煤矿现代构造应力场最大主应力方向判定方法

现代构造应力场最大主应力方向不仅是影响煤矿巷道稳定性的主要因素,也是煤层瓦斯抽采钻孔优化设计依据的重要参数。运用FLAC~(3D)有限差分数值模拟方法,分析了不同侧压系数下巷道塑性区分布规律,揭示了巷道变形破坏特征与原岩应力场的密切相关性,提出了通过观测多条巷道变形破坏特征综合判定煤矿现代构造应力场最大主应力方向的方法。古汉山煤矿实际应用表明,该方法简单实用,预测结果可靠,具有现行应力测量技术无法替代的优点。     

不同裂隙对煤层热流耦合现象的影响

煤炭在构造应力的作用下会产生不同形状的裂隙,不同的裂隙会对煤层内的流动与传热产生影响。以阜新市高德煤矿为例,建立二维物理模型,采用两区域方法构造控制方程组,运用计算机软件对四种裂隙下煤层的流场和温度场进行数值计算。计算结果表明:不同裂隙对煤层流场的影响主要在空气流动侧,对煤层区域影响很小;不同裂隙对煤层温度场的影响主要在裂隙界面上,对外界空气和煤层内部的影响均很小;不同裂隙条件下煤层壁面平均努谢尔特数曲线的契合度随着瑞利数的增加而不断降低,相比标准界面,其他三种界面的煤层壁面平均努谢尔特数值基本一致。研究结果可为煤矿的安全开采提供理论性指导。     

前伏不同角度富水溶洞下节理隧道最小防突层厚度研究*

为研究前伏不同角度富水溶洞下节理隧道最小防突层厚度,基于断裂力学和弹性力学理论,分析节理裂隙在开挖扰动和岩溶水压共同作用下的扩展起裂机理,建立隧道围岩节理翼裂纹扩展模型,将防突层厚度分为扰动带厚度和节理带厚度,提出含节理隧道掌子面最小防突层厚度计算方法;根据算例分析不同方位溶洞下节理长度、节理倾角、掌子面开挖大小等参数对最小防突层厚度的影响规律。结果表明:掌子面最小防突层厚度随溶洞方位角增大先增大后减小,在方位角为30°时出现峰值;防突层厚度受节理几何特征影响明显,防突层厚度随节理长度增大而增大,防突层厚度随节理倾角增大先增大,在达到峰值厚度后开始减小;溶洞方位角超过25°时,开挖半径对最小防突层厚度影响显著。该结论对岩溶地区的节理隧道开挖安全施工具有参考意义。     

某矿矿区自然坡的统计模型及模拟露天矿边坡角和边坡形状的研究

六十年代末,七十年代初,国外发展起来的岩体节理裂隙详细线测量(detailline suruey),是根据随机布置的各个小面积上测量的较小的节理裂隙,应用数理统计方法处理后,借以推断节理裂隙在边坡空间的展布规律及其与边坡的组合关系,作为边坡稳定性分析的基础资料和重要手段之一。     

集贤煤矿瓦斯地质规律主控因素分析

为获得集贤煤矿的矿井瓦斯地质规律,对2007-2009年集贤煤矿的地质资料和瓦斯涌出量数据进行收集整理.在此基础上运用区域构造演化和瓦斯地质理论,分析集贤矿区地质构造演化及分布特征对瓦斯的控制影响.结果表明,集贤煤矿煤层的裂隙发育、高渗透性的顶底板砂岩岩性对瓦斯赋存的控制影响较小,不考虑为集贤煤矿瓦斯地质规律主控因素;而矿井构造、煤层埋深、岩浆岩侵入等因素对瓦斯赋存的控制影响较大,基本上为集贤煤矿瓦斯地质规律的主控因素.     

基于瓦斯抽采钻孔的煤层隐伏小构造预测

探明煤层的展布情况和隐伏的地质构造对煤矿的安全生产至关重要。基于大量的瓦斯抽采钻孔的数据,提出了利用瓦斯抽采钻孔预测煤层隐伏构造的方法。通过现场记录钻孔基础数据,运用全角全距法求出钻孔在煤层(顶)底板控制点三维坐标,并建立数据库;利用Surfer数据内插和图形处理功能,绘制煤层顶(底)板三维模型、等值线图和残差图,实现煤层的可视化;根据等值线的疏密异常变化圈出煤层中存在的隐伏构造位置,采用数学地质分析方法判断隐伏构造的类型。通过在古汉山矿1603工作面的试验,证明该方法预测煤层隐伏构造切实可行。     

