综放面覆岩运动“时-空-强”演化规律分析

综放面覆岩运动是制约安全开采的关键问题之一。以新疆大南湖一矿1303综放工作面开采为工程背景,基于对工作面覆岩运动"横三区"与"竖三带"经典理论的理解,将区块链式演化思想应用于综放覆岩运动数值模型构建与链式演化过程精细计算,构建开采扰动区覆岩物理与数值计算模型,并将其植入三维有限差分计算FLAC~(3D)程序,揭示综放面覆岩运动"时间-空间-强度"链式演化与失稳破坏规律。结果表明:大南湖一矿综放面覆岩垮落带与裂隙带分别约为16.8 m与115 m.具有承载性的岩层受到外力破坏,均会出现应力集中;岩层垮落根据承载层和开挖尺寸不同,出现"分离-协同"运动现象,应力呈现"集中-分离-集中"规律,重合后的应力演化集中,造成工作面强矿压作用,这对现场安全开采提供了科学指导作用。     

含水层下充填开采最小充填量的确定

为确定红阳煤矿含水层下1201工作面充填开采的最小充填量,采用理论分析和数值模拟的方法对不同充填高度时,充填开采后的覆岩破坏范围进行分析。应用板壳理论分析得出造成充填开采后覆岩破坏的条件是岩层承载的载荷大于临界载荷,并且岩层下方的自由空间高度大于岩层的极限位移,据此建立了充填开采覆岩破坏范围的计算方法。数值模拟分析了不同充填量时的覆岩破坏范围。两种分析方法都得到断裂带发育高度是跳变过程,而不是连续渐变的过程。结合理论分析和数值模拟结果确定最小充填量,采用钻探的方法对现场的覆岩破坏高度进行探测,探测结果与理论计算和数值模拟的结果高度吻合。说明采用板壳理论分析充填开采覆岩变形破坏过程准确可行。     

采动覆岩破坏演化特征模型实验与分析

采动覆岩破坏演化特征研究对煤炭安全开采具有重要指导意义。以新疆哈密大南湖一矿1303工作面为研究对象,根据开采技术条件,构建采动覆岩破坏演化特征实验模型;分析覆岩运移特征与声发射监测信息,揭示了采动覆岩单次破裂及来压过程中多次破裂的能量耗散与演化特征,其历程分别为"释放-积聚-释放"与"裂隙扩展-破裂-垮落"。借助钻孔电视判定覆岩破坏演化高度,结果表明:工作面开挖后,覆岩破坏高度随模型开采持续增加,但受下方煤岩体碎胀效应影响,覆岩破坏高度增幅随来压次数增加而逐渐降低。工作面推进至246.4 m时,破裂岩块间形成稳定的挤压平衡结构,工作面达到充分采动状态,采动覆岩破坏高度峰值为96.0 m.相关研究成果为指导工程实践提供了定量依据。     

覆岩顶板导水裂隙带发育高度模拟与实测

文中主要研究榆阳煤矿延安组3#煤层覆岩导水裂隙带发育高度等问题,为矿井防治水和保水采煤提供设计依据。以2304综采面为工程背景,应用UDEC数值软件模拟计算了覆岩冒落带及导水裂隙带高度,并在采空区钻探和试验。研究表明:依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(以下简称《规程》)计算所得导水裂隙带最大高度为32.4~43.6 m.数值模拟冒落带和裂隙带高度分别为16和86 m.现场钻探、试验实测冒落带高度介于14.2~17.2 m,导水裂隙带发育高度介于84.8~96.3 m.导水裂隙带高度明显大于按《规程》计算得到的数值,经验计算在解决榆阳煤矿导水裂隙带高度时存在一定的局限性和区域性,而数值模拟的冒落带高度和导水裂隙带发育高度得到了现场实测结果的验证,两者结果基本吻合。综合结果所得:2304综采面覆岩冒落带最大高度为17.2 m,导水裂隙带最大发育高度为96.3 m.     

