Numerical simulation analysis of covering rock strata as mining steep-inclined coal seam under fault movement

The fault is one important factor for the stability of overburden strata caused by steeply inclined coal seam. The stress and displacement change of overburden strata caused by steeply-inclined coal seam mining activity under faulting was simulated by FLAC2D finite differential program on the basis of Zhaogezhuang mining example belonging to Kailuan Mining Group. From the results, the stress and displacement clouding image after mining became complex because of the fault, that is, a kind of weak structural plane. The stress concentration region concentrated around the goaf, and also around the fault plane. As the mining depth increases, the stress and displacement within the fault zone change significantly. This movement and deformation characteristic of overburden strata can provide theoretical basis for the similar mining condition.

倾斜煤层群覆岩“三场”非对称特征及靶向抽采机制

倾斜煤层群“三场”(应力场、位移场和裂隙场)演化规律较为复杂,对卸压瓦斯运移和储集具有重要意义。为了探究倾斜煤层群“三场”演化规律,研究以新疆1930煤矿为对象,开展了倾斜煤层群多重采动相似模拟实验。分析了上覆岩层垮落形态,获得了覆岩应力演化特征,分析了覆岩位移分布和移动方向特征,阐明了采动裂隙分布特征。进而探究了三场演化规律对瓦斯运移的影响,并开展了定向钻孔瓦斯抽采现场试验进行验证。研究结果表明:倾斜煤层群多重采动下,采动裂隙矩形梯台呈现明显的非对称特征。低位侧覆岩应力变化较大,随开采次数增加,卸压效应更为明显,而高位侧覆岩应力变化较小;结合重力−倾角效应,高位侧覆岩更易破坏,垮落次序优先,呈非对称特征。覆岩位移分布呈非对称特征,高位侧位移显著且移动方向变化较大。高位侧裂隙区网格内采动裂隙频数明显高于低位侧;高位侧裂隙区破断裂隙分布更多,且开度较大;采动裂隙呈“高位扩展−低位压缩”的非对称特征。多重采动使得“三场”非对称特征更为显著。此外,覆岩贯通度存在“慢速减小−快速减小”的现象。基于“三场”演化特征和瓦斯运移的关系,揭示了瓦斯抽采靶向优选机制。结合试验结果,构建了基于“三场”演化规律的裂隙带瓦斯抽采靶点区判定流程。现场瓦斯抽采效果良好,保证了工作面安全高效回采。研究结果为倾斜煤层群卸压瓦斯精准抽采提供了理论参考,旨在提高倾斜煤层群瓦斯抽采量,防止上隅角瓦斯超限,实现倾斜煤层群安全高效开采。

基于DIC技术近距离煤层采动裂隙-位移-应变演化规律相似模拟研究

为研究近距离煤层采动条件下覆岩裂隙演化规律,以安顺煤矿9305工作面为研究对象,利用相似模拟试验研究近距离煤层开采过程中位移场与应变场的演化情况。结果表明:①上覆岩层随着工作面距离的不断推进,先形成离层裂隙和纵向裂隙,随后采空区中部部分离层逐渐压实;②位移场在工作面推进方向上出现不对称分布,工作面侧覆岩位移量明显小于采空区靠左区域,位移峰值主要集中在采空区中部;③最大主应变集中位置由采空区中部向开切眼侧以及工作面侧进行不对称转移,开切眼侧集中程度明显大于工作面侧,且最大主应变集中位置与瓦斯富集区存在潜在关联。

浅埋煤层开采覆岩“梯形”破断参数与裂隙演化分析

目的为了探究浅埋煤层开采覆岩“梯形”破断参数与裂隙演化规律间的关联机制,并量化表征覆岩垮落、裂隙分布特征,方法以崖窑峁煤矿为研究对象,采用理论分析、物理相似模拟、数值模拟、现场实测相结合的方法,分析覆岩垮落空间分布形态,并量化表征上覆岩层垮落“梯形”的分布参数。结果结果表明:上覆岩层受煤层开采扰动影响,沿两侧破断线整体呈“梯形”形态,由于破断角φ,γ不同,故覆岩采动裂隙在空间上呈非对称“斜四边形”裂隙发育体的展布形态,结论基于理论计算得出崖窑峁矿业30204工作面覆岩垮落分布形态,覆岩垮落两侧破断角开切巷处破断角φ∈[58.7°,68.7°],采煤机机头处破断角γ∈[60.8°,67.8°],并根据破断角公式进一步计算,得出开切巷处覆岩垮落长度Lφj=11.5 m;采煤机机头处覆岩垮落长度Lγj=10.4 m。依据现场30204工作面3-1煤层顶板垮落实际监测数据,得出上覆岩层垮落的最佳高度为11~30 m,裂隙发育最佳宽度在距离工作面开切巷5 m和采煤机机头5 m范围内。

