榆神府矿区覆岩协调沉降开采技术

为研究协调沉降开采中覆盖层的运动破坏规律和导水裂隙发展规律,确定榆神府覆岩协调沉降开采参数,采用相似材料模拟实验研究和煤柱稳定性理论进行分析.模拟实验表明,在覆岩协调沉降开采中,充填煤柱的逐渐失稳使采空区上覆岩层产生协调沉降运动,上覆岩土层进入裂隙带或弯曲下沉带,阻止了导水裂隙带的发展,保护了隔水层的稳定.理论分析表明,所确定的充填煤柱能够适时失稳,支撑煤柱能够保持永久稳定,到达了覆岩破坏协调沉降目的.现场开采实践证明开采参数确定合理.     

急倾斜煤层不同覆岩结构导水裂隙演化规律

基于龙湖煤矿南二采区急倾斜煤层的赋存和水文地质条件,采用离散元数值计算方法,分析了覆岩结构组合对急倾斜煤层开采导水裂隙演化规律的影响。结果表明:急倾斜煤层采场上覆岩层无关键层及覆岩结构组合为隔水-结构关键层时,导水裂隙分布呈"耳型"特征;采场上覆岩层存在结构关键层,直接顶为坚硬岩层和软弱的隔水关键层时,导水裂隙以平行于层面的离层裂隙为主;急倾斜煤层开采不同覆岩结构组合,导水裂隙发育高度均随煤层采厚的增加呈增大趋势,裂采比呈降低趋势。现场依据导水裂隙分布特征,设计了合理的防水煤柱尺寸和矸石充填注浆胶结顶板控制技术,确保了水体下急倾斜煤层的安全回采。     

急倾斜煤层走向综采覆岩破坏特性研究

为研究急倾斜煤层走向综采覆岩变形及破坏规律,采用力学分析、相似模拟实验及数值模拟分析,得到工作面覆岩破坏特性及岩层移动规律.研究表明:(1)急倾斜煤层综采面推进后,顶板位于工作面中部偏上覆岩处的岩层出现了挠度最大值,导致顶板断裂呈现由工作面顶板岩层的"中上部-上部-中下部-下部"的垮落顺序.(2)工作面上部覆岩以产生拉伸破坏为主,中、下部覆岩以剪切破坏为主;直接顶冒落的矸石充填下部近1/3的采空区域,且上部出现垮落区域比下部范围明显更大.(3)工作面下部应力集中系数比上部大1.2倍左右,工作面的下部端头支护处在极不均匀的高应力集中区,工作面端头及超前支护相当困难.     

三软煤层沿空掘巷煤柱稳定性分析及支护技术

针对许疃煤矿3238工作面风巷沿空掘进施工位于上一采空区顶板断裂形成的应力集中区,且局部老空区水长期浸泡小煤柱,造成施工巷道变形显著这一现状,通过理论分析,构建了覆岩及煤柱力学模型,揭示了3238风巷围岩破坏特征及控制原则,理论计算了煤柱的塑性区和破裂区范围,并结合数值模拟及现场试验,综合研究表明,3238风巷合理的小煤柱留设为5m;提出了“顶帮同治、治底固帮、整体承载”的控制技术,同时对该巷道施工了一次“强支护”及小煤柱注浆加固等关键技术;结合窥视结果及现场支护应用,一次“强支护”及小煤柱注浆加固措施可满足安全生产要求.     

孤岛煤柱膏体充填开采覆岩运动规律研究

为研究孤岛煤柱膏体充填开采覆岩运动规律,对岱庄煤矿2351膏体充填工作面支架压力进行了实际观测和分析。由于周围工作面回采结束时间较长,采空区内覆岩跨落后已经基本稳定。该工作面充填开采顶板初次来压步距为33.6 m,监测到的前4次周期来压步距分别为18.3、8.8、13.79、m。膏体充填条带煤柱开采采场与覆岩结构的特殊性决定了第一个周期来压步距相对较大。由于三面采空,虽然采用膏体充填采空区支撑上覆岩层,工作面顶板及其上覆岩层的断裂和下沉仍然十分显著。充填膏体的支撑作用使采场宏观矿压显现不明显,但三面的采空导致支架上的工作阻力较大,在推采停顿时间较长时矿压显现尤为明显。     

