浅埋煤层开采覆岩运动规律模拟与试验研究

为了进一步掌握浅埋煤层开采覆岩运动规律,以神东矿区某矿22616面为工程背景,采用数值计算与相似试验相结合的方法研究了浅埋煤层开采覆岩下沉位移与应力分布特征,并进行了现场验证。发现现场监测数据和数值计算与相似试验结果较为一致,表明22616面属于典型浅埋煤层工作面,老顶初次来压步距46~48 m,周来压步距12~19 m,来压期间老顶瞬间垮落,下沉位移明显,台阶下沉特征显著;随工作面推移,采场前方煤体20 m范围内出现超前支承压力,应力峰值达到4.3 MPa,因此应提前采取加强支护措施。     

浅埋房式采空区覆岩结构及对下位煤层开采的影响

房式采空区留设大量不同尺寸煤柱,采场覆岩结构复杂。为了研究霍洛湾矿浅埋2-2煤层房式采空区覆岩结构特征及其对下位3~(-1)煤层开采的影响,应用理论分析、数值计算、相似材料模拟等方法,确定了2-2煤层房式采空区覆岩结构类型,揭示了不同类型覆岩结构应力场分布特征及其对3~(-1)煤层矿压显现的影响特征。结果表明:2-2煤层房式采空区覆岩结构分为房柱稳定覆岩结构、房柱失稳覆岩结构、20 m煤柱覆岩结构、50 m煤柱覆岩结构4类;在房柱稳定、房柱失稳覆岩结构下3~(-1)煤层处于卸压状态,垂直应力降低8%~14.3%,在20 m煤柱、50 m煤柱覆岩结构下3~(-1)煤层处于应力集中状态,垂直应力增加5%~32%;揭示了3~(-1)煤层开采时不同覆岩结构下工作面超前支承力分布特征,在20 m煤柱、50 m煤柱、房柱稳定及房柱失稳4类覆岩结构下超前支承应力集中系数分别为4.10、3.85、2.76、3.62;不同类型覆岩结构下3~(-1)煤采场覆岩运动特征稍有差异,房柱稳定、房柱失稳覆岩结构下3~(-1)煤层工作面来压步距为12~14m,20 m煤柱、50 m煤柱覆岩结构下来压步距为10~11 m;相似模拟表明,3~(-1)煤层过20 m和50 m大煤柱时,煤体发生弹射现象,预计实际开采时工作面可能发生动载矿压等动力灾害。     

大采高采动覆岩变形的相似模拟试验研究

为合理设计大采高工作面高抽巷布置层位及抽采方案,基于大采高采动覆岩变形和裂隙发展规律的重要性,以某实际工作面覆岩分布与地质条件为原型,采用相似模拟试验方法,研究大采高工作面开采引起的覆岩变形、破坏和下沉。利用YJD-27静动态电阻应变仪数控自动巡回监测系统和Leica-TC405全站仪观测系统监测和记录试验数据。结果表明:大采高工作面垮落带发育高度约为采高的4.2倍,中部裂隙带发育高度约为采高的16倍,覆岩应变程度最明显区域为距煤层顶板约60 m位置;大采高工作面开采后,覆岩的破断、下沉,及其导致的煤层顶板裂隙的发生、发展和闭合,均有阶段性特征。     

深井大采高综采面矿压显现及覆岩破断规律研究

针对深井大采高综采技术中采场矿压控制难的特点,以潘二矿11223大采高综采工作面为工程背景,采用相似模拟、数值模拟、现场矿压监测、理论分析等方法,对深井大采高综采工作面矿压显现及覆岩运动破断规律进行研究。结果表明:深井大采高综采面覆岩运动破断后结构形态演化特征可概括为“组合悬臂岩梁结构——压实填充结构——非铰接岩梁结构——铰接岩梁结构”的动态演化过程,这种动态演化过程直接影响着工作面的矿压显现特征及覆岩破坏特点;得到工作面初次来压步距为34 m,基本顶周期来压步距15 m,来压由中部开始向两端转移;工作面前方应力集中区距煤壁平均4.4 m,应力峰值平均为26 MPa,工作面矿压显现特点受控于覆岩运动破断的动态演化力学结构,研究结果对类似条件下的工作面安全开采具有一定的理论依据和借鉴意义。     

复合顶板综放面覆岩破坏及裂隙演化相似模拟试验

煤层回采过程中,覆岩破坏特征以及裂隙演化规律对于矿井水、瓦斯防治具有重要意义。采用相似模拟试验对某煤矿复合顶板大采高综放工作面覆岩破坏及裂隙演化规律进行研究。研究结果表明:复合顶板大采高综放开采垮落带高度为32.6m,裂隙带高度为64.6m;煤层回采过程中对顶板覆岩支承压力的影响,近煤层大,远煤层小;覆岩采动裂隙倾角以中角度,宽度以中宽度为主,且裂隙数量随着远离煤层而逐渐减少;采动过程中,近距离煤层覆岩为采动裂隙聚集区,覆岩裂隙密度曲线呈现为"波浪"型。     