大采高综采覆岩“两带”高度综合探测研究

为获取大采高综采“两带”高度,促进煤炭资源安全、高效开采,以斜沟煤矿为工程背景,综合运用经验公式预估、现场试验探测和数值仿真计算,对18102工作面8#煤综采时的覆岩“两带”高度演化开展研究。结果表明:拟合得到的经验公式仅考虑了采厚因素影响,用于预测“两带”发育高度存在一定的局限性;现场钻探压水试验和瞬变电磁探测综合探测得到覆岩垮落带高度34.6 m,导水裂隙带高度74.8 m;分析了大采高综采时覆岩破坏高度、围岩应力场变化和位移场变化,“两带”高度数值计算结果与试验探测结果吻合良好。研究结果可为类似条件矿山的顶板管理、露头防(隔)水煤岩柱留设等提供参考。

煤层群叠加开采覆岩裂隙演化及卸压瓦斯抽采研究

针对采动裂隙带卸压瓦斯抽采效果不佳导致的工作面上隅角瓦斯超限的问题。以赵家寨煤矿11210工作面为工程背景,采用物理相似模拟实验方法,研究了煤层群叠加开采对上覆岩层采动裂隙的演化特征,并通过现场验证确定了瓦斯抽采的最优层位。结果表明:煤层群叠加开采过程中,在卸压区域外,形成了较大的应力集中,在卸压保护范围内,应力集中现象不明显,且应力峰值小于二1煤层原始应力;煤层群叠加开采引起了采场上覆岩层的叠加卸压,使上覆岩层的位移场发生了叠加变化,岩层最大下沉量进一步增加;煤层群叠加开采结束后,采空区上覆岩层中部岩层被压实,两端岩层裂隙较为发育,形成了一定范围的裂隙发育区。通过现场试验,确定了裂隙带定向长钻孔合理层位的选择,并在现场进行钻孔监测,验证了物理相似模拟结果的合理性。

浅埋煤层采动诱发覆岩应力响应及地裂缝动态发育特征

为探究浅埋煤层综放采动诱发覆岩应力响应及地裂缝动态发育特征,利用UDEC软件对甘肃环县甜水堡矿区采煤过程中地裂缝的发育情况、应力变化情况进行数值模拟。研究表明:随着工作面的不断推进,地裂缝由下而上发育并且越发密集,采空区范围大到一定程度时,中部岩层被压实,临时性裂缝呈自闭合特征,永久性裂隙存在于采空区两侧。上覆岩层的下沉位移区域随工作面推进距离增大而增大,呈现出采空区两侧下降距离最少,越靠近采空区中部对称轴中心下降距离越深的趋势。采空区上覆岩层应力变化依次为应力集中、损伤变形、断裂坍塌到应力释放的过程。

近直立特厚煤层分段开采覆岩垮落规律研究

近直立特厚煤层由于其特殊开采方式,导致采空区的覆岩垮落与裂隙发育规律较水平煤层不同。利用相似材料模拟试验研究了近直立煤层采空区覆岩垮落规律,然后利用PFC^(3D)软件模拟了不同水平分段开采稳定后的地表沉降和裂隙发育情况,分析了空隙率演化规律,并进一步探究了地表沉降规律。相似材料模拟试验发现,随着分段开采的进行,上覆岩层逐渐垮落,首先形成“U”形区域,最终形成“V”形的垮落结构;随着开采的进行,采空区两端所留的少量空间逐渐消失,采空区裂隙与地表连通,形成采空区漏风通道;采空区的空隙率稳定在0.30~0.65,顶、底板侧裂隙的空隙率逐渐增加,最终稳定在0.30左右;垮落后地表沉降范围宽度由92.93 m缓慢增加至100.16 m,深度由27.85 m大幅增加,最终稳定在101.63 m。研究结果可为近直立煤层的开采设计及安全生产提供参考。

