急倾斜煤层分段开采下部煤岩体应力及位移演化规律

为了掌握急倾斜特厚煤层分段开采时工作面下部煤岩体应力及位移演化规律,采用数值模拟方法研究了工作面下部煤岩体和工作面底板的应力及位移分布,并分析了分段高度和开采深度对下部煤岩体应力及位移的影响。研究表明：上分段开采后,下部不同深度煤岩体卸压范围均呈长轴沿煤层走向的椭圆状,但卸压范围并不对称,底板侧和顶板侧的煤岩体卸压程度不同,靠近底板侧卸压程度更大。下部煤体卸压深度大小为底板侧>工作面中部>顶板侧。煤层底板不同深度出现不对称卸压区,靠近回采分段上端部的煤层底板处垂直应力明显集中。急倾斜煤层分段开采,段高对下部煤体的卸压深度范围影响较小。开采深度不同时,随着埋深增加,工作面下部煤岩体应力集中区域增大,下部同一深度煤体的垂直应力、垂直位移均出现明显增加,开采深度对工作面下部煤岩体的卸压范围影响明显,埋深越大卸压范围也越大。     

邹庄矿井F25逆断层保护煤柱合理留设研究

为研究大型逆断层保护煤柱留设问题,以邹庄矿井F_(25)逆断层为工程背景,对该断层切割煤层底板奥陶系灰岩可能导致87采区煤层回采过程中断层"活化"突水情况进行分析,利用FLAC3D软件对留设不同宽度煤柱下应力场、塑性破坏区、断层带附近岩体垂向应力变化及断层"活化"规律进行了研究。结果表明,随着留设煤柱宽度变小,采动应力穿越断层带,在上盘形成应力集中区,垂向应力的演化明显滞后于水平应力;当煤柱宽度减小到20 m时,煤层顶底板表现出不同应力演化特征,且塑性破坏区与断层带导通,从而导致煤层顶断层带先于煤层底断层带"活化",经分析得知邹庄矿井F_(25)逆断层保留煤柱为20 m较为合理,与该矿井实际生产吻合。本研究结果为分析类似工程背景下保护煤柱留设具有一定参考价值。     

基于裂纹扩展的含隐伏断层底板突水评价

 为研究承压水上开采时含隐伏断层底板的安全性,根据断裂力学理论建立导水断层活化扩展的理论模型。将煤层底板看做半平面无限体,把底板中含水层顶部以上的隐伏断层建模为有限宽度板条的倾斜边缘裂纹。根据采场底板的支承压力分布规律,将其简化为若干分段线性载荷加载至底板,纳入断层产状、断层在底板中埋深、工作面推进距离、含水层水压、断层面摩擦角等各种参数,推导得到底板内任意一点的应力公式。将其应用到隐伏断层面上各点,综合考虑各点法向应力、剪应力对裂纹活化的影响,计算得到采动条件下断层面上的有效切应力分布。该有效切应力剔除了裂纹面上摩擦效应对压剪裂纹扩展的影响,将其代入断裂力学相关公式,计算得到隐伏断层前缘的应力强度因子,最后通过定义突水安全指数建立了底板突水判据。以某矿带压开采工作面为例,根据相应水文和地质资料,计算得到在工作面推过隐伏断层的整个过程中断层活化突水危险性的变化规律,所得结论与工作面现场微震监测数据相符,即当工作面推进至采空区位于隐伏断层正上方区域时,断层面承受有效剪切最充分,剪切应力强度因子最大,突水安全指数达到峰值,这与现场微震监测结果中显示的在该推进阶段中,原有隐伏断层附近派生裂隙集中出现、突水危险性最高的结果相符合。     

采动条件下底板潜在导水通道形成的微震监测与数值模拟

以某矿综放工作面开采过程为背景,利用微震监测技术进行现场监测,并借助有限差分FLAC^3D进行数值分析,研究在采动应力场不断变化过程中底板岩体微震破裂事件的时空演化规律,揭示煤层采动条件下潜在导水通道的孕育、发展和贯通过程.微震监测结果表明:微震事件数一定程度上反映了开采扰动对底板岩体破坏程度的影响;采煤期间,回采工作面附近微震事件呈现密集分布,底板岩体采动破坏严重,底板破裂深度达15m.数值分析表明:由于煤层采动导致采场周围应力重分布,工作面前方应力增高,采空区下方应力降低,底板岩体随工作面回采经历了应力集中、释放并最终破坏;底板塑性破坏区深度达14m.     

