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。     

近水平矿体回采顶板覆岩冒落规律分析

针对近水平矿体回采过程中顶板持续垮冒、覆岩沉降及破坏这一复杂的应力重分布、变形和破坏的过程,借助RFPA数值模拟软件,考虑岩体的碎胀效应,以及围岩的不同本构关系,对顶板覆岩的冒落过程进行数值模拟。研究结果表明,碎胀后的岩体对上覆岩层会有一个支撑反力;所以考虑碎胀效应的两方案结果与参考文献相符,并得到了不同计算方案的冒落高度值。所得结果为矿体安全开采提供理论依据,并对认识和研究采场覆岩冒落规律具有一定的借鉴意义。     

采空区地表斜坡层状结构岩体移动特征

通过对江苏苏州阳山矿斜坡的调查和模型试验的成果分析，论述采空区地表斜坡层状连续结构和层状碎裂结构体的变形破坏现象。内容包括：岩体结构在覆岩移动中的作用；覆岩的累进性破坏作用；采空区地表斜坡岩体移动特征。     

采动过程中覆岩破碎区碎胀性走向分布特征

为了探究采动过程中覆岩破碎区碎胀性在走向分布规律,采用UDEC数值模拟及相似模拟手段分析了煤层顶板运移规律及碎胀系数分布特征。结果表明：随着采空区上覆岩层空间结构发展的演化,煤层顶板下沉量由下至上逐层降低,并最终趋于稳定；在工作面推进方向上,碎胀系数不断降低,且呈现出一定的分区特性,随回采呈现动态变化的周期性前移,其在走向上划分为三个区域,即：自然堆积区、载荷影响区、逐渐压实区。最后,确定浆体充填滞后距离为60m,现场试验邻位注浆充填效果良好。     

深部老采区残余沉降预计方法及其应用

废弃老采空区上方地表残余沉降预测是新建建筑物抗变形结构设计的基本依据。根据长壁老采空区破裂岩体结构特点和活化机理，深部长壁老采空区的活化沉降特征主要表现为残留空隙的再压密，地表残余沉降呈现中部大、边缘小的似盆形连接分布特点。在此基础上，建立了深部长壁采空区上方地表残余沉降预测的随机介质模型。结合在长壁老采空区上方建设的徐州某工业园工程实例，对厂区地表残余沉降和变形分布进行了预测，预测结果已成为各类建筑物抗变形结构设计的基本依据。     

采空区覆岩运动规律相似材料模拟试验研究

以山东某矿的煤层开采为研究背景,为研究其采空区上覆岩层的垮落形态及沉降变形,结合实际岩层的物理力学性质,设计相似材料模拟试验,描述试验模型采空区上覆岩层的垮落和破坏特征,并通过布置下沉测点来观测其覆岩的沉降变形,最后利用flac3d建立数值模型加以校验,结果表明:采空区上覆岩层在煤岩开采后,形成"三带"结构,自下而上分别为冒落带,裂隙带和弯曲下沉带;试验模型采空区上覆测点的下沉曲线呈近似对称的凹曲线,这与数值模拟结果相一致;相似材料模拟试验和数值模拟都能够较好反映采空区覆岩下沉变形规律;试验结果与数值模拟结果合理有效,可以为研究覆岩沉降相关问题提供试验参考。     

浅埋近距煤层采空区覆岩移动规律相似模拟

浅埋近距煤层采空区坚硬顶板覆岩与煤柱破坏易导致动力灾害,同时会影响顶板涌水溃沙和地表沉降,为确保此类矿井的安全高效开采,结合冯家塔煤矿1402综采工作面实际,对该煤矿进行了煤柱破坏与覆岩移动规律的物理相似材料实验模拟研究,试验是以1-1采区的开采为模拟对象,模拟在工作面长度为270 m的单一走向长壁开采后,上覆岩层的移动和变形规律。研究结果表明:随着浅埋近距煤层采空区的增大与时间的推移,开采时大面积来压是由于保护煤柱逐渐被压垮引起覆岩大面积冒落,致使近距煤层之间采空区导通,垮落从直接顶开始,逐步扩散至地表,上覆岩层的运移以垂直为主,水平运移并不明显,形成梯形状下沉,上部煤层开采后其覆岩关键层破断块体结构的稳定性是影响下部煤层开采时工作面矿压显现强烈程度的重要因素。     

