大断层采动“活化”导水特性研究

煤层回采引起的断层“活化”导水是矿井突水的一种重要形式,具有很高的危险性和隐敝性。依托具体的工程背景,建立简化的力学模型和数值模型,根据弹塑性力学和裂隙介质水动力学理论分析不同推进距离时断层面上的主应力和法向应力变化情况,并通过模拟计算得出回采过程中应力变化与塑性破坏特征。研究结果表明,新集矿区F10大型断层在煤层推进至距断层20 m位置时开始有“活化”趋势,断层带岩体位移值陡增到005 m,距10 m时断层面主应力急剧增大,峰值应力向浅部转移,断层带发生明显位移,孔裂隙扩张。为保证生产安全,需预设30 m防水煤柱,避免煤岩体突水通道沟通主干断层及承压含水层,该研究成果可为矿井生产提供一定的参考价值。     

承压水体上邻近断层开采底板岩层破裂与导水特征

大部分煤矿都不程度的受到承压水的影响,承压水的突出绝大多数与断层有直接的关系。以山西某矿承压水体上煤层开采为背景,分析了断层带突水的影响因素及突水机理;通过对矿区水文地质的综合评价,对矿区潜在威胁的断层建立离散元数值模型,进行流固耦合数值分析,以探究邻近构造带底板岩层的应力分布特点及破裂和渗流特征。通过计算表明,随着工作面逐步开采邻近断层,底板破裂深度增大,沿断层面两侧岩体发生滑移错动并伴随渗流发生。     

破碎带宽度对断层活化及煤柱留设的影响研究

为研究不同宽度的断层破碎带对防水煤柱留设的影响,通过对断层活化进行力学分析,得出断层活化的必要条件是断层带内岩石的黏结系数小于等于临界值Cmax,且断层带所受法向应力与剪切应力是影响该临界值的主要因素。利用数值模拟软件,建立不同破碎带宽度的数值模型,对断层活化及煤柱留设进行模拟。结果表明:当工作面距断层60 m内时,由于黏结系数临界值Cmax的迅速减小,断层活化危险性显著提高,且断层破碎带宽度越大,断层越容易发生活化;通过分析采场塑性区分布图,得出煤柱临界尺寸随破碎带宽度的增加而呈线性增长的规律。研究结果对断层合理留设煤柱具有重要的参考价值。     

煤层小断层附近采动应力演化特征与瓦斯突出防治

为提高煤层小断层附近瓦斯突出防治的针对性,以古汉山矿地质条件为背景,通过数值模拟研究了与工作面开采方向0°夹角、45°夹角、90°夹角小断层附近采动应力演化特征。结果表明,当工作面沿地应力场最大主应力方向开采时,小断层附近构造应力逐渐得到释放,与工作面0°夹角断层和与工作面45°夹角断层附近的采动应力场分布均匀,工作面瓦斯突出的危险性小,而与工作面90°夹角断层因断层应力阻隔效应,工作面的采动应力分布呈现差异,瓦斯突出危险部位沿断层走向分布;当沿工作面垂直最大主应力方向开采时,断层附近的构造应力叠加与断层应力阻隔效应一起导致采动应力逐渐增大,工作面采动应力分布呈现显著差异,在小断层附近存在瓦斯突出危险部位。煤矿现场瓦斯突出防治应在加强小断层探测的基础上,结合区域地应力场方向、开采条件、断层走向,对断层附近瓦斯突出危险部位做出预测,从而提高小断层附近瓦斯突出防治工作的针对性。     

断层带和底板注浆模拟及其防水分析

考虑回采过程断层与工作面底板沟通裂隙对工作面采场底板突水的影响,对矿井9603工作面底板及断层采取注浆防水措施.为了准确分析注浆技术的效果,运用弹塑性本构模型、Drucker-Prager准则和ANSYS数值软件,分析了9603工作面在注浆前后不同推进距离下沿工作面走向的应变区域分布.结果表明,岩层应变总体规律为随工作面推进应变范围逐渐扩大,断层与底板之间裂隙沟通程度加强,且分布于开挖煤层两侧及断层带.注浆前,底板斜交及垂直裂隙与断层先存裂隙初步沟通发生于工作面推进80 m的位置,完全沟通发生在工作面推进100 m的位置;注浆后,由于岩层在凝固浆液的影响下,弹性模量大大降低,抗张拉强度得到加强,底板斜交及垂直裂隙与断层先存裂隙的初步沟通和完全沟通分别延至工作面推进120 m的位置和150m的位置.     

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.     

