上限区域浅部煤层保水开采工作面安全推进速度实验研究

基于国内外研究结论,本文以皖北矿区百善煤矿6煤层为研究对象,通过分析浅部煤层保水开采机理和关键,提出以"上覆岩层水体渗流速度确定工作面推进速度"的思路(工作面推进速度能使关键层采后破断的砌体在上部水体渗流到采空区前闭合)。根据渗流理论、经验公式和实测资料等,对保水开采分类中工作面上覆岩层中的潜水渗流时间进行公式推导及计算;根据关键层理论和百善煤矿地质资料,计算出各分类上覆岩层初次和周期破断距。由此,计算和确定出各分类工作面推进速度,同时,以推进速度下限和采煤机切割速度确定安全保水开采的工作面长度范围。进一步完善保水开采技术体系,为浅部煤层保水开采技术的安全应用提供理论指导。     

关键层破断与厚松散层地表沉陷耦合关系研究

采用模型实验方法,研究了关键层对覆岩及地表移动的控制作用和关键层破断对地表位移曲线形态的影响,对关键层与表土层间耦合关系进行了研究,揭示了关键层与表土层间耦合关系的一些基本规律。关键层对上覆岩层及地表移动起控制作用,当关键层以弹性地基板或梁的结构形式处于弹塑性变形状态时,地表下沉为弯曲型;当关键层破断及运动时,将导致地表快速断裂型下沉。     

复合关键层顶板导高分析及防水煤岩柱尺寸的确定

为分析松散含水层下复合关键层顶板导水裂隙带发育高度,以期合理确定采区开采上限标高,本文通过物理模拟实验,研究了该岩性赋存特征顶板覆岩破坏规律及导水裂隙带发育高度,结果表明:近距离赋存的两关键硬岩层呈现非同步破断,距离煤层较近的关键层对采场矿压起主要控制作用;随工作面向前推进,下部关键层形成周期性破断,采场充分开采时上部关键层出现断裂,进而达到采场顶板导水裂隙带发育最大高度49.7m,为平均采高的12.7倍。该实验结果与工程实践中采用并行电法进行导高测试结果相互印证,为该采区留设防水煤岩柱尺寸提供指导依据。     

FLAC3D模拟采动岩体渗流规律

为从根本上研究煤层开采工程中因顶板冒落、放顶垮落造成的顶板突水通道的变化规律,首次运用FLAC3D数值软件的应力-渗流耦合系统,结合工程实践,系统分析了采动岩体的渗流矢量、渗流速度、孔隙压力及导水边界线动态发展的普遍规律和分布特征,进行了顶板突水危险区域的识别,得出了一些对防治采场顶板突水有益的结论,可为煤矿顶板突水防治提供理论依据.数值模拟结果表明采动岩体渗流通道的发展明显受煤层开采的影响,且当主关键层破断时,采场最易发生顶板突水事故.在此基础上,将采场的渗流动态变化特征与采动岩体的破断、运动规律结合分析,给出了采场顶板破断及破断岩块再组合压实过程中渗流裂隙的扩展、闭合普遍演化过程.如果水源有限且现有设备能及时排除水患,当煤层采完后,采动岩体能重新压实闭合失去导水性能,地下水位能逐步恢复,即保护第四系及地表水的采煤技术可以实现.同时证明FLAC3D的应力-渗流耦合系统能预测并预算采动岩体裂隙产生、发展、闭合及相关危害性的可靠的数值定量分析软件,可作为一个新方法在顶板突水防治和保水采煤技术中应用.图5,表1,参11.     

渗流随机有限元程序设计及煤层顶板涌水预测

基于随机有限元理论和渗流力学原理,通过推导渗流随机有限元列式,得到随机渗流单元水导矩阵,将可靠度计算引入采动岩体随机渗流之中.根据渗流随机有限元列式编写出可用于岩层渗流计算的随机有限元程序,并对俄霍布拉克煤矿的实际渗流问题进行了数值计算.结果表明,程序计算较好地反映了实际岩层的渗流特性;保护关键层和防水层对预防矿井的顶板突水具有重要作用.计算结果可为俄霍布拉克的开采提供合理化建议,也为随机有限元在渗流方面的深入研究提供依据.     