倾斜煤层开采离层空间发育特征的数值分析

为了获得倾斜煤层采动覆岩移动及离层空间分布特征,考虑覆岩的碎胀性,根据抗弯刚度的不同在相应的界面设置接触单元,应用数值模拟手段,获得了不同倾角的倾斜煤层开采上覆岩层破坏、移动与变形及离层的发展与分布的时空规律。研究表明:垮落带、导水裂缝带范围的最终形态呈上大下小的抛物线拱形形态,倾角越大,差值越大。采空区上方的离层空间的最大离层差值偏向于采空区的右上方,上下位岩层除了竖向离层外,还会产生水平错动。由于抗弯刚度的差异,二、三离层的体积比较小,第四离层位置的离层空间体积最大,且第四离层距离煤层140 m左右,认为是可充填的离层空间。     

露天边帮下紧邻尾矿库采空区地表充填治理方法

针对采空区废石充填常规处理方法难度大、费用高、安全性差等问题,结合排山楼金矿条件,研究了控制诱导冒落协同地表充填塌陷坑的采空区充填治理方法,包括采用RG井下电视监测评估空区冒落进程,从地表钻井充填保护露天坑尾矿库,崩落矿柱诱导空区冒透地表,地表充填塌陷坑恢复地貌,客土造田与恢复地表使用功能等方法.该方法用于排山楼金矿,使大型活动空区得到安全高效充填治理,取得了良好的技术经济效果.理论分析与实践表明,露天边帮下紧邻尾矿库的倾斜矿体采空区控制诱导冒落协同地表充填的治理方法,可减小采空区废石充填治理的难度,实现大型采空区安全高效治理.     

缓倾斜厚煤层浅部回采区段煤柱留设宽度优化

以某煤矿缓倾斜厚煤层浅部区段煤柱为对象.首先,利用数值模拟方法分析不同煤柱宽度下煤层回采时巷道围岩主应力、塑性区、支护结构应力及位移特征,评价巷道围岩稳定性,确定煤柱合理宽度范围.结果表明:煤柱宽度为3m时,区段煤柱莫尔应力圆与强度包络线相交、塑性区贯通、支护结构趋于破坏;宽度为6 m时,区段煤柱仅存30％弹性区、支护结构趋于破坏;宽度为9～12 m时,巷道围岩应力圆与强度包络线相离、处于弹性变形阶段、支护结构具有良好的承载力、围岩位移小,满足煤矿生产需求,为煤柱合理宽度范围.其次,通过工程实际验证.结果表明:煤柱宽度为9m时,能有效控制围岩变形破坏,煤炭生产效率与回收率最优化.可见缓倾斜厚煤层浅部区段煤柱留设优化宽度为9m.     

多场耦合下急斜煤层开采三维物理模拟(2)

复杂环境与多场耦合作用下,采空区煤岩体非对称变形诱致局部化失稳极易演化为动力灾害.以乌鲁木齐矿区急倾斜煤层综放开采为背景,构建了大型立体地球物理模拟装置与"声-光-电"物理力学指标信息测试系统,完成了动态加载条件下顶煤与覆岩损伤与演化的AE规律、内部损伤变形、表面位移变化特征、支架工作特性等分析,为急倾斜厚煤层综放开采与灾害控制奠定科学基础.     

急倾斜煤层采空区结构特征GPR探测

急倾斜煤岩体结构和地质缺陷具有隐蔽性。历史性无序开采形成的采空区分布的不规则性严重影响安全开采。以神新小红沟煤矿急倾斜煤层开采区域空区分布规律预测与参数确定为目标。通过理论分析、GPR地面与地下立体联合探测,分析了+522水平B3和B6开采扰动范围内采空区结构特征。+522水平距五一煤矿巷道垂直距离约为35.0～35.5 m.B3巷1 214～1 232m范围内空区覆岩破坏严重,多处出现破碎区。空区下部近似椭圆,上部似半椭球体结构,且空区已联通。1 232～1 250 m范围空区及覆岩破坏严重,局部区域积水量大,为现场开采设计与灾害防治提供科学依据。     