深井覆岩体结构形变分带（区）性研究

针对深井开采覆岩结构变形的特殊性，提出基于应力场转移的深井覆岩结构形变模型。采用三雄半解析数值计算和现场综合试验与勘测的方法，给出采动岩体沉陷移动的分带、分医特征及突变集中变形和阶段性滞缓移动现象的动态演化规律，为深井开采覆岩与地表移动变形灾害控制提供科学理论依据。     

采动裂隙椭抛带内瓦斯运移理论基础

研究采动裂隙椭抛带的基本性质及其采空区瓦斯运移的规律,可以采取有效措施进行瓦斯治理。根据五阳煤矿7601综采工作面上覆岩层的特性与工作面在推进过程中的矿压显现特征,确定了采动裂隙带的高度、切眼上方椭抛带的高度、采动裂隙椭抛带内煤与岩碎胀系数,并计算出其渗透率。该研究为建立数值模拟的分析模型提供依据。     

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。     

复杂条件下上提蹬空工作面矿压显现特征研究

为了解决蹬空对巷道围岩变形影响严重等问题,针对张集矿1410(1)工作面复杂的地质条件,采用计算机数值模拟(UEDC)系统和现场工程实践相结合的方法,对工作面推进不同距离时上覆岩层垮落形态、初次来压步距、周期来压步距、液压支架受力以及巷道围岩的变形特征进行研究。研究表明:工作面老顶初次来压步距约为32 m左右,周期来压步距约为16 m左右。工作面液压支架所需支撑的最大岩层高度约为25m。在工作面每天正常推进8m的情况下,工作面压架的危险性较小。     

利用振动法定量评价工程岩体的完整性

岩体的完整性是工程岩体质量分级的重要指标之一,在现行规范中主要通过岩体的完整性系数 、体积节理数 、结构面发育程度进行判断。工程岩体的结构面复杂,定性判断较困难,且 值需转换为 值后才可进行定量评价。目前主要采用超声波法测量 值,由于该方法激振源为超声波,工作频段窄、测量低频振动时误差较大,测试距离短,使破碎或较破碎岩体的测量结果存在较大误差。本文通过振动法测量岩体的纵波波速：在浅层钻孔中激振,利用布设在岩体表面上的多个低频传感器接受振动信号,从而实现分段测量岩体纵波波速,求得各段岩体的完整性系数,准确地评价岩体完整性。采用本文方法,对工程岩体实例的结果表明与定性评价结果一致。     

临空区回采巷道优化布置防冲技术研究及应用

为提前预防临近采空区侧回采巷道发生的冲击矿压灾害,基于临空区回采巷道冲击破坏机理,提出了降低静载以避开支承应力集中区为原则、削弱动载以增大传播介质衰减指数为原则的临空区巷道优化布置方式,建立了力学模型,理论计算了外错布置的布置参数,并通过数值模拟方法对其进行验证,对比分析了2种不同布置方式的所受动静载情况.结果表明:采用外错布置方式后围岩稳定性好、抗矿震扰动能力强,结合现场工程实践,采用外错布置技术取得了明显有效的防冲效果,实证了其在冲击矿压防治方面的突出性.     