浅埋煤层综放开采上覆岩层活动规律相似模拟试验

浅埋煤层综放开采因煤层埋藏浅、采出空间大,上覆岩层活动规律仍不清楚。以辛安矿1402工作面为研究对象,采用试验研究的方法建立相似模拟试验模型,研究放顶煤开采过程覆岩破断、沉降规律和覆岩应力演化及模拟液压支架受力等规律。试验结果表明:辛安矿1402工作面放顶煤开采初次来压来压步距是73m、周期性来压步距是31.5m、垮落角是59°;支架工作阻力88%分布在5000~7000kN,且分布呈现正弦波形,分布合理;上覆岩层垮落后在采空区内可形成"应力拱"结构,拱脚的应力大,沉降量多,应力拱结构支撑上覆垮落岩层;老顶垮落后可形成铰接结构,形成铰接结构的岩层旋转的角度可以通过函数公式计算。     

煤炭地下气化燃空区覆岩移动规律研究

为研究煤炭地下气化过程中覆岩的运移规律,以乌兰察布煤炭地下气化试验区工程地质条件为研究背景,首先进行了高温下煤层顶板的物理力学特性测试,获得了不同温度下岩体(粉砂岩、泥岩、细砂岩、粗砂岩、砂质泥岩)的比热容、导热系数、单轴抗压强度及弹性模量;其次建立了相似材料物理模型,分析了燃空区覆岩运移规律。结果表明:在100~1 000℃内,随温度升高比热容及导热系数呈现下降趋势,而在100~750℃内,随温度升高单轴抗压强度呈现增大趋势;乌兰察布煤层气化时,覆岩运移规律与井工开采类似,具有初次来压及周期来压特征,初次来压步距为42 m;亦存在明显的三带分布,即冒落带、垮落带和弯曲下沉带,导水裂隙带高度为28 m;覆岩运移过程中对燃气管亦产生较大的影响,其中1#燃气管在煤层顶板上方26~28 m处受到的水平应力最大,为最易变形断裂位置;在现场用钻孔探测法进行验证,得出导水裂隙带的高度为31.21 m,与相似模拟试验得出的数据吻合,证明了相似材料物理模型的合理性。     

纵深大区域煤层群开采覆岩活动规律相似模拟

以大同矿区"双系"煤层群协同开采为工程背景,相似模拟实验研究了纵深大区域煤层群开采覆岩位移、裂隙及应力演化分布规律。结果表明:侏罗系近距离煤层群采用刀柱式与走向长壁式开采交错布置方式,形成不同的组合开采模式,表现出不同的覆岩破断特征,应力集中现象突出;石炭系特厚煤层开采致使覆岩大面积垮落,与上部侏罗系煤层群形成了复杂的多层采空区连通状态,且受侏罗系煤柱叠加应力影响,工作面来压频繁、覆岩活动剧烈。纵深大区域煤层群覆岩应力应变形态作为耦合时变系统,随煤层开采经历了"平衡—失稳—平衡"循环变化过程。     

浅埋煤层长壁工作面矿压显现规律现场监测研究

浅埋条件下的煤层开采,受上覆岩层移动影响而呈现与深埋煤层明显不同的特征.本文以神府矿区某矿1301工作面矿压观测为工程背景依托,应用“三量法”对工作面矿压显现规律进行研究,以工作面三个测区支架荷载和活柱下缩量为重点分析.研究表明:该工作面来压动载系数为1.5 -1.6,来压期间支架压力比平时大1- 13MPa;初次来压持续时间长,初次来压步距在55.9-56.3m,三个测区的周期来压步距为14.6 - 17.6m;且三个测区观测表明:中测区由于受工作面两侧煤壁影响较小,矿压显现程度同上下测区比较明显.     

