条带开采采空区覆岩移动规律数值模拟分析

为了准确而有效的掌握条带开采上覆岩层移动机理,采用FLAC3D数值模拟软件,对辽宁省灯塔市西马煤矿北二采区西上岗子村下压12煤采空区上覆岩层变形传播机理进行研究。模拟研究表明,采用FLAC3D软件可以较好地模拟条带开采上覆岩层长期变形特征。通过对各采空区和煤柱顶板及对应地表布设位移测点,得到顶板和地表不同时间段的竖向位移变化曲线。研究结果经分析得到,煤层开采后采空区顶板在自重和上覆岩层作用下,短时间内变形状态仍有较大变化;开采后21个月,各采空区顶板沉降变形开始趋于稳定;24个月后各煤柱顶板沉降变形开始趋于稳定;27个月后地表沉降变形开始趋于稳定;最终,采空区上覆岩层应力分布重新达到平衡。     

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.     

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。     

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。     

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。     

山区急倾斜煤层开采上覆岩层弯曲挠度预计

为了研究山区急倾斜煤层开采上覆岩层的弯曲变形规律,建立了上覆岩层弯曲变形的力学模型,运用弹性力学中的薄板弯曲理论,推导了上覆岩层弯曲挠度的预计公式,利用此公式对上覆岩层的弯曲挠度进行了计算。研究结果表明:(1)由于山区急倾斜煤层覆岩的线性荷载的作用,岩板的弯曲挠度曲线不再具有对称性,岩板弯曲挠度的最大值偏向于岩板倾斜的下山方向;(2)岩板弯曲挠度随着采深的增大而增大,岩板弯曲挠度最大值出现的位置逐渐由下山方向向采空区中点移动,但是最大挠度出现的位置不会越过采空区中点而位于倾斜岩板的上山方向;(3)岩板弯曲挠度随着山地倾角的增大而增大,岩板挠度最大值出现的位置距离采空区中点越来越远;(4)岩板弯曲挠度随着煤层倾角的增大而减小,岩板弯曲挠度最大值出现的位置距离采空区中点越来越远。     

四维地球物理技术在煤炭开采影响分析中的应用

正能源是国家经济建设与发展的基础,尽管目前中国处于能源转型阶段,但煤炭仍是中国的主要生产及消费能源。随着全球气候的变化,资源与环境的协调发展成为人们关注的焦点(钱鸣高等,2007)。对于可持续地下水资源利用、生态环境保护和煤矿绿色开采,研究煤矿开采引起的地下水变化和上覆岩层发育情况具有重要意义(范立民,2015;顾大钊,2016)。自然条件下,上覆岩层处于动态平衡状态,煤层采动后,采空区上覆岩层的应力平衡状态被打     

西部某水电站坝区采空区的工程效应研究

通过对西部某水电站的地质环境分析,揭示了采空区分布特征.对溢洪道进行数值模拟,研究采空区上覆岩层的影响范围,分析采空区对溢洪道的影响.最后综合分析采空区对水电站不同工程部位的危害,提出相应的处理措施.     

远程卸压瓦斯抽放数值模拟

利用新近开发的含瓦斯煤岩破裂过程固气耦合作用的F-RFPA2D数值模拟工具,模拟了潘一矿在下煤层开采过程中上覆岩层的移动、垮落的全过程,以及由于下煤层开采所诱发的上煤层(主采煤层)透气性演化过程,并对采动影响下煤层瓦斯抽放时瓦斯的流动运移规律进行了初步的数值模拟研究。模拟结果同现场工程实际比较吻合,表明利用F-RFPA来研究煤矿开采所诱发的煤层透气性演化和瓦斯运移等工程实际问题是可行的。      

利用三维地震资料解释煤层采空区的方法研究

以铁法矿区大隆矿东三采区周边煤层采空区的三维地震资料解释为例,在分析煤层采空区岩层形变机理及地质特征的基础上,介绍三维地震反射特征及沿层地震属性分析技术在煤层采空区解释方面的特点.通过示例研究表明由于煤层采空区上覆岩层的坍塌及形变,致使该区域不能形成反射波或反射信号微弱,采空区上部出现波速降低,地震反射波时间明显出现下拉现象;采空区范围内地震波振幅变弱,致使出现煤层反射波零乱及地震波同相轴中断现象.该区三维地震资料解释煤层采空区的研究成果证实,以现在地震地质解释精度,能够为煤层采空区周边工作面的合理布置和采空区探放水提供可靠的地质依据.     

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。      

煤层覆岩破坏的基本规律

所谓覆岩破坏规律,就是关于煤矿大面积采空区引起的煤层顶板岩层破坏的规律,主要包括覆岩破坏的特征、破坏范围的分布形态、最大高度及其影响因素等。在煤田勘探过程中,如何评价煤层上部对开采有威胁的含水层和地面水体(河流、湖泊)对煤矿开采的影响,以及如何结合煤矿开采的需要合理地进行地质勘探,是近年来煤田地质勘探中出现的新问题。为了有效地解决这些问题,需要运用煤层覆岩破坏的基本规     

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。     

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。     

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。     

陕北浅埋煤层采空区积水下安全开采技术研究

浅埋煤层上覆采空区水威胁着陕北地区诸多煤矿的安全生产。以陕北地区某煤矿为例,针对该类水害问题进行分析,通过经验公式、数值模拟等方法计算,开采3-1号煤层产生的覆岩导水裂缝带高度至少为66 m,运用类比法及经验公式预计,矿井正常涌水量为163 m3/h,最大涌水量203 m3/h,3-1号煤层上覆采空区积水量约为2.6×106 m3。根据各计算结果,提出"物探先行、钻探验排、先治后采、有掘必探"的安全开采技术方案和思路,为矿井后期制定合理有效的煤层顶板采空区水综合防治措施打好基础。      

近地表上覆岩层直壁塌陷机理及稳定性分析

介绍了川口钨矿塌陷区岩层的地质条件、岩石的力学性质和工程地质调查与评价的结果;通过井下和地表现场调查和勘察测定,给出了井下采空区的边界范围和地表塌陷范围的对照图,分析了上覆岩层的塌陷特点,确定了采空区上覆岩层呈现典型的筒状直壁塌陷。根据采空区围岩和上覆岩层的节理裂隙发育程度不同,采用太沙基地压理论解释了采空区周边围岩和上覆岩层的力学作用机理和破坏特点,对太沙基理论进行了改进,并给出了力学分析图、推导了地压计算公式;进而采用极限破坏理论对不同开采跨度时上覆岩层的稳定性进行了分析和计算,并给出了在保证不产生筒形塌陷条件下、不同覆盖层厚度时的安全开采跨度和安全系数之间的量化关系。     

影响覆岩离层注浆减沉效果的地质因素

煤层开采后,采空区上覆岩层内产生离层现象,注浆充填离层可以减小地面沉陷。覆岩离层注浆减沉效果受离层带地层条件、离层围岩透水性和工程地质特性的影响,表现为离层的形成、宜于注浆的离层带的位置、注浆液的保存与支承力的维持。      

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。     

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。