基于基本顶断裂位置分析剩余煤柱稳定性

为简化支承应力表达式及全面分析煤柱稳定性,基于基本顶断裂位置建立工作面剩余煤柱载荷力学模型,将指数函数型支承应力曲线简化为与其拟合的幂函数抛物线,推导出剩余煤柱载荷及极限宽度B表达式。计算得出312工作面基本顶断裂位置与非开采帮塑性区边缘距离d为8.6～11.5 m,B为8.06～8.85 m。研究结果表明：随着d增加,煤柱载荷及B均逐渐增大;B随煤层黏聚力与内摩擦角的增加而减小,随煤层埋深、应力集中系数、侧压力系数、煤层厚度及工作面采高的增加而增大。研究结果有助于更加全面地分析煤柱稳定性,为工程实践提供一定理论指导。     

深部巷道围岩变形的数值模拟和模型试验

为研究煤柱宽度和煤层倾角对深部沿空巷道围岩的变形影响规律,采用数值模拟对沿空巷道煤柱宽度和煤层倾角的变化对围岩的变形影响规律进行分析,结果表明,煤柱宽度的变化对巷道围岩变形的影响十分明显。随着煤层倾角的增大,巷道围岩变形曲线呈现凹槽形状,表现出在煤层倾角中间值的巷道围岩变形值小于煤层小倾角和大倾角对应的巷道围岩变形值。然后,用模型试验验证数值模拟结果。验证结果表明,煤柱宽度和煤层倾角对应的巷道围岩变形较敏感期发生在开采深度600 m和900 m左右,开采深度在600～900 m之间时,巷道围岩变形与煤柱宽度和煤层倾角的大小基本上呈线性增长关系,而当开采深度超过900 m后,应适当加宽护巷煤柱宽度,以确保深部巷道围岩的稳定。     

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。     

基于不同岩层组合对底板阻水效应的流固耦合机理研究

为了探究不同岩层组合底板对承压水的阻隔效果,以淮北矿区下组煤底板为研究 对象,建立了三种不同组合特征底板模型。基于FISH语言对FLAC3D软件进行二次开发, 对流固耦合条件下不同组合特征底板采动应力及围岩渗透性进行了综合分析。结果表明 :流固耦合条件下,底板采后应力转换点深度较不考虑底板水压条件下加深,且底板深 部出现了明显的卸压现象;硬软型底板采后卸荷程度及应力转换点降幅最大,而软硬相 间型底板受最小;硬软型底板采后渗透性提高4.5倍,而软硬相间型底板仅提高1.4倍, 研究结果揭示出软硬相间岩层组合底板阻水效果最好,而硬软型底板最差。     

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。     

远距离重叠煤柱作用下的强矿压显现作用机制:以大同矿区多煤层开采为例

为研究大同矿区特厚煤层采出空间大和远距离侏罗系煤层群重叠煤柱共同作用下的强矿压显现机制,采用通用离散元程序(UDEC)数值模拟方法,分析重叠煤柱作用下的工作面采动应力规律。应用高精度微震监测技术,得到侏罗系煤层群开采影响下的综放工作面覆岩运动与矿压显现的关系。研究表明,工作面回采至侏罗系煤柱对应区域时,工作面超前支承压力比在非煤柱区域提高了25%~33%;侏罗系煤柱重叠区域,在"煤柱-覆岩联动"和"煤柱-采动应力耦合"共同作用下,工作面矿压显现更为强烈;在临近采空区和侏罗系覆岩共同作用下,沿空巷道矿压显现强烈。工作面开采扰动、临近采空区覆岩运动和侏罗系重叠煤柱的耦合作用,是石炭系综放工作面矿压显现剧烈的根本原因。用提出的基于地面钻孔压裂重叠煤柱弱化的强矿压显现顶板控制技术,可削弱重叠煤柱对工作面开采的影响,减轻特厚煤层综放开采采场矿压的显现强度。     

采动与承压水耦合作用下煤层底板的 力学效应及破坏机理分析

应用三维弹性中厚板理论,分析了采动与承压水耦合作用下煤层底板的力学效应及破坏机理。基于Hamilton原理推导了采空区底板在采动和水压耦合作用下的变形和应力表达式,分析了其变形和应力的分布特征。最后,推导了在采动与承压水耦合作用下煤层底板破坏极限载荷PS,讨论了影响煤层底板破坏极限载荷PS的因素。研究成果对揭示回采工作面开采时煤层底板隔水层变形破坏,预防煤层底板突水提供了理论依据。     

特厚煤层沿空掘巷合理留设小煤柱的试验研究

为减少煤柱损失量,改善巷道维护现状和提高煤炭回采率,以庞庞塔煤矿10#特厚煤层为工程背景,采用理论计算、FLAC3D数值模拟和现场观测方法对该矿特厚煤层综放沿空掘巷留设的小煤柱宽度进行了研究。计算表明:小煤柱合理留设宽度为7.7～9 m。以小煤柱理论计算为基础,结合工作面端头侧的应力与煤柱侧向支承压力分布特征,提出了4种小煤柱留宽方案,通过数值模拟对比分析不同留宽煤柱在掘巷和回采阶段的围岩应力和受载变形情况,最终得出小煤柱合理留宽为9 m。工程实践表明:按9 m留设区段煤柱,并采用合理支护设计,巷道顶底板及两帮变形量较小,煤柱稳定性良好,留宽方案满足生产使用要求。     