断层导致煤层突出危险性增大的原因分析及防治措施

煤与瓦斯突出机理至今仍是世界性的研究课题,本人认为断层附近的残余构造应力是引起煤与瓦斯突出的主要原因。本文分析了采掘工作面过断层时煤层突出危险性增大的主要原因:断层附近煤层顶、底板岩层内储存有残余构造应力,采掘工作面过断层时,残余构造应力的自然释放可能导致突出的发生,同时提出了防治突出的措施,可为防突工作提供参考。     

正断层下盘采动支承压力分布及对上盘的影响分析

采用UDEC数值模拟软件,对正断层下盘工作面推进过程中,断层上、下盘煤层支承压力、顶板垂直应力以及塑性区分布情况进行了研究。由于存在断层地质构造,破坏了岩层的连续性,导致初始应力场发生挠动,在断层局部区域产生附加的构造应力。研究结果表明:在正断层下盘附近形成了低应力区和高应力集中区带,支承压力明显影响范围距断层面约10~30m;断层上盘煤层上支承压力峰值在靠近断层面附近约35m处;当工作面推进至距断层面25m时,保留的煤柱仍然有足够的承受强度,在工作面支架回撤时能够保障回撤安全。     

受顶底板双向承压水威胁煤层开采技术研究

8601面为查庄煤矿深部8层煤首采工作面,直接顶为四灰含水层,下距徐灰含水层32．8m,由于四灰、徐灰含水层岩溶裂隙发育,含水丰富,该煤层开采受顶底板双向承压水威胁,为此对该煤层安全开采进行了技术研究,通过综合手段探查条件,制定了针对性的防治水措施,实现安全开采。该面为肥城矿区开采标高最深,受承压水威胁最严重的工作面,它的成功开采,开创了肥城矿区8层煤大采深、高水压开采的先河,为同类条件下其它煤层开采奠定了较好的基础。     

基于FLAC3D五沟煤矿1019工作面采动围岩变形研究

垮塌和突水是严重威胁矿井安全的因素,五沟煤矿1019工作面属于深部煤层开采,开采难度较大,同时首次采用走向长壁开采的方式开采10煤。为实现安全绿色开采,根据五沟煤矿的工作面概况及水文地质资料,使用FLAC3D软件对煤层开采过程中的围岩变化进行模拟。通过对工作面推进过程中竖向应力、竖向位移、剪切应力云图的分析得出:煤层开挖后工作面围岩应力重新分布,在应力的作用下产生变形,但在渗流模式下煤层顶底板的应力和位移较小,工作面整体相对稳定。结合安全开采提高围岩性能的思路,提出对煤层顶底板实行监控及支护手段,进而为1019工作面安全开采提供理论可行性支持。     

基于FLAC3D的断裂滞后突水数值仿真技术

针对中国华北型煤田煤系地层底板下伏奥陶系巨厚层灰岩含水层水压高,动、静贮量丰富,是构成矿井深部开采主要充水水源的实际现状,选择具有较好的过水能力、可能形成底板奥灰水突出通道的开滦矿业集团范各庄矿F0断层为研究对象,采用蠕变力学试验方法,取得了用于数值仿真计算的F0断层物质力学参数,运用FLAC3D数值仿真软件,对受断裂影响的采矿活动进行了流—固耦合模拟和渗流蠕变计算.研究结果表明:煤层顶板岩层受采动影响的影响带范围在断层两侧发育明显,上盘岩层的位移量偏小,下盘岩层的位移量偏大;底板岩层垂直位移量上盘岩层的位移量偏大,下盘岩层的位移量偏小,顶底板岩层垂直位移量在断层附近最大.断裂构造的切割作用使得底板在承受较大构造应力的情况下存在大范围的剪应力区,断裂破碎带的应力集中有是造成底板破坏、发生底板突水的关键.该研究成果对于有效预防断裂滞后突水具有一定指导意义.     