胶结充填开采两端固定岩梁模型及梁式断裂分析

考虑采空区胶结体在强度形成区内对顶板的支撑载荷与距离工作面长度呈线性关系,基于垮落法两端固定梁模型,建立胶结充填开采两端固定岩梁力学模型,得到岩梁剪切力、弯矩分布和两端支座反力的表达式;提出充填开采极限跨距概念,从岩梁抗拉、抗剪强度推导出极限跨距表达式;提出充填开采工作面极限推进速度概念,并推导出其表达式。应用模型和概念公式对某矿2414工作面进行计算。研究结果表明:充填开采时,岩梁最大剪切力、弯矩位于煤壁处,与垮落法开采相比,剪切力和弯矩更小;增加支柱(架)的支撑力,可减小岩梁两端剪切力和弯矩;按抗拉和抗剪强度计算充填开采极限跨距分别为24.6 m和85.8 m,胶结体须在12.5 d内形成抵抗上覆岩层载荷的强度;岩梁剪切力和弯矩分布均为非对称性;煤壁处的支座反力、弯矩分别为采空区侧岩梁端2.28和1.49倍;充填开采有利于采空区后部沿空巷道的维护。     

采空区覆岩破坏高度监测分析

利用覆岩破坏高度观测钻孔进行相关测试研究,根据现场钻孔冲洗液漏失量、钻孔水位变化以及井下彩色钻孔电视影像,探明了煤层开采后上覆岩层内垮落带和导水裂缝带的发育高度及其分布形态.     

成庄煤矿4311综放工作面矿压显现规律及覆岩垮落特征

掌握综放工作面来压和覆岩运移规律对综放工作面安全高效开采具有重要意义。以成庄煤矿4311综放工作面为工程背景,通过物理模拟对工作面覆岩垮落特征、矿压显现规律、支架载荷分布规律和覆岩"三带"发育特征进行了研究。结果表明:4311工作面初次来压步距58.5 m,周期来压步距11.5～27 m,平均18 m。工作面覆岩垮落呈现明显的"三带"分布规律,垮落带高度最大48 m,裂隙带高度最大169 m,煤层顶板169 m以上为弯曲下沉带。工作面推进222 m后达到充分采动,最大裂采比26.20,工作面顶板来压时,支架载荷一般大于3 500 kN/架,最大为4 115 kN/架,给出了合理的支架选型工作阻力为4 372～4 938 kN,4311综放工作面开采过程中没有出现压架现象。     

皖北孙疃煤矿防砂煤岩柱开采可行性研究

为探究防砂煤岩柱开采是否可行,以皖北某煤矿的地质资料和工作面概况为基础,通过理论计算垮落带高度、保护层厚度以及安全防砂煤岩柱最大高度,并运用FLAC 3D软件对煤岩柱合理留设的大小进行科学研究。结果表明：参照规范,当覆岩为软弱型和中硬型时,垮落带分别为9.59 m、14.17 m,保护层厚度分别是10.4 m、15.6 m,安全防砂煤岩柱的最大高度为29.77 m。覆岩产生的竖向应力、位移以及剪切应力均在安全开采的范围之内,煤矿开采是合理的、可行的。     

软弱风化薄基岩赋存特征及其采动覆岩破坏规律

从矿区软弱风化薄基岩的赋存特征、赋存规律及矿区上覆水体类型和水文地质条件入手进行分析,结合相似材料模型模拟试验,获得了研究区薄基岩下开采覆岩破坏的基本规律及“三带”的发育特征.对薄基岩下采煤厚度3 m时的垮落带及导水裂隙带发育高度进行计算,计算结果分别为11.5m和42 m.根据地质采矿条件利用离散元数值模拟对薄基岩开采上覆岩层矿压运动规律进行了研究,结果表明,基岩较薄条件下,老顶来压断裂步距小,工作面前方支承压力分布范围为12 m,支承压力峰值点在工作面前方4～12m内,小于厚基岩工作面,但工作面矿压显现明显;对不同煤层采厚情况下垮落带的高度与导水裂缝带的发育程度进行确定;为煤层安全开采提供定量判据,为防治水工作提出相应的措施.     