破碎岩体流变特性及其应用研究

受采动应力和水-岩耦合作用,松散含水层下薄基岩煤层采场易发生出水压架致灾事故,而巷采充填方法是解决此类问题的有效途径之一。为了研究巷道充填后上覆岩层的运移规律,首先采用流变仪对充填岩体进行了流变力学试验,其次采用FLAC模拟软件建立了巷采充填的数值计算模型,分析了充填开采时煤柱与充填体的应力、位移变化规律及基岩面的运移规律。研究表明:破碎岩体的压实过程由三部分组成:颗粒的重排、颗粒的破碎和孔隙的填充、颗粒的压缩变形;蠕变状态下,当时间t≥1天,轴向位移基本趋于稳定,破碎岩体达到了一定的强度;随着充填体变形模量的增加,充填体能够有效抑制高位承载岩层的下沉量,从而减小工作面发生压架突水灾害的几率     

孤岛工作面长度对下伏大巷稳定性影响研究

以开滦矿区某矿8#孤岛煤柱回采为工程背景,针对孤岛工作面长度对底板垂直应力的分布影响及下伏大巷围岩稳定性问题展开研究。采用理论分析和数值模拟相结合的手段,建立了孤岛工作面在倾向方向上的底板受力模型,采用半无限体空间理论,推导出底板垂直应力计算公式,将该孤岛工作面实际地质参数带入公式,得出了孤岛工作面长度与底板应力之间的函数曲线。研究表明:当该孤岛工作面长60 m时,对下方-480 m水平大巷产生的垂直应力最小。通过FLAC 3D数值模拟方法验证了8#孤岛工作面合理尺寸（60 m)比实际孤岛工作面长度（100 m)对下方水平大巷的采动影响小,便于维护。     

倾斜煤层矿井突水对防水煤柱稳定性的影响规律分析

针对倾斜煤层防水煤柱合理尺寸留设问题,以道清煤矿淹井事故为原型,采用理论解析分析与数值计算相结合的对比分析方法,研究矿井突水对防水煤柱的稳定性影响,得到在矿山压力作用与水压作用下防水煤柱的极限设计尺寸优化公式,结合道清煤矿生产实际得到防水煤柱尺寸,通过数值模拟分析对比验证防水煤柱尺寸的合理性,并探究了防水煤柱的破裂过程。结果表明,煤体受采动应力影响,应力状态重新分布,煤体由弹性状态转变为塑性状态,产生塑性形变,强度逐渐降低,当压力增大达到其强度极限时,煤体内部出现裂纹,裂纹逐步扩展靠近防水煤柱,形成裂纹带,随着时间的累积,防水煤柱的强度逐渐降低,塑性变形区逐步向弹性核区移动,矿井涌水后,煤体裂隙导通充满大量孔隙水,在水压作用下,新生裂纹及原生裂纹进一步扩展,裂纹的张开度不断增大,最终形成导水裂纹带,使得防水煤柱发生严重破坏,煤体的破坏形式以拉剪破坏为主,煤层沿倾向发生相对位移,表现出剪涨变形,煤体出现剪切带。     

采动诱发逆断层滑移的理论分析及数字图像相关方法观测研究

断层是采矿工程中经常遇到的一种地质构造,研究采动诱发断层的活化规律对安全开采具有重要意义.为了研究采动诱发逆断层滑移规律,以逆断层上盘煤层上方部分岩层整体为研究对象,通过引入工作面煤壁前方支承压力经验公式和有关假定,在其水平和垂直方向上建立平衡方程,获得了断层面上剪应力和正应力公式.研究发现,二者呈线性关系.以千秋矿21221工作面为例进行理论分析,获得了断层面上剪应力和正应力随工作面与断层距离的变化规律,通过引入莫尔-库仑准则得出工作面与断层距离超过31 m才能防止断层快速滑移.以千秋矿21221工作面为原型进行相似材料模拟试验,并利用自主研发的基于粒子群优化算法和牛顿-拉斐逊迭代的数字图像相关方法计算了开采过程中断层附近的位移场以研究断层滑移规律.通过分析得出工作面与断层距离超过35 m才能防止断层快速滑移,这与上述理论分析较为一致.     

金刚石串珠绳锯煤层割缝的相似模拟试验分析

为把握金刚石串珠绳锯煤层割缝的卸压效应,结合开滦矿区某矿5号煤层煤柱割缝的工程实际,采用相似材料模拟试验研究了缝槽顶底板移动和应力分布规律,通过理论分析了顶板下沉触底的机理.研究表明:绳锯切割煤层形成缝槽后,在缝槽上下方煤岩中形成了应力集中区、应力降低区和应力恢复区,并在缝槽上方形成了小范围的裂隙带及弯曲下沉带;缝槽上...