浅埋极薄煤层无煤柱开采覆岩运移与地表损伤特征研究

为了探究浅埋极薄煤层切顶卸压无煤柱开采与常规留煤柱开采覆岩运移与地表损伤区别,以子长矿区浅埋极薄煤层为背景,基于关键层理论,得到了硬岩破断距及覆岩的垮落高度临界值的计算公式,结合3DEC数值模拟及现场试验,对比分析了无煤柱开采与留煤柱开采条件下浅埋极薄煤层覆岩运移破断及地表损伤特征,确定了极薄煤层覆岩两带高度。结果表明:当工作面回采达到60 m时,两带发育高度基本稳定,当大于60 m时,工作面后方覆岩裂隙由开裂逐渐闭合,裂隙区随工作面回采向前方移动,两带高度稳定在24.6~27.7 m;相较于常规留煤柱开采,切顶留巷无煤柱开采方式下覆岩呈连续移动变形,可有效修复煤层开采工作面两侧非连续移动变形导致的覆岩裂隙及地表损伤裂缝,消除了常规留煤柱开采方式下相邻工作面间区段煤柱两侧覆岩裂隙,现场观测较好地验证了该结果。

沟谷地形浅埋煤层开采覆岩形态演化规律研究

以转龙湾煤矿231采区公涅尔盖沟区域Ⅱ-3煤层开采为研究背景,基于岩层控制的关键层理论,运用相似物理模拟实验研究浅埋煤层开采覆岩破坏场、位移场及采动裂缝演化规律。研究结果表明:受沟谷地形载荷分布影响,主关键层周期破断距随着载荷层厚度的增大而减小,模型1、模型2、模型3中主关键层周期破断距分别为7~17、12~24、11~23 cm;模型1、模型2、模型3中主关键层垂直位移最大值分别为22.77、24.42、20.98 mm,结构缺失的关键层破断后不易形成稳定的“砌体梁”承载结构,是导致模型2主关键层垂直位移最大值大于模型1和模型3的主要原因;随着工作面的推进,覆岩运移影响范围在竖直和水平方向逐渐增大;主关键层处于周期破断阶段,采动裂缝形成和发育进入活跃期,其数量和间距与主关键层破断规律有关;采动裂缝具有动态变化特征,沟谷底部及两侧坡脚裂缝容易受挤压影响,裂缝宽度较小甚至闭合,地表平坦区域裂缝形态相对稳定。

近距离煤层群多重采动覆岩破坏特征及应力传递规律研究

近距离煤层群开采覆岩破坏特征不同于单层煤开采,同时存在层间相互影响的问题。以晋能控股煤业集团燕子山煤矿11#煤层、14-2#煤层、14-3#煤层三层近距离煤层为研究对象,通过进行物理相似模拟实验和数值模拟计算,研究分析了近距离煤层群开采时顶底板围岩的覆岩破坏特征及应力传递规律。研究结果表明:近距离煤层群下行开采过程中,随着采动次数增加,顶板横向裂隙超前发育和纵向裂隙穿层效果更为明显,垮落块度明显减小,来压规律不明显;煤层顶板覆岩因采动产生的应力峰值随采动次数增加而降低;初次采动影响下,稳定后的覆岩应力要明显小于原岩应力,而多次采动稳定后的覆岩应力与该次采动前相近;上覆岩层在多重采动影响下,破坏更彻底,形成台阶式的岩层切落。研究结果可为条件相似的近距离煤层群开采顶底板围岩控制、采空区积水及瓦斯防治提供参考依据。

近距离煤层过上覆煤柱回采全生命周期防治措施及应用

针对石圪台矿22^(上)1041综采工作面过上覆12102辅运巷道煤柱时出现的顶板控制难题,结合上覆煤柱对下工作面动压灾害机理的详细分析,提出了“采前弱化治理+采中全过程控制”的全生命周期治理措施,并应用于生产中。根据现场采集的矿压数据可知,采用该治理措施可有效控制避免强矿压显现出现和缩短来压步距,进而避免工作面出现顶板安全事故与相关次生灾害。

浅埋近距离煤层开采覆岩裂隙发育规律与影响因素

通过统计浅埋近距离煤层开采实例,研究顶部单一煤层及下煤层重复采动的覆岩裂隙发育规律及其影响因素。单一煤层开采裂采比为8.61~32.50,主要在15.00~30.00之间,覆岩裂隙发育高度与煤层采高呈正相关。下煤层重复采动,间隔岩层完全破断后,上覆岩层裂隙活化发育更为剧烈,裂采比与单一煤层开采相比减小,覆岩裂隙发育高度受埋深影响不明显,主要随2煤层综合采厚的增大而增大。此外,随煤层间距增加,覆岩裂隙发育高度呈降速增大。