低瓦斯高强度开采综放工作面卸压瓦斯抽采关键技术

为研究低瓦斯高强度开采综放工作面采动覆岩裂隙演化过程中瓦斯的运移规律,提高矿井瓦斯治理能力,以王家岭矿12302工作面为例,研究了煤层开采后上覆岩层的垮落和位移特征,通过分形维数定量描述了裂隙的发育情况,得到了覆岩的三带高度、跨落角、裂隙区等参数,以此参数建立数值模型研究采动裂隙与瓦斯运移的耦合特性,将研究结果应用于现场的卸压瓦斯的抽采设计并进行了效果检验。结果表明:走向模型的冒落带为28.2 m,裂隙带为118.6 m,切眼处和停采线处的垮落角分别为59.5°和51.5°,倾向模型的冒落带为28.2 m,裂隙带为113.6 m,进刀端和停采线处的垮落角分别为62.5°和55.5°;随着工作面开采距离的增加,分形维数先增大后减小最后趋于平稳;采场卸压瓦斯整体上有向上、向采空区深部、向回风巷一侧运移的特性,采空区深部瓦斯浓度可达20%,上隅角瓦斯浓度接近1.5%,采动裂隙带瓦斯聚集区位于距回风巷20～50 m、高度距煤层顶板25～50 m范围内;采用高位定向长钻孔抽采采动裂隙带聚集瓦斯的抽采效果较好,上隅角和回风流瓦斯浓度均小于0.8%,保证了矿井的安全生产,为类似条件下的瓦斯治理提供参考。     

浅部隔离煤柱对覆岩运移的控制及其合理留设

为了揭示西部浅埋工作面沿倾向方向开采时隔离煤柱对覆岩运移的控制作用,以大柳塔煤矿为工程背景,采用相似材料模拟试验方法,分析工作面开采中隔离煤柱对覆岩垮落、移动变形的控制作用及其应力变化特征,并确定煤柱的合理留设。研究结果表明,采区倾向方向上,由于工作面间存在隔离煤柱,各工作面开采会形成彼此独立的垮落带,隔离煤柱有效地分隔了相邻工作面垮落空间的横向贯通和纵向扩展,隔开了相邻工作面上覆岩层沉降曲线;覆岩垮落高度与工作面倾向开采长度密切关系,非充分采动较充分采动时覆岩垮落高度明显降低。在煤层开采过程中,留设30 m宽的1^#~4^#煤柱处于稳定状态,但3^#、4^#煤柱安全性较低。理论计算出了2^-2煤和5^-2煤合理煤柱宽度分别为18.6 m、24.5 m,得出了避开煤柱集中应力与控制地表均匀沉降的上下煤层煤柱最佳错距为95.5 m。     

某煤矿导水裂隙带发育高度计算

 某煤矿北翼充填采区地层以奥陶系灰岩作为含煤地层基岩,其上覆岩层中第四系孔隙承压强含水层全区发育,研究充填开采后导水裂隙带发育高度对实现安全开采具有重要意义。本文以等效采高为基础,利用理论计算、数值模拟、相似材料模拟3种方法对某煤矿导水裂隙带发育高度进行预测,得出导水裂隙带高度分别为12.72,12.50,14.28 m。结果表明：3 种预测方法相比较具有良好的吻合性,对某矿井的水体下安全开采实际工程实践提供了重要的理论依据。     

软岩厚煤层综放开采覆岩破坏特征实验研究

为了探讨软弱岩层条件下厚煤层综放开采的覆岩破坏及矿压显现规律,运用三维相似材料模型实验台对铁煤集团大平煤矿S2S9工作面开采过程进行了实验研究,综合运用内部传感器监测和外部量测来获取模型应力、位移.实验结果表明:在未充分采动前,覆岩裂隙带范围总体趋势是按"梯形"的方式向上向前扩展,在工作面的推进过程中,直接顶初次垮落步...     

薄基岩厚冲积层倾斜采场覆岩破断及裂隙带发育高度研究

针对新河煤矿3302工作面薄基岩厚冲积层条件下煤层开采易发生透水事故的隐患,建立"砌体梁"结构模型并分析其稳定性,利用数值模拟的方法模拟倾斜工作面覆岩导水裂隙带发育高度,最后通过现场测试进行验证。结果表明:薄基岩厚冲积层条件下的倾斜工作面基本顶在发生破断后形成的"砌体梁"结构易发生回转变形失稳和滑落失稳,采空区导水裂隙带发育高度为55.3m,裂采比为11。     