急倾斜煤层覆岩破断和裂隙演化的采厚效应

为了确保水体下急倾斜煤层的安全回采,基于龙湖煤矿南二采区急倾斜煤层的水文工程地质条件,采用相似材料物理模拟实验,分析了急倾斜煤层覆岩破断和裂隙演化的采厚效应.结果表明:急倾斜煤层开采顶板坚硬上覆岩层存在关键层时,顶板岩梁以层状破断为主,初次破断均形成“复合破断”;急倾斜煤层开采顶板岩梁初次破断后,覆岩裂隙向关键层及其上方岩层发育,不同采厚导水裂隙分布均呈“耳型”分布;随着急倾斜煤层采厚的增大,急倾斜煤层初次破断步距呈降低趋势,覆岩裂隙发育高度和初次破断厚度呈增大趋势.     

Winkler地基上复合关键层模型及其力学特性

利用关键层理论及复合材料结构力学理论,建立Winkler地基上复合关键层模型;对复合关键层力学性能进行分析,计算复合关键层破断距;引入复合关键层抗挠刚度D*,分析复合关键层下煤体的支承压力,并计算复合关键层下煤层极限平衡区宽度。利用FLAC模拟软件对复合关键层与非复合关键层结构模型进行数值分析。研究结果表明:D*越大,则支承压力衰减系数越小,相对煤层支承压力越大;复合关键层的初次破断距与周期破断距分别为75 m和34 m,非复合关键层的初次破断距与周期破断距分别为45 m和20 m;关键层的复合效应使其破断距显著变大,其对应工作面前方煤体的支承压力峰值也相应增加,分别为28 MPa与18 MPa,关键层的复合效应使其工作面支承压力峰值明显增大,其分区范围及煤体变形也相应增大,有效揭示了关键层的复合效应。     

坚硬覆岩破断及其对矿压显现的控制

 以同忻矿石炭系3-5 煤层8015 工作面为例,分析了坚硬覆岩破断特征及其对煤层工作面矿压显现的控制作用。应用关键层理论确定工作面坚硬覆岩的关键层及关键层的初次破断距和周期破断距,基于材料力学理论导出关键层破断与工作面支承压力的关系式,分析关键层破断对煤层工作面矿压显现的影响规律。结果表明,煤层工作面坚硬覆岩存在亚关键层I、亚关键层II 和主关键层,3 个关键层的破断导致工作面产生大小周期压力和复合压力,其中主关键层破断造成工作面矿压范围较大;理论分析方法揭示的矿压显现规律与现场矿压监测结果具有较好的一致性。     

浅埋煤层保水开采识别系统研究

确定断裂导水裂缝带的最大高度是保水开采的关键技术。结合陕北榆神府矿区地质开采条件,应用关键层理论,通过关键层挠度计算,分析关键层结构稳定性和对关键层上位隔水层破坏强度,给出关键层在不同位置影响导水裂缝带最大高度的广义损伤因子,建立了保水开采识别系统。工程实例表明:应用保水开采识别系统判定的断裂导水裂缝带高度与实际相接近,并能够很好地解释覆岩发生破坏的特征与规律,对实现保水开采具有一定的应用和指导价值。     

采高对浅埋煤层老顶岩层破断距的影响

煤层的开采高度对关键层的破坏有重要影响,为了研究采高对组合关键层破坏的影响,运用数值分析方法分析组合关键层有关参数的基础上,研究了采高变化对组合关键破断的影响,即对采场来压步距的影响,进而修正了浅埋煤层开采采场初次来压步距的计算公式.结果表明,以该修正的组合关键层破断距公式计算的大柳塔1203工作面的初次来压步距与实测非常接近.该公式对于地表厚松散层浅埋煤层中的组合关键层的破断距计算具有一定的适应性.     

