑性区发育方向起控制和导向作用;该巷道围岩应力大幅低于原岩应力,卸压程度大;实测该巷道竖向和横向位移均比非沿空巷道小,即顶底板和两帮应力环境均得到改善。研究对维护具有冲击倾向的高应力巷道具有一定意义。     

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.     

基于煤层巷道开挖卸荷效应的底板冲击孕育过程研究

采用相似模拟和数值模拟研究了河南义马煤田跃进矿采掘影响下巷道底板的应力及变形规律,揭示底板冲击矿压发生前的孕育过程。研究表明,巷道底板冲击受煤层埋深、顶板条件、巷道施工布置方式等多因素影响。在巨厚坚硬上覆砾岩影响下,工作面开采增加了相邻工作面的应力水平。在厚煤层中巷道沿顶板布置留底煤,巷道开挖后,一定范围的煤层底板中的水平应力升高,垂直应力降低,增加了煤层失稳破坏的可能性。巷道开挖卸荷过程中,底板由于没有支护,垂直位移增加,底板的塑性区范围大于两帮,并产生了明显的拉伸破坏,容易使底板成为冲击破坏突破口。      

Seismic identification of geothermal prospecting in Harrat Rahat,Northern Arabian Shield

Influenced by mining activities in adjacent coal seams, stresses on rocks surrounding roadway were redistributed, and the roadways in lower coal seam were subjected to the asymmetrical roof falling and roof sagging. Considering stresses effect on the plastic zone around the roadway, numerical models were carried out by FLAC to investigate plastic zone with respect to stress ratio and direction of stresses. The relationship between the properties of surrounding rock and plastic zone boundary was also investigated by another numerical model and analytical study, whereby the tailgate stability of panel 30,501 in Tashan coal mine was implemented. It is shown that the rocks surrounding a roadway in the lower coal seam were subjected to unequal stresses, and the principal stress direction was deflected from the original direction. High stresses and big stress ratio can produce butterfly-shaped or X-shaped plastic zone. The direction of stresses was deflected, causing the plastic zone around the roadway to be transferred from the shoulder to the roof of the roadway. Consequently, asymmetrical stresses produce asymmetrical plastic zone. On this basis, the tailgate should be assigned conditions of the stresses and stress ratio at a low level. In this way, the tailgate was arranged at the position where the horizontal distance from the roadway in the lower seam to the centre line of the coal pillar in the upper seam (x) is 52.5 m, and was stable relatively.     

基于积分变换采场底板应力与变形解析计算

煤层开挖后,采空区卸载的同时侧帮产生支撑压力作用于侧帮底板上,导致底板应力重分布;根据最终应力场由初始应力场与开挖应力场叠加的特点,建立底板岩层的力学分析模型;采用Fourier积分变换方法求解双调和方程,并利用形式函数待定法求解对偶积分方程,得到底板应力场与位移场的解析表达式;然后根据Mohr-Coulomb准则判断底板岩层的塑性破坏深度。通过算例分析结果表明：在采空区底板中主应力随着深度的增加而增大至原岩应力;而在侧帮底板中最大主应力随深度的增加而逐渐减小至原岩应力;在侧帮底板深度小于10 m时,主应力发生旋转, 变为中间主应力并且随深度逐渐减小,当随深度继续增加时又逐渐增大至原岩应力;在采空区的中心发生最大底臌位移为0.236 m,侧帮底板受支撑压力作用产生向下的位移;塑性破坏范围呈中间大两边小,最大破坏深度为31.2 m,为半开挖宽度的1.04倍。最后通过FLAC3D模拟煤层开采,发现两者计算结果虽存在一定的偏差,但总体趋势基本一致,说明该解析方法能较准确地分析底板的应力与位移,可为工程实践提供指导与计算方法。     

泥化弱胶结软岩地层中矩形巷道的变形破坏过程分析

在西部地区,一定数量的矿区处于泥化弱胶结软岩地层,此类软岩胶结性差、强度低、遇水泥化。矩形是采区巷道的常用型式,但其断面受力不均、稳定性差。在上述软岩地层中的矩形巷道承载力低、变形量大、变形持续时间长,给煤矿的安全生产带来极大困难。以内蒙古新上海一号煤矿皮带顺槽矩形巷道为背景,运用FLAC3D软件中的Cvisc黏弹塑性模型,对矩形巷道的变形破坏进行了数值模拟,并将模拟结果与现场监测结果对比分析。结果表明:巷道开挖支护后,受断面形状影响,矩形巷道四角出现压应力集中和顶板受拉区,巷道顶板下沉量大,底板底臌严重,两帮向巷道挤出;受围岩岩性影响,围岩进入塑性的时间快短、范围大,塑性区超出了支护体的作用范围,造成锚杆(索)的锚固效果难以完全发挥,围岩出现整体滑动的现象;巷道变形呈现出流变变形的特性,变形量随时间持续增加,持续的蠕变变形超出了支护体的可控范围,最终引起巷道的失稳破坏。     