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。     

Propagation patterns of microseismic waves in rock strata during mining:an experimental study

Microseismic monitoring has been widely used in mines for monitoring and predicting dynamic disasters such as rockbursts and waterbursts. However, to develop high-precision microseismic monitoring systems, the propagation patterns of microseismic waves under complex geological conditions must be elucidated. To achieve this aim, a simulation model of a typical coalmine was designed using similar materials according to the similarity theory to simulate the mining process. Geophones were embedded into the model to detect the propagation of elastic waves from microseisms. The results show that in an unmined solid rock mass, the wave velocity in shallow rock strata is mainly affected by geologically weak planes, whereas in deep strata it is affected mainly by the density of the rock mass. During propagation, the amplitude first decreases and then increases rapidly with increasing propagation distance from the coal layer. After mining, our results indicate that the goaf causes significant attenuation of the wave velocity. After the goaf was backfilled, the velocity attenuation is reduced to some extent but not eliminated. The results of this study can be used as guidelines for designing and applying microseismic monitoring systems in mines.     

基于Mathews稳定图法的采空区稳定性评价

针对赤峰红岭铅锌矿多年开采遗留下的80个未处理的采空区问题,通过对该矿山工程地质调查、矿岩力学试验,获取了表征矿山岩体质量的多种指标.依据获取的矿岩力学指标,利用Mathews稳定图法计算出试验采空区的稳定数和水力半径,并通过重新绘制的Mathews稳定图和等概率图的合成图,评价出采空区的稳定性以及稳定概率.利用FLAC~(3D)对试验采空区进行数值模拟,结果与利用Mathews稳定图法评价的结果一致.对不稳定采空区进行了参数优化,并对不稳定采空区提出了支护措施.可通过该方法对红岭铅锌矿所有采空区进行评价,并可为类似矿山提供参考.     

“采空区”控制型高斜坡变形破坏研究

煤矿开采导致的矿山地质灾害发生特征在贵州山区具有相似性。基于贵州省纳雍县中岭高斜坡的坡体特征及变形机制分析,建立了中岭高边坡演化机制概念模型,其演化过程分为2个阶段：即压缩倾倒变形阶段和采空区沉陷-倾倒-拉裂阶段。采用数值分析方法对中岭边坡煤矿上方的观察节点位移进行开采过程中的全过程模拟,节点运动规律对崩塌发生位置和范围能做出很好的解释。陡～极陡坡体下部矿层遭受回踩后,易形成采空区控制型崩塌。陡坡段存在软岩夹层时,坡面会因差异风化而出现凹岩腔,从而在坡面上出现局部倒悬坡,受采空区影响区岩体结构面向上贯通,造成倒悬体成为危岩体。     

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.     

不规则介质采场模糊渗流的数学模型

由于采空陷落岩石构成的气体孔隙渗流介质空间是极度复杂和不规则的,并且目前还不存在可行的手段对采空区内部状态进行观测。利用传统的数学物理方法描述的渗流问题的精确解与采空区岩石陷落形成严重不规则介质空间的现实是不相符的。本文提出了采场气体渗流的模糊微分方程,给出了模糊渗透性系数和非均匀 孔隙介质采场气体稳定渗流的模糊解概念。     

基于压力拱理论的矿块间回采顺序数值模拟

合理的回采顺序能够有效地改善岩体的应力分布状态,有助于保证采场的稳定性。为确定新桥矿-300m中段合理的矿块间回采顺序,根据矿山现有条件,提出3种矿块间回采顺序方案,即平行推进、"品"字形推进、倒"品"字形推进;通过Midas有限元软件对各方案进行数值模拟,综合考虑拉应力、压应力和位移3个因素,运用压力拱理论对模拟结果进行对比分析。结果表明:矿体开挖之后,会在采空区周围形成压力拱,且随着采空区的增加,压力拱的外边界向岩体深部移动;"品"字形回采过程中,中部采空区与两侧采空区在上部可以形成一个更大压力拱,承担其自身和上覆的岩土载荷,其最大拉应力为2.288MPa,最大压应力为23.24MPa,最大位移为55.71mm,均远小于其他2种方案,相比之下,该方案更加合理。经该矿山生产实践表明,"品"字形回采顺序已在矿山推广应用,取得良好的经济、社会效益。