主、次裂隙对岩石变形破坏机制的影响研究

为研究主、次裂隙在近似T型分布下对岩石变形破坏机制的影响,基于含主、次裂隙类岩石试件的单轴压缩试验及线弹性断裂力学理论,研究了轴向压缩下由夹角变化引起裂隙岩石中主、次裂隙应力场的变化规律,并进一步探究了其对岩石强度与变形特征的影响。研究结果表明:次裂隙的存在对单一裂隙试件的强度特征有明显影响,含次裂隙试件强度降至单一裂隙试件的30.2%~47.5%;裂隙夹角由30°增加至60°时引起主裂隙相交节点两侧剪应力方向由同向转变为异向,由应力的叠加转变为应力的抵消,对裂隙岩石的破坏过程产生抑制作用,从而增强岩石的峰值强度;相较于裂隙间应力场的相互影响,新增裂隙数量所增加的能量消耗引起的强度特征变化更为显著。     

利用瓦斯抽采穿层钻孔预测煤层小断层工程实践

小构造附近是瓦斯灾害容易发生的危险地带,探明煤层小构造对煤矿的安全生产至关重要。基于古汉山矿二1煤层瓦斯抽采工程特点,分析利用瓦斯抽采穿层钻孔进行地质构造探测的可行性,根据试验工作面、底抽巷、瓦斯抽采穿层钻孔空间关系,建立煤层小构造预测数学模型及预测方法。结合试验工作面瓦斯抽采穿层钻孔现场施工数据特点,分析钻孔误差及校正方法,绘制煤层底板三维曲面图、煤层底板等高线图、煤层底板趋势面残差图及煤层厚度等值线图。根据煤层底板预测图件,对小构造分布做出了综合判断:在工作面走向通尺360～390 m、倾向上距离运输巷35 m处,可能存在落差1. 5 m、走向N45°W、延伸长度20 m左右的小断层。现场实际揭露地质情况与理论预测结果基本吻合,工作面推进与小构造距离小于20 m时,瓦斯突出危险程度明显增大。     

数字图像技术结合小岛法在煤分形特征中的应用*

为探究煤的孔裂隙结构分形特征,以贵州富煤区4个煤层的煤样为研究对象,基于扫描电镜和低温液氮实验综合表征煤样的孔裂隙发育程度及连通性,应用Photoshop,Image-Pro-Plus图像处理技术对煤的SEM图像进行二值化处理及主要参数提取;结合小岛法计算煤样的孔裂隙分形维数值,并与扫描电镜、低温液氮实验分析结果进行对比。结果表明:经扫描电镜和低温液氮实验发现,4个煤层的孔裂隙连通性优先顺序依次为六盘水煤田3#煤层＞黔北煤田9#煤层＞黔北煤田8#煤层＞织纳煤田8#煤层;借助图像处理技术并结合小岛法对实验煤样的孔裂隙分形维数进行计算,各实验煤层分形维数由小到大依次为六盘水煤田3#煤层<黔北煤田9#煤层<黔北煤田8#煤层<织纳煤田8#煤层,该分形维数排序所反馈的煤样孔裂隙发育程度及连通性信息与前述2个实验结果相互印证,表明数字图像技术与小岛法分形相结合能真实、准确地反映煤的分形特征。     

叠加开采裂隙场演化与优势瓦斯通道形成机制

为获得近距离煤层群开采时上覆岩层瓦斯(甲烷)通道的形成与演化规律,采用相似模拟方法研究裂隙场的演化规律与瓦斯通道的形成机制。结果表明:采动裂隙场随工作面的推进,非匀速扩展,来压期间的扩展比正常推进期间快;采动裂隙场与工作面的推进具有同步协调的关系,且裂隙场可划分为裂隙发育区、裂隙贯通区、压实区;近距离煤层群的叠加开采加剧了采动裂隙场的演化,形成了纵横交错的瓦斯流动通道,且瓦斯的流动能力在优势瓦斯通道区、优势瓦斯通道过渡区、一般瓦斯通道区中依次减弱。     

浅埋近距离煤层群开采过程中上覆采空区自燃危险区预测研究

为揭示浅埋深近距离煤层群开采过程中地表裂隙发育对上覆采空区遗煤自燃的影响规律及影响范围,以苏家沟煤矿为研究背景,建立采空区流场流动及低温氧化的数学模型和三维几何模型。采用FLUENT模拟软件模拟了下煤层工作面推进过程中上覆采空区的氧气分布情况,得到了浅埋近距离煤层上覆采空区基于裂隙动态发育的氧气场和风流场的分布规律。依据采空区自燃危险区域判定理论,对上部煤层采空区内的自然发火危险区域进行预测。结果表明：连通地表与采空区的裂隙数量随工作面的推进而增加,上覆采空区氧化升温区域主要集中在滞后工作面0～20 m范围内,采空区深部的氧化带分布在新、老裂隙附近,在进风侧靠近地表且在回风侧靠近裂隙底端;当工作面推进120 m,即产生3条贯通型裂缝时,采空区自燃危险性最大,结合风流场云图确定上煤层底板自燃危险区距工作面水平距离为97.5 m,是煤矿开采过程中的重点防护区域。     