带压开采底板应力场及变形破坏特征试验研究

本文结合朱庄煤矿3629工作面实例,利用数值模拟、相似材料模拟研究方法探讨了带压开采煤层底板及断层处的应力场及变形破坏特征。重点讨论了煤层底板的应力、位移随工作面开采的变化规律,为带压开采突水防治提供理论依据。     

基于数值模拟的不同工作面宽度下开采煤层底板流固耦合破坏规律研究

随着煤矿开采业的迅速发展及规模的不断扩大,采煤工作面的宽度越来越宽。采用数值模拟的方法,综合考虑地质构造,煤层开采,矿山压力,含水层水压力等因素,从渗流与应力耦合作用的角度入手建立了底板含水层均布水压流固耦合模型。运用FLAC3D有限差分数值模拟软件对采动工作面底板进行数值模拟,分析了不同工作面宽度下采动煤层底板应力分布状态以及破坏特征和渗流特性。重点模拟工作面推进过程中不同工作面宽度下底板的变形,破坏区域,导升带高度变化情况,得出在进行采矿活动过程中,要在综合考虑多种因素前提下,选取合理的工作面宽度,以保证安全开采的结论。     

房柱采空区下应力分布特征研究

为研究房柱采空区煤房煤柱交替分布对下位近距离煤层顶板应力分布影响规律,采用数值模拟方法对大地精矿房柱采空区下应力分布特征进行研究,研究表明:房柱采空区底板岩层中应力从无煤柱区到房柱采空区下方区域应力分布依次为端煤影响应力增高区、端煤影响应力降低区和采空区煤柱影响稳定区;根据采空区煤柱影响稳定区下底板应力波动范围确定了模拟地层采空区煤柱集中应力工程影响深度,影响深度范围外煤层开采工作面顶板压力及超前支承压力分布受上部煤柱集中应力影响较小,范围内煤层开采工作面顶板压力及超前支承压力分布受上部煤柱集中应力影响剧烈。研究结果对于类似条件的煤层开采及时采取有效顶板控制措施具有实际意义。     

双重上保护层叠加开采应力分布规律

为获取双重上保护层重叠采动作用下的煤层卸压规律及保护层间的相互影响，以平煤八矿一采区为原型，采用FLAC3D软件模拟了丁、戊组煤层多工作面重叠开采过程。研究结果表明，仅丁组煤层开采时，采区边界煤柱对应范围出现应力集中现象，最大应力值达到19 MPa,影响范围达到下方80 m,不利于被保护层卸压。工作面间区段煤柱最大应力值达39 MPa,但向底板传递范围较小。丁组单独开展卸压区域能够影响至己组，己组煤层应力卸压值约为1 MPa;丁组、戊组煤层重叠开采，当戊组工作面位于丁组煤层区段煤柱下方，同时丁组工作面位于戊组工作面区段煤柱上方，使丁组煤层工作面间区段煤柱应力集中减弱利于卸压，丁组煤层区段煤柱应力值由39 MPa卸载至7.5～10 MPa之间；同时当己组煤层位于戊组单独保护范围时，垂直应力卸压值为2～3 MPa,当己组煤层位于丁戊共同保护范围时，垂直应力卸压值为4～6.5 MPa。     

采用工作面超前注水法提高跨采底板巷道围岩稳定性

在蒋庄煤矿3下煤层710工作面实际跨采工程中,为降低上部工作面超前支承压力峰值对底板巷道的影响,提出工作面超前注水法。通过分散上部工作面开采形成的超前支承压力,降低支承压力峰值,避免过大的应力峰值集中传递到底板巷道围岩而导致底板巷道围岩失稳。结果表明,超前注水后,煤体强度降低23%,底板巷道的顶底板移近量最大160mm,超前影响距离为70m,达到预期效果。     