底板突水的突变理论预测

分析了矿层底板失稳破坏发生突水的机制,根据底板突水的尖点突变特征、采用力学平衡和能量平衡方法和应用突变理论建立了矿层底板突水的突变模型。根据这一模型,应用尖点突变原理分析了承压水底板关键层失稳突水的力学机制。当满足关键层失稳的充要力学条件时,承压水底板有可能发生失稳突水。通过工程实例,用数值模拟证明了该理论分析方法是切实可行的,为底板突水预测研究奠定了可靠的理论基础。     

重复采动影响下采场坚硬覆岩离层水涌水致灾机制研究进展

 采场覆岩离层水水害是一种新型水害类型,迄今为止对其认识不是十分清楚。为了更好地对其进行研究,对该领域已有的研究成果进行梳理分析。首先,对9个典型的离层水水害事例进行整理、总结,得出5个方面的共同特征,分别是坚硬覆岩、多煤层或单煤层分层开采所引起的重复采动、离层区具有充沛的补给来源、积水离层带与采场之间存在隔水层形成封闭水体、具有冲击地压等诱发因素。其次,根据前人对离层水突水机制的阐述过程,总结出5种揭示离层水突水的观点,并基于物理场的角度把这5种观点归纳成3类:渗流场的单独作用、应力场的单独作用、渗流场和应力场的耦合作用。最后,指明了离层水害领域中5个研究重点,并展望了其发展方向。     

条带开采中巷道的变形规律

为了揭示条带开采下巷道的特殊变形规律，通过某矿一条条带开采巷道的顶底板及两帮闭合变形的实测结果，结合实验室相似模拟实验的结果，采用最新的岩层移动理论——关键层理论及一般矿压分析理论——顶板回转理论等对现场监测及实验室实验的结果进行了系统分析研究。发现了一些前人未曾揭示的规律．条采巷道闭合变形将出现两个极值，其距离大于普通开采巷道。因此，巷道应在前方峰值压力第二次采动影响时加强支护。这些都可对类似条件下的巷道支护提供重要参考。     

保护层开采中关键层的确定

为正确评价远距离下保护层开采对被保护层的卸压增透效果，指导被保护层瓦斯抽采，防止煤与瓦斯突出，采用理论分析与数值计算相结合的方法，确定了太原组11#煤层（保护层）的覆岩主关键层和亚关键层，其中，主关键层位于太原组中段，即砂泥岩段，主关键层的存在降低了保护层11#煤层开采后对被保护层21#煤层的卸压增透效果。该研究对保护层开采效果评价具有一定意义。     

平顶山矿区远程保护层开采保护效果试验分析

保护层开采是区域性防治煤与瓦斯突出等动力现象的有效措施。针对平顶山矿区煤层群开采的现状,对远距离下保护层的开采问题进行探讨。依据平顶山矿区某矿丁、戊组煤(间距90 m)的开采现场,对下保护层开采后其上覆远距离煤层的卸压效果进行了研究。通过现场矿压观测及瓦斯参数测试,结果表明:平顶山矿区虽煤层有效间距较大,但卸压效果依然明显,矿压显现降低,煤层透气性系数显著增加1 000倍左右,也充分表现了煤层卸压增透的特征,并采取合理的卸压瓦斯抽采方法,可以消除煤层突出危险性。     

矿井突水地质构造富水性的探查技术

岩溶陷落柱、断裂、老窑采空区是引起矿井突水的主要地质构造。在对比研究了各种物探方法应用条件的基础上,采用三维地震查明地质构造的类型、大小及分布范围,利用瞬变电磁法和SYT电磁测深技术探查构造的富水性。研究表明,地层的富水性与其视电阻率大小具有一定的相关性,富水的地层视电阻率值较低,反之视电阻率较高。根据横向和纵向电阻率等值线图分析地质构造的富水性,为矿井突水危险评价提供地质依据。淮南矿区突水地质构造探测结果显示:在探测区内发育两个陷落柱,西北部的陷落柱无水,东部陷落柱富水程度高。实际巷道揭露资料与探测结果基本吻合,该物探方法组合不失为探查地质构造富水性的一种有效手段。