顺层或逆层岩质急倾斜边坡坡角的确定

为了解当岩体具有急倾斜构造和水平裂隙发育时,由该岩体形成顺层和逆层边坡情况下,不同坡角对该边坡稳定性的影响,使用基于颗粒流理论的PFC3D进行了模拟。利用PFC3D中的JSET和Bonds模拟了非连续性和连续性的岩体构造形式。构建了坡角为40°、50°、60°、70°和80°的顺层和逆层边坡,并对边坡稳定性进行了模拟。模拟结果表明,岩层的重力作用在逆层时有利于岩体外倾,顺层时抑制外倾。相同坡角时顺层较逆层更为稳定。大变形裂隙区的出现位置与岩体构造有很大关系。提出的修建边坡坡角建议为顺层时坡角不应大于60°,逆层时坡角不应大于50°。     

高头窑煤矿河流下浅埋煤层综放开采安全限采研究

导水裂隙带高度是水体下安全采煤的主要依据,本文通过数值计算、相似材料模拟、规程预测和工程类比等方法,对高头窑煤矿水多湖川和大哈他土沟河下浅埋煤层开采时导水裂隙带高度进行了预测研究,结果表明：几种方法预测结果有一定的误差,综合工程类比结果,高头窑煤矿水多湖川和大哈他土沟下采煤时裂采比定为15。由于高头窑煤矿2-3煤层上覆基岩段厚度较薄,根据三下开采规程,煤层开采需要进行安全限采控制,采高h≤H/19,以达到控制导水裂隙带高度的目的,实现河下采煤的安全开采。     

煤层底板采动应力效应及其力学作用机制研究

煤层底板突水的实质是采动应力诱发底板岩体变形破坏,引发煤层底板突水.掌握底板岩层的破坏规律是承压水体上安全开采的首要问题.根据开采过程中回采工作面前后方支承压力分布规律,利用弹性力学理论,建立了煤层底板应力计算模型,分析了随着回采工作面推进煤层底板沿深度方向的最大主应力和最小主应力分布规律与底板剪切破坏形式.运用工程中常用的莫尔库伦准则,提出了煤层底板岩体的破坏判据.煤层底板的破坏易从回采工作面附近开始,向回采工作面后方采空区由浅而深发展,破断面呈抛物状弧面.应用直流电阻率法CT技术,在淮北孙瞳煤矿1028工作面风巷中煤层底板位置施工2个钻孔,在孔中埋置一定数量电极,形成孔间探测剖面,对煤层底板采动裂隙演化过程中的岩层电阻率响应特征和1028工作面底板破坏深度进行了动态综合探测.探测结果表明:1028工作面煤层底板在支承压力和底板承压水水压共同作用下,煤层底板的破坏范围在0～17m;在此范围内煤层底板岩层中垂向裂隙和层向裂隙发育明显,超过17m后底板岩层受采动影响较小,底板最大破坏深度约17m.通过直流电阻率法CT技术现场实测验证了理论分析是正确的和可行的.     

构造复杂矿区煤与瓦斯突出瓦斯地质分析

为深入认识地质构造带煤与瓦斯突出事故的发生机制,以芦岭矿为例,运用瓦斯地质理论,论述矿区的构造特征和瓦斯地质特征,分析压扭性断层形成过程中构造运动对煤体结构和瓦斯赋存的影响。研究发现,芦岭矿位于逆冲断裂地质构造带上盘,构造松软煤层发育,压扭性断层和层滑构造对矿区影响明显;在挤压应力作用下,压扭性封闭性逆断层区域煤体裂隙发育,应力控制着瓦斯向裂隙发育区运移和聚集,使其成为高压瓦斯富集区;受采掘等作业影响,在煤层暴露的瞬间,压扭性逆断层构造带附近区域煤体内储存的大量承压状态瓦斯和构造松软煤岩混合物被疾速抛出,从而形成煤与瓦斯突出。     

