基于离散元法的采动顺层岩质斜坡变形破坏响应特征研究

地下采矿影响下顺层岩质斜坡极易发生采动顺层滑坡,且往往规模大,危害极严重.采用UDEC离散元法,将不同地表斜坡与采空区之间的空间位置关系归纳为地下单区段开采、跳采、顺坡开采、逆坡开采4种开采程序,并分别研究其对顺层岩质斜坡的变形破坏响应特征.结果表明:4种地下开采程序影响下,顺层岩质斜坡均出现拉裂、破裂、滑移破坏现象,但变形破坏程度不同;开采影响范围内,顺层岩质斜坡坡面出现明显上开口、下开口 2类裂缝,由坡面受拉伸变形引起上开口裂缝,因岩体向采空区方向卸荷下沉产生下开口裂缝;顺层岩质斜坡的上层岩体不仅向采空区方向下沉,还沿岩层面或软弱夹层向临空方向滑移;逆坡开采诱发顺层岩质斜坡变形破坏最为严重,且发生失稳滑坡的危险性最大.采动顺层岩质斜坡变形破坏响应特征研究为采动顺层岩质斜坡机理研究奠定了基础,可为采动顺层岩质斜坡稳定性分析提供一定的理论支撑.     

软硬互层型平缓反倾岩质斜坡采动变形破坏机理研究

为研究我国西南矿区软硬互层型平缓反倾岩质斜坡采动变形破坏机理,以我国贵州省都匀市某煤洞坡为例,采用数值模拟方法,分析采动诱发软硬互层型平缓反倾岩质斜坡的变形破坏特征,讨论采动对坡体的作用规律,研究单工况采动和留煤柱下重复采动对坡体的变形破坏机理。研究结果表明：靠近坡表工作面开采和留煤柱下重复采动对坡体的稳定性影响较大;采动裂隙首先集中于采空区两侧并向上发展,软硬夹层间产生离层裂隙的可能性一般较大;留煤柱可防止坡体沉陷破碎,但也可能加剧坡体稳定性下降。研究结果可为软硬互层型平缓反倾岩质斜坡地下开采时,有效预防诱发山体失稳等地质灾害提供理论参考。     

基于临空面特征的采动斜坡变形破坏规律研究

西南山区采动斜坡变形失稳灾害频发,复杂的地质环境条件导致岩质采动斜坡变形破坏规律复杂。而高陡临空地形是西南山区采动斜坡具有的显著特征,研究临空面影响采动斜坡变形破坏规律对于山区采动地质早期识别具有重要意义。以贵州都匀煤洞坡变形体为例,构建了采动斜坡工程地质模型,通过数值试验分析了有无临空面及不同临空面坡度条件下的斜坡变形破坏规律。结果表明:有临空面的采动斜坡岩层会同时发生朝向采空区和临空面的拉裂变形,距离坡表近的煤层开采对斜坡坡顶变形影响较大,煤洞坡斜坡坡顶大裂缝与下方的A4煤层开采直接相关;而无临空面的斜坡变形破坏范围局限在采空区覆岩,覆岩冒落范围和变形开裂程度也小于有临空面的采动斜坡。有临空面采动斜坡水平位移和范围明显大于无临空面的斜坡,而斜坡下沉位移受临空面影响较小,但受重复采动影响较大。同时随斜坡临空面坡度增加,靠近临空面区域的覆岩水平位移会加剧;随临空面坡度增大,采空区覆岩朝向临空面及采空区方向拉裂变形范围和程度也逐渐增大。临空面增大了山区采动斜坡水平移动范围和斜坡开裂程度,临空面具有变形"增大效应"。     

地下采空诱发顺层岩质斜坡变形破坏特征研究

为揭示地下采空诱发顺层岩质斜坡变形失稳的机制,采用底摩擦模型模拟试验方法,以重庆市鸡尾山地质条件为试验对象,研究不同开采顺序(顺坡开采、逆坡开采)、煤柱留设(上下边界矿柱、区段或水平矿柱)情况下,地下采空区不同空间分布诱发其上覆岩层的变形破裂响应特征。结果表明:1)地下采空区分布不同,其上覆岩层变形破裂响应特征也不同;2)软弱夹层是顺层斜坡的潜在滑动面,同一矿山地质条件、不同采空区影响下的软弱夹层可分为凹形、凸形、S形、反S形4种类型;3)地下采矿形成采空区后,岩体破坏规模及程度主要受地质环境和开采方式的控制,地下采空影响下类似含软弱夹层缓倾斜顺层斜坡的变形机制为弯曲-断裂、滑移-拉裂。     