保护层开采过程中围岩应力演化规律研究

分析了冲击煤层上保护层开采过程中围岩应力演化规律,研究表明：在工作面开采前方0～20m范围煤岩体内纵向压力处于增长阶段,应力集中系数达到2.0,在20～60m为纵向压力逐步恢复阶段,应力集中系数达到1.7,应力集中峰值出现在工作面前方5m处左右,工作面开采50m之后,超前支撑压力有规律的呈现两次应力集中和两次应力释放现象;分析了保护层采空区及工作面下覆不同垂直高度处围岩应力随煤层开采进度演化规律,指出采空区纵向应力随采空区深入,呈现逐步增大趋势,在采空区两侧下方被保护层应力值升高幅度要大于其中间区域,保护层工作面的压实作用传递到被保护层工作面在空间上稍微滞后,这个滞后的距离在30～40m之间。     

断层带煤体瓦斯地质特征与瓦斯突出的关联

针对煤与瓦斯突出煤层开采期间的突出与断层之间的关联问题,采用瓦斯地质方法,通过矿井开采实例研究了井田内断层封闭与开放的瓦斯地质特征,并根据断层附近瓦斯涌出规律判断断层与突出的关系.研究结果表明:断层的开放性与封闭性对煤与瓦斯突出具有控制作用.封闭性断层带附近瓦斯涌出异常增大,构造应力集中、常常封闭有高能瓦斯以及发育的构造煤,为煤与瓦斯突出创造条件;开放性断层带附近具有煤层瓦斯压力相对较低,煤层瓦斯含量较正常下降的特征,而在远离断层面的一侧,伴随有平行断层的条带状煤层应力集中区,其中具有煤层瓦斯压力大、煤层瓦斯含量高的特征.该成果对煤矿在煤层断层带开采瓦斯防治具有一定的理论价值和实用意义.     

房柱式开采残煤复采顶底板应力分布规律的数值模拟研究

以山西晋城市西河煤矿残煤资源长壁法复采工程为背景,建立房柱式残煤长壁复采的三维有限元模型,采用有限元模拟了残煤复采过程并计算顶底板应力分布。结果表明:房柱式残煤复采过程中顶底板应力增高区较整装煤层综采增加5~10m,工作面通过空巷时顶底板应力突然增加1.5~2.5倍,对支护设备影响较大。采出面积比越小、煤柱面积越小则顶底板应力的变化率越大。揭示了房柱式残煤复采过程中的矿压显现规律,对相似条件下的残煤复采具有指导意义。     

条带开采采场应力分布规律的光弹性实验研究

应用光弹性模拟实验方法，对条带开采煤层顶底板及条带煤柱的应力分布规律进行了深入的研究，得出了随着煤层倾角的变化条带采场应力场及应力集中转移规律。     

开采扰动区断层采动活化诱发岩体动态变形模型实验

开采扰动区断层采动活化是诱发动力学灾害的典型难题之一。断层采动活化诱发岩体动态变形规律研究是揭示煤岩体结构、应力与力学行为对灾害控制作用的基础前提。通过对物理相似模型实验和声发射、应力与变形指标监测,揭示开采扰动区断层下盘、断层附近及断层上盘随工作面推进覆岩运移和矿压显现规律。实验研究表明:断层存在破坏了煤层顶板及上覆岩层的整体连续性,工作面矿压及上覆岩层垮落规律表现异常,断层极易活化,滑移现象明显;断层活化诱发上覆岩层发生整体切落,对工作面前方煤体产生很高的集中应力载荷,易诱发动力灾害。这为采动岩体动态断裂失稳和突水等灾害预报与调控提供理论依据。     

采掘工作面冲击地压防治

在巷道周围或工作面顶底板附近,打集束卸压孔,大量取出岩煤,在垂直钻孔的围岩断面上形成一个呈多孔状的弱面,在空间中形成一系列空岩管覆盖或围绕在一定距离的巷道周围或工作面顶底板中.当集中应力作用于巷道围岩时,首先破坏该弱面结构消耗能量,破坏后的该弱面会中断或减弱应力传递,井导致应力集中区向两侧深部岩体转移(采空区或较安全位置),保护巷道不产生或减少两帮挤进和底鼓.当发生地压冲击时,集中应力主要作用于两侧深部煤岩体,从而保护采掘巷道和局部工作面,确保人员设备安全与生产连续进行.