基于Hoek-Brown强度准则磷矿体开采稳定性分析

磷矿是保障精细磷化工生产和粮食供应的物质基础,而地下缓倾斜磷矿体的开采一直是个难题.该文以湖北兴山后坪矿段磷矿层地下开采为研究背景,采用有限差分软件FLAC3D,基于Hoek-Brown强度准则,对磷矿层的开采过程进行了数值模拟.首先进行单轴压缩模拟试验,求得各岩体的单轴抗压强度、弹性模量和泊松比,模拟试验结果和室内试验结果基本一致.然后研究了磷矿层开采过程中采空区围岩的应力变化情况、上覆岩体的位移规律和矿柱屈服区分布情况,从而评价采空区的稳定性.最后,分析了在缓倾斜磷矿体中实施浅孔房柱法开采的的可行性.     

围岩性质对采空区地基稳定性的影响

为了研究围岩性质对采空区建筑物地基稳定性的影响,通过数值模拟的方法分析单一岩层和复合岩层这两种模型.结果表明:在单一岩层中,随着上覆岩层硬度的增加,地表下沉及水平移动值会减小,大变形区(集中变形)范围都变小,破坏程度相应减小,但当上覆岩层为坚硬岩层时、其它条件相同时,上覆岩层硬度的增加,对采空区地基的稳定不利;在复合岩层中,上硬下软型的各地表移动和变形值都要比上软下硬型的小;但从塑性区状态图上看,在岩层内部上硬下软型的破坏程度更大,在软硬岩层界面更易产生顺层面离开的离层裂隙,因此上硬下软型的岩层组合对采空区地基的长期稳定不利.     

保护煤柱设计中几个问题的探讨

在分析了目前保护煤柱设计方法中存在的一些问题时,指出了其局限性和克服其局限性的根本途径。在采用临界变形值法没计煤柱时,如何确定煤层上山和下山方向煤柱边界及以设计煤柱时如何确定围护带宽度,进行了分析和讨论,最后提出了较为合理的围护带宽度的确定方法。     

临近水库浅埋煤层防水煤柱留设宽度数值模拟

留设防水煤柱是临近水库煤层保水开采最为有效的方法,而如何确定防水煤柱留设宽度是当前迫切需要解决的问题。本文分析保水开采问题的流固耦合机理,建立流固耦合作用的控制方程,以张家峁矿井常家沟水库周边4-2煤层开采为工程依托,采用数值模拟研究煤层采动对库岸边坡变形和孔隙水压力的影响规律,分析浅埋煤层开采覆岩采动破坏特性与岸坡失稳模式,进而提出防水煤柱的合理留设宽度。结果表明：当工作面临近库岸边坡时,库岸坡体先后出现向采空区侧倾倒转动和向水库方向滑移失稳的破坏模式;当坡面顶点产生反向水平位移且竖向位移急剧增加时,岸坡开始向水库方向滑移;当煤层顶底板孔隙水压力突变为0时,顶底板开始突水;取以上两种情况下较大煤柱宽度作为临界煤柱宽度,可以保证岸坡不出现失稳破坏且煤层顶底板不发生突水事故。在此基础上确定4-2煤层防水煤柱宽度为109 m,工程实践证明该宽度可以保证安全开采。本文研究成果可为确定临近水库煤层开采的防水煤柱宽度提供理论支撑和实践依据。     

倾斜煤层采动影响下的挤压变形区移动变形特征分析

以重庆南桐矿区为工程背景,通过三维数值模拟方法,对倾斜煤层在三种不同开采宽度工况下上覆岩层移动挤压变形区特征进行了研究。结果表明:采宽由80 m增加到160 m时,煤层与岩层交接处应力变化较小,挤压变形区地表下沉速度较为缓慢;采宽由160 m增加到240 m时,煤层与岩层交接处应力变化非常显著,挤压变形区地表产生明显下沉;不同的开采工况下,挤压变形区沉陷位移都会出现一个峰值,且位于开采区下山方向,挤压变形区沉陷值受水平应力影响较小,走向和倾向方向的沉陷值以该峰值曲线呈中心对称。     