基于UDEC的采场矿山压力显现数值模拟研究

运用UDEC数值模拟软件,以山西某矿F2105综采工作面为工程背景,根据该工作面岩石物理力学实验,确定数值模拟所需参数,对该工作面的矿山压力显现和覆岩运移规律进行研究。分析矿山覆岩运移和矿山压力显现过程得出:F2105综采工作面初次来压步距为25 m,周期来压步距平均为18 m,采场覆岩失稳形式主要为滑落失稳,岩层破断后呈台阶岩梁结构。     

常村煤矿S6-8工作面岩层运动的连续-非连续方法模拟

为了细致地模拟煤矿开采中复杂的岩层运动现象,探讨开采速度的影响,采用自主开发的连续-非连续方法,通过引入应力跌落和准静力计算模式,以常村煤矿S6-8工作面为背景建立数值模型,模拟采动诱发采场上覆岩层的变形-开裂-运动过程。结果表明:本方法可较为细致地模拟煤矿开采中一系列复杂现象,例如,采场上覆岩层的弯曲变形、下沉、开裂、离层和层间错动、直接顶的周期垮落、工作面煤壁上方岩层近似平行展布的倾斜穿层裂缝、若干破断岩块形成的近似等腰梯形结构和采空区局部闭合;开采速度越快,直接顶初次垮距越大,这是由于采场上覆岩层向下运动不充分,直接顶垮落主要受自身和开采卸荷的影响。     

基于覆岩裂隙带发育高度的走向高抽巷合理位置确定

为确定大采高综采面高抽巷的合理位置,以李村煤矿1303工作面为研究背景,采用理论分析、数值模拟及现场监测等研究方法,对1303工作面覆岩裂隙发育特征、高抽巷空间位置对其围岩稳定性与抽采效果的影响规律进行系统研究。研究结果表明:高抽巷宜布置在覆岩裂隙发育区,远离回风巷道采动应力影响的位置;1303工作面覆岩破坏范围随推进距离增加,呈现先急剧增大后趋于稳定的趋势,工作面推进距离为300 m时,裂隙带高度稳定在50 m左右,形成瓦斯抽采的优势通道;高抽巷距离煤层顶板、回风巷越近,越易失稳,不利于长期抽采,综合考虑高抽巷不同位置时的瓦斯抽采效率及围岩稳定性,确定其合理位置分别是距离回风巷平距为35 m,垂距为45 m;结合现场瓦斯浓度监测结果,得出上隅角、工作面、回风巷瓦斯浓度最大值分别为0.42%,0.24%,0.33%,远低于瓦斯超限标准1%,进一步证明高抽巷层位的合理布置,可以提高瓦斯抽采效果。     

坚硬顶板综采工作面推进速度对矿压规律影响研究

以顾桥煤矿坚硬顶板综采工作面工程地质条件为背景,运用理论分析、数值模拟和现场实测手段,分析了开采速度对工作面覆岩运动、围岩破坏、应力分布和液压支架承载特性的影响。研究结果表明:1个周期来压内工作面落煤引起的岩梁刚性回转下沉量是一定的,工作面作业循环时间引起的岩梁蠕变下沉量与岩梁刚性回转下沉量呈正比,加快工作面推进速度仅减少围岩体蠕变引起的岩梁下沉部分。工作面开采速度增加,覆岩塑性区发育范围减小,煤壁应力集中位置变浅、应力集中系数变小。工作面快速推进时,液压支架承载多为2次増阻和3次増阻,支架工作阻力较小;缓慢推进时,液压支架承载多为1次急增阻,载荷近似呈线性增长,支架工作阻力较大。     

大倾角煤层开采覆岩破断机制研究

为了探究大倾角煤层开采覆岩变形、失稳、破断的演化特征,结合潘二矿1212(3)工作面地质与工程条件,采用数值模拟、物理模拟、理论分析相结合的方法,分析了大倾角煤层开采覆岩变形破坏规律,探讨了巨厚砂岩直覆和无坚硬岩层2种条件下大倾角煤层开采顶板破断失稳形式。研究结果表明:受倾角影响直接顶冒落、滑移,充填下部采空区,基本顶中上部挠度最大而发生断裂,破断裂纹逐渐向基本顶两侧及相邻岩层演化;大倾角煤层倾向岩层间的联动时序性破断是形成非对称拱形承载结构的主因;预裂爆破巨厚砂岩顶板、充填开采软弱岩层工作面可促使关键块体组成的拱形承载结构形成,保证大倾角工作面安全回采。     

极近距离煤层综放开采工作面覆岩“两带”发育规律研究*

为深入研究极近距离煤层综放开采工作面覆岩“两带”的动态发育规律,采用理论推导、数值模拟和现场实测相结合的方法,分析袁店一矿824工作面覆岩“两带”的裂隙演化特征。结果表明:从岩层层向拉伸率角度,研究上覆岩层垮落带和导水裂隙带的垮落程度,考虑角度影响推导出岩层弯曲下沉边缘段变形前后的长度计算公式,根据覆岩的碎胀特征计算各岩层的最大下沉量,预测垮落带和裂隙带的范围分别为30.2~41.2 m和70.7~78.2 m;采用3DEC数值模拟分析该矿824工作面开挖后上覆岩层垮落的基本形态和裂隙分布规律,结合其应力、位移云图和监测线位移曲线的分布特征,得出垮落带和裂隙带的高度分别为32.50 m和77.25 m;采用分布式光纤应变监测系统,监测工作面前方80 m处上部顶板的受力情况,得出受采动影响的光纤应变呈起伏变化,且应变分布与地层岩性存在对应关系,得出垮落带高度约30.4 m,裂隙带高度约74.8 m,验证采用层向拉伸率和覆岩碎胀性2个方面来预测工作面覆岩“两带”高度的合理性,可为类似方面的研究与施工提供相应的技术依据。     

