浅埋薄基岩顶板采动突水溃砂固流耦合相似模拟试验研究

突水溃砂作为一种新型的矿井地质灾害,具有隐蔽、突发、难监测、破坏强等特点,因此,探究覆岩采动劣化特征及突水溃砂致灾机理对松散层水害防控具有指导意义。首先,通过相似材料配比与测试试验,研究了不同材料配比对材料强度、渗透特性的影响机制,并研制出一种适宜于模拟松软岩层的新型固流耦合相似材料;然后,借助采动煤层顶板涌水溃砂灾害模拟系统,进行了浅埋薄基岩、中厚基岩的单一含水结构盖层以及薄基岩含隔双层结构盖层条件下开采的相似模拟试验,分析了不同地层结构的采动裂缝空间劣化-贯通及水砂起动、运移、涌溃灾变特征,揭示了浅埋薄基岩采动突水溃砂致灾机理。试验结果表明:新型固流耦合相似材料兼具耐水、抗崩解、抗软化、低渗透、低强度、低塑性的特性,且渗透系数随碳酸钙含量的增加呈负指数衰减,单轴抗压强度呈现二次多项式增长的特点;初次来压和第一次周期来压阶段是浅埋薄基岩采动覆岩劣化诱发突水溃砂的高发期,采动裂缝平面呈“OX”分布,随基岩与松散层底部黏土层的厚度增加,覆岩由拉剪破坏逐渐转变为拉张破坏,裂缝形态由“垂向直通形”转变为“倒楔形多层交错叠加组合”,裂缝开度减小,通畅度变差,可降低诱发突水溃砂风险几率与危害程度;通道开度(宽度)与砂体粒径的相对关系(简称“裂粒比”)以及通道通畅度是决定突水溃砂发生与否及致灾程度的关键。

雄安新区基岩热储钻探施工技术探讨

针对雄安新区基岩热储钻探中风化壳钻进、地层大量漏失封堵及基岩取心的钻探工程难点,通过对所处牛驼镇地热田、容城地热田和高阳地热田地热地质状况、岩性特点的分析,提出了基岩热储地热钻探有效解决方案,包括采用小径探孔施工工法、采用封隔器有效完成水泥浆堵漏、借鉴金刚石满眼取心钻具技术等。

深埋厚冲积层薄基岩煤层开采地表沉降特征与预测方法

煤炭地下开采导致上覆岩层的破断和运动,岩层运动传递至地表引发地表沉陷,改变地表形态,破坏地表连续性和生态环境。为降低采矿活动的负外部性,以赵固二矿为工程背景,综合运用室内试验、理论分析和现场实测等方法研究深埋厚冲积层薄基岩煤层开采地表沉陷与覆岩运动的关系、地表沉陷演化特征和地表沉陷预测方法。结果表明:深埋薄基岩厚煤层开采覆岩运动存在关键层控制和厚冲积层主导2个阶段,第1阶段薄基岩呈现层状破断特征,关键层下缘离层现象明显,厚冲积层保持稳定;第2阶段采动裂隙萌生于高位厚冲积层,下行扩展导致薄基岩全厚破断,层间离层现象消失;得到了工作面推进过程中不同层位覆岩沉降曲线动态演化特征,发现厚冲积层对覆岩运动和地表沉陷具有强烈控制作用,冒落拱失稳导致覆岩沉降曲线呈现周期性突变现象;薄基岩全厚破断后整体下沉,厚冲积层冒落体下向压实,采动裂隙快速闭合,导致采空区上方垮落带和裂隙带岩层破坏后的碎胀系数小,地表下沉速度快,沉降系数高,最大下沉量达到开采厚度;将地表沉陷区划分为直接沉降和间接沉降2个区域,深埋厚冲积层薄基岩赋存条件下间接沉降区范围增大,构建了地表沉陷分区预测模型;对赵固二矿地表沉陷特征进行了预测,同时采用无人船搭载定位和声纳系统对赵固二矿地表沉陷盆地形态进行了实测和重构,预测结果和实测数据对比分析表明理论沉陷值的最大误差率为7.0%,平均误差率为2.4%,表明构建的地表沉陷分区预测模型适用于深埋厚冲积层薄基岩赋存条件,可为该类煤层开采地表沉陷治理提供借鉴。

6305综放工作面厚表土层薄基岩地表下沉运动特征及原因分析

为了探索厚表土层薄基岩地表下沉运动特征及原因分析,以典型的厚表土层薄基岩厚煤层开采的新巨龙煤矿6305综放工作面为基础,采用理论分析和现场实测相结合的方法进行研究。首先研究得出6305综放工作面地表下沉可分为3个阶段,分别为缓慢下沉阶段、加速下沉阶段、下沉衰减阶段,并分析了各阶段的地表下沉特征,然后基于6305综放工作面覆岩运动和微震数据解释了该工作面地表沉陷特征及三阶段产生原因。