长臂充填开采上覆岩层移动规律数值模拟

针对王河煤矿10903工作面在开采过程中引起地表下沉问题,用RFPA2D软件对不同弹性模量充填材料下的充填开采和全部垮落开采进行数值模拟,模拟了全部垮落法开采时岩层破坏和裂隙分布情况,全部垮落法随工作面推进关键层及地表下沉情况;不同弹性模量充填材料下的充填开采随工作面推进关键层及地表下沉情况.结果表明：全部垮落法开采会引起地表的塌陷,而充填法能有效控制关键层弯曲下沉量和地表沉陷.充填体弹性模量从1 GPa增加到5 GPa时,工作面前方垂直应力集中程度逐渐降低,关键层下沉量逐渐减小,最大下沉量从510 mm 减小至285 mm.最后通过地表沉陷观测验证了充填材料配比和数值模拟计算的合理性.     

高瓦斯矿井复合顶板综放工作面支架选型

本文主要以山西兰花集团大阳煤矿三采区首个综放工作面为依据,通过类比法、经验法、理论计算法科学合理地对3303工作面进行了支架选型,针对工作面顶板、煤壁、初末采、断层、瓦斯及过陷落柱群等可能出现的问题提前采取应对措施,顺利通过了初次来压及X102,X101,X83陷落柱群及X98陷落柱和其伴生的F77正断层,并实现了瓦斯零超限,具有很好的推广意义。     

大采高浅埋煤层工作面矿压显现特征模拟及试验分析

为研究浅埋煤层在大采高条件下顶板运移规律及矿压显现特征,通过构建数值模型研究了3～7 m采高条件下的顶板破断过程及来压规律,构建物理模型分析了顶板垮落及支架工作阻力变化特征。研究结果表明:随着采高的增大,顶板回转角度不断增大,且出现了明显的台阶下沉现象,采高从3 m增大到7 m地表沉降量增加了3.5 m,顶板的初次来压及周期来压步距整体呈增大趋势;煤壁支承压力峰值随采高增大往工作面前方迁移,影响范围也不断增大,在采高5 m时达到了最大值10.53 MPa,之后回落并趋于稳定,证明支承压力并非随采高增大而持续增大;随着采高的增大顶板卸荷损伤区域迅速向上扩展,使上覆岩层裂隙充分发育,诱发顶板的大范围切落,大采高形成了"悬臂梁-砌体梁"结构,形成了工作面的剧烈来压。物理模拟结果表明,切顶发生时支架工作阻力提升到了9 614 kN,较周期来压时增大了16.1%,比普通采高时有了较大的提升。因此选取合理的采高对于保证采空区稳定减少顶板灾害事故至关重要。     

两硬浅埋条件下6.0m采高工作面顶板运移规律数值分析

大采高开采是特厚煤层实现高产高效的主要方式之一.为了确保张家峁煤矿浅埋坚硬煤层和顶板两硬条件下大采高工作面安全高效开采.基于室内岩石力学实验,获得了力学参数,采用三维有限差分计算程序-FLAC3D,计算并分析了浅埋、坚硬煤层顶板条件下大采高开采的顶板运移规律.研究表明,在6.0m大采高开采过程中,随着工作面的推进,超前支承应力不断变化.工作面超前支承压力影响范围变窄、压力峰值向工作面内移,超前支承压力均高于未受采动影响下的状态.这为现场安全开采提供了理论依据.     

大采高采场上覆岩层运移规律数值模拟

为了研究大采高采场上覆岩结构及其运移规律,给大采高工作面的高产高效开采提供理论基础,通过3DEC数值模拟软件,以某矿6.2 m大采高工作面岩层赋存特征为工程背景,分别建立采高为2.2 m,3.2 m,4.2 m,5.2 m,6.2 m时的数学模型,研究不同采高下的上覆岩层垮落规律.结果表明:采高较低时,随着采高的增加,碎胀系数随着增加,冒落高度也随着增加,但是当采高增加到5.2 m时,随着碎胀系数的增加,冒落高度却几乎不变.采高为2.2 m时,最大离层量为1 m,随采高的增加,离层量基本呈直线增加,当采高大于4.2 m时,离层量增加迅速,当采高增加至6.2 m时,最大离层量可达到3.05m.随着离层量的增加,基本顶失稳时容易给支架造成冲击性载荷,增加动载系数,影响大采高支架的纵向和横向稳定性.