倾斜特厚煤层采空区孔隙率分布规律研究*

为了研究倾斜特厚煤层综放开采采空区孔隙率分布规律,确定采空区高位钻孔位置,有效治理采空区瓦斯灾害,以硫磺沟煤矿9-15（06）工作面为例,采用UDEC数值模拟软件研究采空区覆岩垮落和裂隙演化规律,根据采空区覆岩下沉量,计算得到采空区孔隙率三维分布规律。研究结果表明:倾斜特厚煤层采空区覆岩位移云图在垂直方向呈3段分布,以距离工作面底板23 m和80 m为分界线,位移矢量密度显著降低,冒落带高度为23 m,与经验公式25 m基本一致,大于薄、中厚和厚煤层;受倾角影响,垮落矸石滑移、充填采空区下端,覆岩下沉量呈非对称椭圆形,中上部下沉量最大;冒落带孔隙率在上、下隅角处最大,中上部最小,随着覆岩高度增加,采空区边缘处和深部孔隙率差值逐渐减小。研究结果为倾斜特厚煤层采空区瓦斯抽采高位钻孔的布置提供了理论基础。     

近距离煤层群叠加开采采动应力与覆岩位移场演化特征

为获得近距离煤层群叠加开采条件下采动应力与覆岩位移场的演化特征,以潘二矿近距离煤层6,7煤层地质条件为背景,采用相似模拟与工程实践相结合的方法进行了研究。结果表明:近距离煤层群叠加开采形成的覆岩宏观运移形态和特征与单一煤层开采相似,叠加开采时,覆岩呈多岩层整体协调运移的规律,具有位移叠加增长效应;7煤层的开采使覆岩起到一定的垫层作用,缓和了矿山压力,使近距离煤层叠加开采时具有应力减弱效应;与开采7煤层相比,6煤层开采过程中,周期来压步距减小,来压时支架载荷减弱,动压系数相应减小,但周期来压时,存在部分岩层发生台阶式下沉的现象。基于近距离煤层群叠加开采研究结果,在近距离煤层群开采的设备选型时,选用了高额定工作阻力的液压支架,在周期来压期间,采取了一定的辅助措施,同时加强了组织管理,生产中没有发生冲击液压支架及其他动力灾害的现象。     

复合动力灾害条件下孤岛工作面区段煤柱宽度留设研究

孤岛工作面覆岩空间结构复杂多变,受开采和地质等因素的影响在开采过程中面临冲击地压、煤与瓦斯突出、自燃发火以及采空区突水等复合动力灾害。留设合理宽度的区段煤柱是确保工作面安全开采的关键,以陕西某矿特厚煤层孤岛工作面开采为工程案例,通过分析工作面覆岩空间结构,理论计算了工作面应力分布;采用应力动态监测等方法确定了该工作采空区侧向覆岩运动,并综合考虑冲击地压灾害防治、次生灾害控制以及巷道支护等因素,确定了该工作面区段煤柱的合理宽度为5~7 m。     

腾晖煤业采空区顶板超长定向钻孔模拟与应用研究

基于采动裂隙椭抛带理论提出顶板超长定向钻孔治理技术,通过理论推导、数值模拟、现场应用相结合的方法对腾晖煤业2-100放顶煤工作面顶板超长定向钻孔的合理距离及合理层位进行研究。研究结果表明:1~5号顶板超长定向钻孔内错回风巷的合理距离为20~40 m;钻孔的合理终孔层位依次为60,60,60,61和63 m。顶板初次垮落后,顶板超长定向钻孔开始发挥作用,单孔的瓦斯抽采纯量随着工作面推进开始呈周期性变化,当顶板岩层发生周期性垮落时,钻孔瓦斯抽采纯量开始急剧升高;抽采纯量达到的最大值分别为13.88 ,13.92 ,13.96,14.24 和14.32 m3/min;顶板超长定向钻孔抽采期间,上隅角瓦斯浓度与回风流瓦斯浓度呈周期性变化趋势,上隅角瓦斯浓度为0.32%~0.8%,整个过程中上隅角瓦斯浓度均在可控范围内。顶板超长定向钻孔治理技术可有效解决放顶煤工作面采空区的瓦斯治理难题。