薄基岩浅埋煤层综采工作面矿压规律及围岩控制研究

通过对大柳塔22614薄基岩浅埋深综采工作面的矿压实测研究,对其矿压显现特征及来压规律进行了详细的分析,并对支架对工作面的适应性做了评价。得出如下结论:周期来压步距随基岩厚度增大而增大,来压强度随基岩厚度增大而减小,基岩变厚区比基岩变薄区来压步距大、来压强度大,9000kN支架基本符合该工作面开采要求等。

巨厚松散层下煤层开采薄基岩变形及矿压显现研究

以赵固一矿12051综采工作面为研究对象,采用UDEC数值模拟软件对巨厚松散层条件下煤层开采薄基岩变形及矿压显现进行了研究。结果表明:(1)工作面初次来压步距为55 m,周期来压步距为15m;开采后上覆薄基岩出现垮落带和裂隙带,垮落带高度为12.4 m,垮采比为3.54,裂隙带高度为36.7m,裂采比为10.48。(2)随着工作面推进距离的不断增加,工作面前方支承压力影响区范围、支承压力峰值和塑性区范围均增加;当基本顶初次来压后,工作面前方支承压力处于稳定状态,主要表现为最大应力集中系数和塑性区范围基本保持不变。研究结果可为类似地质条件下综采工作面围岩控制提供依据。

薄基岩浅埋煤层覆岩破坏移动演化规律研究

以榆阳煤矿为研究基地,进行了地下水动力学参数、覆岩力学组合结构特征与基岩风化带的阻隔水特性试验。结果表明,风积沙层底部为强含水层;主采煤层上覆覆岩泥岩强度高于砂岩;砂岩孔隙率高,含水率大,抗压、抗拉强度比值高;泥岩和砂岩的黏土矿物含量低、具有典型的脆性易裂、抗扰动能力差和再生隔水能力弱等新的破坏移动特性,并通过多因素拟合,确立了薄基岩浅埋煤层覆岩采动破坏"两带"高度的动态变化特征,提出了长壁工作面开采防止突水溃砂的调控技术,成功应用于榆阳煤矿并实现绿色保水开采,为陕北榆神大煤田薄基岩浅埋煤层进一步推广高效开采技术和保护生态环境实现绿色保水开采奠定了基础。

采场覆岩“宏观-大-小”结构及其失稳致灾机理

针对薄基岩工作面易发生顶板整体切落压架事故问题,采用理论分析和数值模拟对一般工作面和薄基岩工作面采场覆岩结构失稳致灾机理进行对比研究。建立采场覆岩"宏观-大-小"结构力学模型,确定不同覆岩结构失稳支架临界工作阻力,分析了关键层上覆载荷对关键层破断形式和破断块体稳定性的影响,并通过UDEC数值模拟软件对典型工程地质条件下采场覆岩结构及应力场演化特征进行了模拟验证。研究结果表明:(1)一般工作面回采后,采场覆岩中会自下而上依次形成"支架-围岩"小结构、"砌体梁"大结构、"压力拱"宏观结构,小结构的稳定性取决于大结构的稳定性,而大结构的稳定性又取决于宏观结构的稳定性;(2)在宏观结构的保护作用下,关键层上覆载荷较小,关键层破断岩块容易形成"砌体梁"平衡结构,作用在支架上的力较小,工作面矿压显现缓和;(3)随着关键层上覆载荷增大,关键层破断步距减小,破断形式由弯拉破断转变为剪切破断;(4)当关键层破断岩块上覆载荷过大,大结构发生失稳,关键层自重及其上覆载荷经垮落带岩层作用在采场支架上,导致小结构失稳,发生压架事故;(5)薄基岩工作面采场覆岩中无法形成宏观结构,上覆岩层在承压含水层水压力及自重作用下沿煤壁发生全厚整体切落,易造成工作面压架事故;(6)一般厚层坚硬顶板工作面来压步距越大,矿压显现越剧烈,而薄基岩工作面来压步距小,矿压显现反而剧烈。

浅埋薄基岩煤层快速推进工作面矿压显现规律研究

基于神东矿区1-2#煤层的赋存条件和开采技术条件,采用FLAC3D数值模拟方法,研究浅埋薄基岩回采工作面快速推进过程中的矿压显现规律,为工作面支架阻力确定和岩层控制提供依据。结果表明,随着推进速度的增加,顶板压力呈现减小趋势;推进速度越快,工作面前方应力集中程度越高,峰值应力距工作面距离越小,应力集中影响范围呈减小趋势;推进速度不同时煤层上部的薄基岩和厚松散层破断都直接波及地表,地表下沉量明显高于相同条件下的正常采深煤层工作面;浅埋采场上覆松散层变形移动过程中难以形成承载结构,荷载估算时不能采用传统的普氏压力拱理论。

深埋薄基岩大采高覆岩移动相似模拟研究

为了研究埋深较大、薄基岩条件下随采高增大覆岩的移动规律,采用相似模拟的研究方法,研究了深埋薄基岩条件下大采高工作面的覆岩运移,结果表明:工作面来压步距减小,上"三带"之中弯曲下沉带已不复存在;随着采高增加,受开挖影响而引起的覆岩移动范围增加;传统的裂隙带估算公式用来计算6 m大采高工作面裂隙带高度时结果偏小。