地铁线路穿越急倾斜煤层采空塌陷区相似模型试验

地铁线路穿越煤矿采空塌陷区问题为中国首例,因此进行急倾斜煤层开采岩移基本规律和地铁荷载作用下塌陷区及侧壁围岩稳定性研究具有重要意义。运用相似模型试验方法,模拟开采两组急倾斜特厚煤层,并用数码相机记录开采及加载过程中岩层破断及移动形态。试验反映了急倾斜煤层开采中垮落带形态、裂隙带形成与发展和地表移动特征等共性;此外,分别以顶底板移动角、边界角,表土层移动角、边界角参数计算煤层开采覆岩破坏边界范围,并以此划分不稳定区、基本稳定区和稳定区;考虑地铁及建筑荷载下,塌陷区破断岩体有闭合压实现象,地表最大下沉量为4~5 cm,顶板侧壁不稳定围岩最大离层量2 cm。所得结果对指导现场地铁线路穿越煤层采空塌陷区具有一定的参考意义。     

远程覆岩卸压变形及其渗透性研究

运用数值模拟和现场试验相结合的方法，对下保护层开采所引起远程覆岩的卸压变形及其渗透性变化进行了分析与研究。结果表明：下保护层开采将使覆岩产生不同程度的卸压，卸压煤（岩）体产生膨胀变形，生成大量的次生裂隙；同时也导致了水平位移的产生，形成了丰富的竖向裂隙，从而使煤（岩）体的渗透性得到极大的提高。因此，在高瓦斯煤层群条件下，利用下保护层开采所引起的“卸压增透增流”效应，同时结合合理有效的瓦斯抽放方法，可以实现煤与瓦斯两种资源的安全高效共采。     

断层破碎带隧道围岩敏感性及沉降控制分析

为探明施工隧道穿越断层破碎带时何种断层形态对围岩稳定性影响最为显著,以绵九高速公路五里坡隧道不同断层形态为例,采用三因素四水平数值模拟正交试验对围岩敏感性分析。此外,为避免隧道开挖至断层破碎带时围岩发生较大变形及破坏,保证隧道施工过程安全,对断层的响应特性进行概括,需对断层段围岩注浆加固提高其稳定性。最后,对注浆加固圈厚度分别为：0m、1m、2m、3m的断层段隧道施工过程进行FLAC 3D三维模拟,采用位移控制率均值K对隧道断层及前后段整个区段的围岩控制效果进行定量评价。结果表明：1）断层倾向在各水平条件下变化时,拱顶沉降和边墙位移基本不发生改变,其余两因素对隧道拱顶沉降和边墙位移的影响程度分别为：断层厚度＞断层倾角、断层倾角＞断层厚度。2）注浆加固圈厚度由0m递增至3m时,隧道轴向位移和塑性区面积依次减少,但注浆加固效果也明显下降。3）通过围岩控制率k定量分析注浆加固对位移的控制效果,断层前后段的位移控制率均小于断层处。可见,在既能保证工程安全,又能减少注浆的使用,加固圈为2m时效果最好。     

高位顺层钻孔瓦斯抽放数值模拟

针对八连城煤矿19号煤层62.1%~71.6%的瓦斯来源于采空区的问题,提出高位顺层钻孔抽放采空区瓦斯的治理方案.基于关键层理论和"O"形圈理论,分析了采空区上覆岩层裂隙形态,对瓦斯在其中的运移规律进行了研究,认为在上覆岩层采动裂隙中瓦斯流动符合达西定律.利用商业软件COMSOL-Multiphysics对瓦斯抽放进行了数值模拟,直观展示了瓦斯抽采时的瓦斯分布状态.模拟结果表明瓦斯抽放有效降低了瓦斯压力,给现场瓦斯抽放提供了理论依据,具有重要的实践意义.     

沿空掘巷锚网梁索联合支护技术

本文结合沿空掘巷支护特点,通过数值模拟分析确定了山脚树矿21128回风巷合理煤柱的留设宽度为7 m.采用钻孔岩层结构探测技术手段对巷道围岩松动情况进行探测,确定了巷道松动圈影响范围一般在2.2 m左右,为支护方式的确定和支护参数优化提供了实际依据,提出了锚网梁索支护方案.通过FLAC3D有限差分软件分析和工程监测结果表明,巷道围岩变形在安全生产允许范围内,顶板离层较小,巷道围岩得到了有效控制.