变滑面顺层滑坡相似模拟试验装置研制与应用

为了揭示地下采矿诱发顺层岩质斜坡的变形失稳机制,自主研制变滑面顺层滑坡相似模拟试验装置,该试验装置用可变滑面间接模拟地下开采对斜坡的影响,可节省配制和装填基岩、矿层等滑动面以下岩层的相似材料用量,缩短模型堆建时间,减少工作量,能模拟不同滑动面形态、变形速度、挠曲程度、抗剪强度等条件下顺层斜坡的变形失稳。利用该试验装置,研究重复逆坡开采影响下顺层岩质斜坡的变形破裂响应特征,试验结果与现场实际斜坡的变形破坏滑坡过程相符,表明试验装置具有较好的可靠性。     

基于弹性理论的软弱顺层岩质边坡受采动影响研究

在有软弱顺层边坡地形中进行采矿通常会引起边坡稳定性变化,因而研究此类边坡在受采动沉陷的影响在地质问题中是尤为重要的。首先利用关键层理论概念分析得到,在含有软弱结构层的岩质斜坡受到采动或开挖影响时,软弱结构层将和关键层同步变形而与上部岩质斜坡产生离层,形成悬臂结构。再根据弹性力学理论计算出岩质斜坡的极限悬臂长度以及断裂长度。最后利用实际矿山地质进行稳定性判断。结果表明,随着工作面的不断推进,采动影响下的离层距离变大,岩质坡体最大拉应力将沿着坡表面向前移动并且逐渐增高,最大拉应力点与发生离层点的距离X_(max)却急速减小,当离层距离达到l_(max)时,最大拉应力达将到坡体抗拉强度,岩质坡体断裂,此时岩体断裂长度达到l_(max)+X_(max);通过实际矿山工程算例得到,当坡顶上离层距离达到6.88 m时,若下方采空区继续推进增加,则上方坡体将产生断裂形成滑坡。     

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。     

蒙西深部厚煤层大采高综采面覆岩破坏高度研究

为解决蒙西矿区深部开采受多层含水层威胁条件下,覆岩破坏高度难以准确计算的问题,应用现场实测、数值模拟和相似模拟相结合的方法,研究厚煤层大采高综采覆岩破坏高度。首先,综合采用井上下钻孔联合观测,基于钻孔注水及数控摄像技术,实测纳林河二号矿井厚煤层综采一次采全高条件下的导水裂缝带发育高度;然后,通过构建数值和物理相似模型,并结合全国类似条件矿井实测资料的回归分析,确定蒙西矿区覆岩破坏高度计算方法。结果表明:实测导水裂缝带发育高度与采高比为17.1～22.06;采用相似模拟、数值模拟和理论计算确定该条件下导水裂缝带高度与采高的比值为15～18.8;蒙西深部厚煤层高强度开采工作面覆岩破坏高度可按18倍采高估算。     

开采沉陷对矿区地表裂缝的采动累积效应分析

基于开采沉陷学和岩石力学理论分析矿区地表裂缝的采动累积效应。采用概率积分法、胡克定律和莫尔-库伦破坏准则等方法描述并量化地表拉伸裂缝的采动累积效应表征指标,提出了采动裂缝时间拥挤效应和采动延迟效应表征指标及采动空间拥挤效应表征指标。对研究区地表裂缝采动时间拥挤效应的实地观测与数值模拟分析结果表明,上下分层动态裂缝持续时间和永久裂缝显现时刻与地表移动活跃期吻合;采动空间拥挤效应分析结果表明,采动裂缝水平延伸长度、宽度和深度均比永久裂缝小,下分层开采裂缝比上分层发育,下山方向比其他部位裂缝发育。     

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。     

高强度开采地表裂缝分布特征及形成机理分析

高强度开采引起的地表裂缝严重破坏矿区生态环境,对矿井的安全生产造成很大隐患。为了掌握高强度开采地表裂缝形成机理,以神东矿区地质采矿条件为基础,通过现场监测和理论分析方法,得到了地表裂缝分布规律及变形参数,分析了矿山高强度开采产生的非连续变形发育分布特征与地质采矿条件之间关系。研究表明:在高强度开采条件下,动态拉伸型地表裂缝随工作面推进而周期性地超前出现,超前距为15m,超前角为83°,裂缝密度1m左右,宽度1~3cm。台阶型裂缝总是出现在开采工作面边界的上下方、停采线上方和开切眼附近,裂缝落差20~40cm,间距8~11m,滞后距为4.2m,滞后角为86°。同时指出上覆厚风积沙松散层特性使地表裂缝具有一定的自动修复功能。     

特厚煤层重复采动条件下断层滑移对冲击地压的影响

为探究重复采动条件下断层滑移特征及其与冲击地压的关系,以老虎台矿83003综放工作面为研究对象,采用数值计算、现场监测和理论分析多种方法进行研究。采用UDEC数值模拟软件和预应力锚索的工作阻力监测,对重复采动条件下断层运动特征以及断层运动与冲击地压或矿震关系进行分析。研究表明,重复采动使断层活化,83003综放工作面开采后F25断层上盘的滑移量达到5~8 m;锚索工作阻力突变值大于5 k N时,将在33 h内发生能量较大(大于106J)的矿震,对冲击地压的发生具有预警作用。覆岩破坏、断层滑移、断层应力场和采动应力场耦合作用是83003综放工作面冲击地压频繁发生的根源。     