唐山矿区构造应力场特征及其对冲击地压的影响

河北唐山矿冲击地压的发生除了受开采技术条件、煤层顶底板岩石学特征等因素影响外,主要受赋存环境的影响,其中地应力条件是一个重要的影响因素。以唐山矿构造应力分布规律为背景,对不同水平构造应力条件下回采工作面煤层及其顶底板围岩的三维场进行了数值分析,系统研究了构造应力对煤层及其顶底板围岩的冲击地压的影响。结果表明,在煤矿开采过程中,高水平构造应力对采区煤层及其顶底板围岩的应力场和能量场的分布规律具有重要影响。高构造应力条件下,煤层及其顶底板围岩中的高水平应力为冲击地压的发生提供了力源条件,而在高地应力环境下所积聚的大量弹性应变能为冲击地压的发生提供了能量条件。      

沿空留巷采煤对底板扰动破坏深度影响

以韩城矿区桑树坪煤矿下组煤3105工作面开采实际情况为背景,采用现场声波测试和数值模拟方法,对沿空留巷开采条件下煤层底板扰动破坏规律进行了研究。声波测试成果表明工作面底板扰动破坏深度为13.2~14.6 m,数值模拟成果显示工作面底板破坏深度为13.0~14.5 m,两种方法结果较为一致。通过与正常开采条件下底板破坏深度进行对比,结果表明,采用无煤柱式的沿空留巷开采技术不会对底板破坏深度造成较大影响。研究成果为国内底板带压工作面采用沿空留巷技术开采过程中底板扰动破坏规律的确定提供依据。      

基于FlAC（3D）模型的新集一矿岩溶水危险性研究

新集一矿1#煤层为矿区埋深最大的山西组煤层,太原组灰岩含水层是1#煤层开采时威胁最大的含水层。为合理评价1#煤层受太原组灰岩突水的威胁及煤层的可采性,按照煤层底板隔水层厚度、岩性组合及其力学性质,建立了FlAC3D模型。通过该数值模型对1#煤层进行模拟40m、80m、120m三次开挖,并用顶底板岩层的主应力差来反映其所处的变形阶段,分析了顶板来压前后底板的不同应力状态对突水危险性的影响,获得了开采1#煤层的顶板最大悬顶距、底板最大破坏深度等参数,认为开挖长度达到105m时,是最易突水位置,从而为后续详细勘探和工作面设计工作提供了参考。     

软弱厚煤层沿空留巷变形破坏特征及控制研究

针对软弱厚煤层综放开采沿空留巷动压显现明显,顶板易出现不均匀切顶下沉等问题。通过现场调研、理论分析和数值模拟,阐明了软弱厚煤层综放开采沿空留巷动压显现特征和变形机制,提出了软弱厚煤层沿煤层顶板布置沿空留巷变形协同支护体系。研究结果表明：综放开采采出厚度大,沿煤层底板留巷时沿空留巷煤层顶板承载能力差,“底板−巷旁支护体−顶板”支护体系载能力不协调,是造成软弱厚煤层沿空留巷产生大变形的主要原因;沿煤层顶板留巷变形协同支护体系的提出提高了沿空留巷帮部、顶底板及巷旁支护体的协同承载能力,可有效地保证软弱厚煤层沿空留巷的围岩稳定。研究成果在古城煤矿的成功应用,证明了该支护体系在软弱厚煤层综放沿空留巷中的可行性。     

煤层顶底板采动破坏同步动态监测电性特征分析

随着煤炭开采深度的增加,深部复杂条件下开采的水害问题日益严重。复杂条件下煤层回采过程顶底板破坏动态监测对于工作面突水预测、采煤方法改进等具有重要意义。本文基于并行电法监测技术,结合双模式电极数据采集方式,同时在采煤工作面进行煤层顶、底板全空间地电场特征监测研究,获得了煤层围岩顶底板采动前后电阻率及自然电位同步响应特征。研究表明:顶底板跨孔电阻率监测动态变化可以显示孔间电阻率随采煤工作面逐步推进的动态变化情况,可有效表征顶底板破坏带发育范围,同时顶板垮落造成的电阻率变化程度大于底板破裂引起的电阻率变化程度;自然电位数据可分辨顶、底板岩层及裂隙张合形态、以及破裂程度,研究区域内顶板自然电位值明显高于底板自然电位值,且顶板的破裂引起的自电位变化强度明显大于底板破裂引起的自电位变化。采用多参数对煤层顶底板采动破坏进行同步动态监测,对保障采动工作面安全回采具有现实应用价值。