浅埋工作面过煤柱群强矿压防治技术研究

针对我国西部地区浅埋工作面过上覆采空区遗留煤柱群时极易造成工作面强矿压、支架稳定性差、动载现象明显等难题,以上湾煤矿22104工作面回采过上覆1^(-2)号煤层旺采区集中煤柱为研究背景,采用理论分析和数值模拟研究采空区遗留煤柱失稳时载荷传递机制与下伏煤层工作面坚硬顶板悬顶长度的时空关系,通过采用层间弱化技术调控坚硬顶板悬顶长度以实现工作面过煤柱群强矿压控制。研究结果表明,通过水力压裂减小层间坚硬顶板悬顶长度可以弱化煤柱载荷失稳向下伏工作面的冲击性传递,采用数值模拟研究层间坚硬顶板弱化及未弱化条件下悬顶长度差异性对工作面应力传递规律的影响,得出层间坚硬岩层弱化后悬顶长度减小可以明显缓解工作面围岩应力环境,结合22104工作面的弱化效果验证了防治技术的可行性,为浅埋工作面过煤柱群强矿压防治技术研究提供了理论基础。

复合煤层开采覆岩裂隙带发育特征

复合煤层开采过程中的重复扰动作用易诱发顶板剧烈变形、矿压显现异常等问题。为探明黄陵二号煤矿复合煤层开采状态下的覆岩裂隙带发育特征,运用3DEC数值模拟软件建立全尺度的数值模型。对复合煤层开采状态下的覆岩运移图与裂隙场发育图进行分析,并对下组煤开采前的覆岩裂隙特征进行钻孔实测分析。结果表明,上组煤层开采扰动造成地层中存在大量劈状裂隙与垂直裂隙,造成赋水空间增大,部分裂隙被地层中泥岩类物质充填。下组煤开采使垮落带增大37%~56%,导水裂隙带增大了约42%~46%。同时,复合开采所形成导水裂隙带高度明显大于单煤层开采裂高,总体增大9%~15%。

近距离煤层群覆岩裂隙带瓦斯治理措施优化及效果分析

为解决近距离煤层群综采工作面回采中上隅角瓦斯治理难题,保障综采工作面有效衔接,实现连续安全高效生产,利用同位素测定分析技术明确了近距离煤层群卸压瓦斯涌入覆岩裂隙带内的规律特征,提出施工地面L型钻孔以优化原有的覆岩裂隙带瓦斯治理技术,降低综采工作面上隅角瓦斯体积分数。结果表明:屯兰矿2号煤层综采工作面的覆岩裂隙带高度附近,工作面自切眼回采的95 m范围内,02号煤卸压瓦斯抽采占比逐渐降低,2号和4号煤层的卸压瓦斯抽采占比逐渐升高,95 m后,02、2和4号煤卸压瓦斯抽采占比趋于稳定,占比分别为60%、25%和10%.优化后的“以孔代巷”技术“高位钻孔+低位钻孔+高位走向长钻孔+地面L型钻孔”将上隅角平均瓦斯体积分数由0.65%降低至0.25%.地面L型钻孔的施工在空间和时间上保障了井下综采工作面的连续稳定生产,对井下工程不形成干扰,有助于解决上隅角瓦斯超限问题,实现了综采工作面的安全高效连续生产。

浅埋深厚硬基岩综放工作面覆岩运移破坏规律研究

为揭示浅埋厚煤层综放工作面顶板来压及覆岩运移特征,在五家沟矿15304工作面辅运巷内施工钻孔,现场重探顶板岩层分布及关键层位置,并对来压期间的顶板不同层位的裂隙发育特征及破断位置进行监测,分析工作面支架工作阻力分布规律。结果表明:顶板关键层控制工作面覆岩运移及工作面矿压显现,关键层破断引起覆岩剧烈运动及采场剧烈来压,采空区覆岩垮落以规则的弧线状向上发育,其中由顶板中间底部向上部、两端逐渐递减,覆岩破坏形态易形成“马鞍形”。由于亚关键层厚度及强度较大,导致15304工作面推进90 m时亚关键层才发生破断引起初次来压,周期来压过程中导水裂隙带逐步向上发育到主关键层附近,厚硬关键层阻断了顶板裂隙继续向上发育。该工作面初次来压步距90 m,周期来压来压步距22 m;覆岩垮落带最大发育高度为44 m左右,导水裂缝带最大发育高度为58 m。