基于物理相似模拟实验的覆岩采动裂隙演化规律研究

覆岩采动裂隙演化规律及其形态特征与卸压瓦斯抽采密切相关。运用自主设计的固气耦合相似模拟实验系统,通过模拟实验分析得到采动裂隙随着工作面的推进经历了产生、发展和闭合过程,其分布曲线呈马鞍状。结合采动裂隙演化规律及分布形态,分析了采动裂隙场的演化特征,其发育高度受主关键层影响明显,进一步明确了卸压瓦斯在裂隙发育各阶段发生运移和汇集的区域范围,为现场布置瓦斯抽采钻孔参数提供了设计依据。     

工作面回采诱发多断层活化对地表建筑物的影响分析

为了研究工作面回采诱发多断层活化对附近村庄内民房的影响,结合杨河煤矿地质采矿条件及裴沟村的地理位置,通过现场调查民房破坏情况划分了建筑物的采动损坏等级,证明了利用岩层边界角计算由断层活化引起的采动影响范围的不合理性;分析村庄内的地表移动破坏特征确定了断层活化的事实;运用FLAC3D数值模拟揭示了断层活化地表移动变形的特点;综合以上研究,提出了由断层活化造成民房损害的鉴定方法。结果表明:多断层活化具有多米诺骨牌效应,工作面回采产生的破坏,在断层之间依次传递,扩大了开采沉降的范围,增加了受损民房的数目;断层活化的地表倾斜值并非随着远离采空区边界逐渐减小,而是先减小,后增大,造成部分民房破坏加剧;提出以地表移动破坏特征判断断层是否活化、数值模拟确定采动影响范围、民房损害等级划分确定民房受损数目的鉴定方法。     

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。     

榆阳煤矿2301工作面导水裂隙带高度的数值模拟

在分析榆阳煤矿覆岩赋存特征的基础上,建立了采动岩体力学模型,利用有限差分程序(FLAC)对采动引起的覆岩破坏进行了数值模拟,得出了导水裂隙带发育高度最大值为50m；采用WSD-2数字声波仪测定岩样的物理力学性能,分析得知覆岩中泥岩强度大于砂岩,且抗压与抗拉强度的比值较高,使得岩层呈脆性材料特征,对导水裂隙带的发育有利,这样给保水开采增加了难度.     

巨厚砾岩下冲击地压发生机理及加固技术研究

针对深部矿井巨厚砾岩下采场冲击地压的易发性和危险性,运用理论分析和室内相似材料模拟试验方法,对华丰煤矿巨厚砾岩下覆岩运动规律及采场冲击地压发生机理进行研究。研究发现:随着工作面的推进,离层自下而上发育,在巨厚砾岩层下部离层空间达到最大。煤层极限平衡区内集中静载荷能量E静和巨厚砾岩破断、垮落释放的集中动载荷能量E动是造成采场冲击地压的根本原因,并且E动诱发冲击地压的强度更高,危险性更大。当E静+E动-Ef min>0时,采场冲击地压启动。在此基础上,提出一种囊袋式离层加固技术,对离层区域进行横向挤压和纵向加固,有效控制巨厚砾岩断裂、垮落,防止冲击地压的发生,减少地表沉陷,实现了煤矿安全绿色开采。     

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。     

采动影响下断层滑移失稳研究

为研究采动影响下活动断层的滑移情况,以抚顺矿区老虎台矿为背景,建立了采动条件下覆岩运动的突变力学模型,确定了断层发生滑动的必要条件;运用UDEC数值模拟软件对工作面开采条件下断层活动进行分析,现场工业性试验对断层活动进行监测和验证。结果表明,断层失稳的必要条件为刚度值k≤1,刚度比随着开采深度的增加而逐渐降低;当弹性段采出厚度大于85 m时,F25断层具备了发生滑动的必要条件,易发生冲击地压。83003工作面开采后,F25断层下盘位移基本不变,上盘位移活动幅度较大,最大位移达到了5~7m;锚索测力计的应力变化与断层活动具有较大的相关性,当锚索测力计数值突变时,表明断层已经活动,锚索测力计数值突变越大,预示冲击地压和矿震能量越大。     

综放工作面覆岩破坏特征及裂隙演化相似模拟试验研究

针对煤层开采后常出现矿压显现剧烈、煤岩透气性增大和地表下沉等问题,利用二维相似模拟试验研究综放工作面覆岩破坏特征并通过分形理论表征裂隙演化规律.试验结果表明:煤层基本顶初次来压步距为78 m,周期来压步距为24 m;煤层采动裂隙发育,距煤层顶板超过35 m;煤层开采后形成的覆岩裂隙具有分形特征,其分形维数随工作面的推进...