深部高应力煤层卸压开采相似材料模拟试验

处于深部开采且煤层位于轴部构造的矿井,巷道变形量大、变形速度快且持续时间长,巷道维护十分困难。卸压开采技术是控制矿山压力的有效手段。以大安山煤矿为工程背景,采用相似材料模拟进行卸压开采及非卸压开采两组模型对比试验,研究下保护层轴9煤层开采对被保护层轴10煤层的卸压效果,通过监测保护层开采过程中及开采稳定后轴10煤层卸压系数变化特征、岩层裂隙发育程度及变形情况来检验卸压效果。结果表明:卸压开采条件下,轴10煤层顶板应力普遍降低,峰值应力降低9.4%;岩层裂隙发育密度及煤岩层变形量大,岩层最大裂隙密度为14条/cm,上升16.7%;岩层最大下沉量为54.6 mm,上升21.6%,表明岩层受卸压作用,应力明显减小,弹性能释放程度较好,有利于减弱强矿压现象。     

基于未确知测度理论的煤层底板突水危险性评价

运用未确知测度理论,建立煤矿奥灰岩岩溶水类底板突水评价模型。选取煤层底板的地质构造(断裂构造密度、褶皱、断层导水性、岩体的裂隙发育情况)、水文地质条件(水压、含水性、岩溶含水层发育情况、强水源补给情况)、底板隔水层条件(隔水层厚度、岩石力学强度以及隔水岩层的完整性)、开采条件(采厚和采深)4个一级指标、13项二级指标作为未确知测度模型的判别指标;根据指标值的类型采用定量或定性的方法对其进行分级和赋值,建立评判集,进而构建单指标测度函数。将13个突水评价指标值代入单指标测度函数计算得到单指标测度评价矩阵。利用信息熵理论获得各判别指标的权重,依照置信度识别准则进行等级判定,最后得出煤层底板突水危险性评价结果。利用该方法对肥城矿区14个地质块段的煤层底板突水危险性进行评价,结果表明,该评价结果与矿山实际情况相符。     

静态膨胀剂开裂煤与瓦斯突出煤层的试验研究

为明确静态膨胀剂能否开裂煤矿采掘工作面突出煤层问题,建立水泥槽试验模型,根据水泥槽内被压实的突出煤层的膨胀孔、控制孔、孔间距、排距等参数,设置Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ等共3种试验方案,分析静态膨胀剂作用下各方案突出煤样膨胀开裂效果及影响因素。结果表明:水泥槽试验模型中突出煤样的两次膨胀均经历裂隙发育显著增加、裂隙传播和裂隙扩展贯通3个明显变化过程,钻孔间形成大量径向交叉裂隙网;钻孔直径、自由面、钻孔布置均影响静态膨胀剂对煤样的开裂效果;同一钻孔孔径试验验方案中,方案Ⅲ的开裂效果最好;随着控制孔数增加而其他参数不变时,第一次膨胀发育产生的裂隙长度随控制孔的增加而减小。     

矿山开采对生态环境的影响评价

根据邵新煤矿的地质采矿条件,按照概率积分法和<建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程>预测矿山开采造成的地表移动变形和导水裂隙带高度.预测结果表明,邵新煤矿西北区多煤层重复开采后斜率i=1.273～26.498 mm/m,曲率k=0.006×10-3～1.081×10-3 m-1,水平变形ε=0.729～15.183 mm/m;东南区多煤层重复开采后斜率i=1.273～22.473 mm/m,曲率k=0.006×10-3～1.011×10-3 m-1,水平变形ε=0.729～12.878 mm/m;冒落带高度为3.118～3.274 m,导水裂隙带高度为18.76～20.91 m.受深部煤层采动的影响,矿山开采后地面建筑物破坏等级为I～IV级,结构处理为简单维修～大修;受近距离煤层采动的影响,K21煤层露头线2侧附近居民建筑破坏等级可能达到IV级,结构处理为大修.导水裂隙带最高达到K21煤层以上19.27 m,花石水库出露地层为侏罗系中统下沙溪庙组(J2x),矿井开采不会导致水库漏失,但会对须家河组第2段T3xj2、第4段T3xj4裂隙含水层地下水产生疏降作用.煤矿开采会导致邵新煤矿采空区内煤层浅部坡耕地出现细小地裂缝,但不会改变农业生产的基本格局.     

不同应力场条件下巷道稳定性研究

为了确定不同应力场（σH型、σHv型和σv型应力场）下巷道围岩的稳定性,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,通过对巷道围岩的应力和塑性区分布特征的分析,综合评价不同巷道布置方向巷道围岩的稳定性。研究结果表明:σH型和σHv型应力场,巷道与最大水平主应力夹角在0°～40°水平应力峰值处于较低的应力状态,夹角在50°～90°水平应力峰值处于较高的应力状态应力,夹角在40°～50°水平应力峰值急剧上升;σv型应力场,水平应力峰值呈缓慢上升趋势;确定巷道的最佳布置方位与理论分析相一致。以常村矿为应用实例,进一步验证了结论的正确性,为矿井合理的巷道布置提供了理论依据。