黄土沟谷区浅埋煤层开采覆岩破坏与地表损伤特征研究

黄土沟谷区浅埋煤层开采地表非连续性的开裂损害,不仅引发了许多生态环境问题,也加大了生态修复难度,严重威胁着矿区生态安全。浅埋煤层开采地表非连续变形是特殊地质条件下覆岩破坏移动的结果,为更加系统地研究覆岩破坏对地表非连续性损害的影响规律,以陕北安山井田125203工作面为地质原型,采用离散元数值模拟与物理相似材料模拟相结合的方法,模拟分析了覆岩及地表破坏、岩块尺寸分布及力链演化等特征,揭示了覆岩力链演化对块体分布和地裂缝发育的影响规律,阐明了覆岩破坏块体对地表非连续损害的控制效应。研究结果表明:黄土沟壑缓坡地带浅埋煤层开采覆岩垂向变形与水平移动受地形影响较大;覆岩破坏形成双分层块体结构,分层界面距煤层底板11.0 m,下分层块体平均长度小于5.0 m,上分层大于5.0 m,覆岩块体平均长度随岩层至煤层底板距离的增大呈幂指数增长特征,地表块体平均长度由坡底至坡顶逐渐增大;下分层垮落压实的岩块结构和应力集中的力链结构,影响着上分层块体和力链的分布及地裂缝的发育,地裂缝平均间距与上分层应力集中点平均间距基本一致,主沟段顺坡、沟底和逆坡地裂缝平均间距分别约为下分层应力集中点平均间距的1.10倍、0.75倍和1.95倍,分别约为下分层岩块平均长度的2.93倍、2.00倍和5.18倍;“砌体梁”位移模型可以很好地描述下分层底部岩块的下沉移动过程和特征,进而反映覆岩块体的双分层结构特征和地表的损害效应。该研究结果可为黄土沟谷区浅埋煤层开采条件下沉陷控制与修复提供新的科学依据。

薄煤层超高水材料充填开采相似模拟试验研究

以山东某矿煤岩赋存条件为原型,取线性比C l=1/150、时间比C t=1/150、强度比C R=1.43×10-3进行了薄煤层(厚度1.2 m)超高水材料充填开采相似模拟试验研究。设计了试验参数及超高水材料在模型采空区的充填方法,揭示了薄煤层超高水材料充填开采采场覆岩及地表活动规律,并与类似条件下的垮落法开采进行了对比。结果表明:与垮落法开采相比,超高水材料充填开采时工作面超前支承压力的影响范围缩小且峰值明显降低,工作面后方上覆岩层稳定时间缩短,没有出现垮落带与明显断裂带;该技术能将地表移动和变形控制在规定要求的范围内,提高充填率有助于降低覆岩活动与地表变形程度。

高强度开采覆岩岩性及其裂隙特征

为分析高强度开采工作面覆岩岩性及其裂隙特征,以高家梁煤矿20313工作面为研究对象,分析了工作面顶板含水层赋存情况,通过试验获取了砂质泥岩顶板细观结构和矿物组分及物理力学性质,采用相似模拟试验、理论分析、CAN-Ⅱ大地电磁探测仪和现场调查综合分析了工作面开采后的覆岩破坏情况。结果表明:工作面顶板砂质泥岩随着与煤层距离的增大,颗粒间接触逐渐由点-点、点-面接触转变为线-面、面-面接触,且颗粒体积有增大趋势;由煤层至地表,抗拉(压)强度减小,断裂后接触面积更大,且遇水后颗粒体积膨胀,挤压颗粒间的孔隙,孔隙通道减小,降低宏观通水性;覆岩及地表裂缝以张开、闭合、压实的过程重复向前发展,虽然覆岩含水层及隔水层产生了破坏,但裂隙宽度较小,地表没有出现明显的塌陷裂隙;工作面开采后覆岩内会形成稳定的压力拱结构,覆岩破坏不会与地表裂隙贯通,地表潜水不会直接与井下工作面贯通。采动后工作面断层上盘侧岩层整体上破坏更严重;在断层下盘侧,虽然采动后CAN型综合值云图内出现了较多环状闭合曲线,但仍有平滑层状曲线包裹,说明采动覆岩的连续性分布较好,岩层内裂隙发育程度低;20313工作面开采后地表多以细小拉伸或挤压裂缝为主,裂缝数量较少,基本上所有裂缝经历了"张开—扩展—闭合"完整发育过程,裂缝发育周期最长的为15 d,最短为7 d;裂缝宽度最大为6.3 cm,台阶落差最大为8.7 cm,地表植被生长及分布情况与开采前基本一样,说明工作面开采的安全性及地表生态基本不受影响。高强度开采覆岩裂隙发育特征得到了大量理论与试验研究,物探法是开展覆岩裂隙现场探测最方便、快捷的手段,提高物探仪器对覆岩裂隙探测的敏感度及物探结果解释的准确度是物探法探测覆岩破坏得以推广的技术前提。