浅埋薄基岩大采高工作面顶板破断特征和来压规律

为了揭示浅埋薄基岩大采高工作面顶板破断运动结构特征,在张家峁煤矿22201工作面辅运顺槽内施工3组钻孔,现场观测不同层位的顶板位移量,钻孔窥视顶板破断位置,实测统计对应的工作面支架工作阻力和超前支架工作阻力。结果表明:工作面上方顶板分层垮落,具有显著的时间和空间效应;顶板破断超前于工作面来压,超前破断距离约15~20 m;顶板冒落带高度15~18 m,平均顶板破断角65°;初次来压形成非对称三铰拱结构,周期来压形成台阶岩梁结构;端头区域内倾向不同层位的顶板呈弧形拱状冒落。工作面初次来压步距为32 m,来压时支架的平均工作阻力11 448 kN/架,周期来压步距为10~15.8 m,平均13 m,来压时支架的平均工作阻力10 343 kN/架,支架选型合理且利用率高;回风顺槽侧超前支承压力显现较明显,超前支承压力峰值位于工作面前方5 m内,显著影响范围约为10 m,一般影响区为15 m.

张集矿大采高薄基岩顶板破碎煤层综采实践

以张集矿回采实践经验为基础,通过对不同工作面地质构造、设备配置选型、推进速度、矿压显现的比较,分析得出大采高薄基岩顶板破碎煤层综采工作面漏顶、压架及矿压规律变化原因,从而得出结论:成熟的"三机"配置、工作面合理推进速度、稳定的直接顶板及有效的技术措施是回采成功的关键条件。通过分析研究,形成了大采高薄基岩综采面安全开采评价技术体系,为类似条件综采工作面安全开采方案设计提供参考。

浅埋薄基岩工作面水砂溃涌通道形成机理

为了研究浅埋薄基岩工作面溃水溃砂致灾原因,采用现场实测、理论分析、相似模拟等方法研究了工作面切顶压架导致基岩裂隙导通工作面与含水松散层的发生机理。建立了覆岩组合承载结构模型,论证了“主控层-软弱层”组合承载结构模型在神东矿区浅埋薄基岩工作面覆岩破断过程中的适用性与合理性,通过组合承载结构模型对神东矿区浅埋薄基岩工作面覆岩组合结构稳定性进行了分析并推导了覆岩组合结构滑落失稳判据,揭示了冲击荷载形成条件并给出了最大冲击荷载计算方法。利用相似材料模拟实验开展了基载比分别为0.625,0.750,0.875,1.125四种工况的相似模拟实验,研究不同“基载比”条件下覆岩结构破坏规律,实验结果表明基载比对主控岩层破断步距的影响方面:初次来压前4类工况中直接顶均发生初次破断冒落,当基载比为0.875~1.150时,直接顶初垮步距及冒落厚度增幅减小;当基载比为0.750~1.125时,初次来压步距呈现增大趋势,直接顶冒落厚度呈现减小趋势;当基载比由0.625增加至1.125过程中周期来压步距呈现明显整体增大的趋势,周期来压相对于初次来压冒落岩层厚度明显减小。基载比对覆岩结构形态的影响方面:当基载比<0.625时,初次破断期间覆岩将发生贯通至地表的切落;基载比>0.75时中上位岩层断裂岩块块度为i=0.09~0.50,部分岩层可形成稳定简支结构,覆岩表现为下位冒落、中上位“简支梁-简支梁”组合承载结构,基载比由0.625增加至1.125过程中,对于块度i>0.50的中位岩层断裂岩块,将形成单回转岩块结构,该层位岩块架后切落始终存在,对于块度0.25<i<0.50的上位岩层断裂岩块,将形成简支梁结构,整体覆岩形成协同运动的承载结构,覆岩表现为下位冒落、中上位“单回转岩块-简支梁”组合承载结构,模拟实验结果与理论模型相符。22402工作面初采区域支架实测阻力平均介于5000~6000 kN,且来压期间呈现明显的动压显现,支架类型为最大支撑阻力5500 kN型支架,由于支架性能未能满足实际来压需要导致切顶,基岩裂隙导通工作面与含水松散层,发生溃水溃砂,因此通过适当增加支架阻力可有效防止溃水溃砂事故的发生。

浅埋深薄基岩地表水体下重复开采危险性分析

煤层重复采动的覆岩破坏规律较为复杂,尤其是面临浅埋深薄基岩层下地表水体下的安全开采。以某矿实际地质情况为基础,通过构建数值模拟模型及现场实测反演确定出2-3煤层开采时的覆岩力学参数,在此基础上,进行3-1煤层重复开采的数值模拟分析,最终确定了重复采动影响下的覆岩破坏高度,并论证了该区域的重复开采的安全可行性。

不同基岩厚度综放上限开采矿压显现规律

文章研究了不同基岩厚度上限开采综放采场矿压显现规律,确定了合理的综放工作面开采上限,将基岩厚度降低到最小33 m,通过限厚开采,确保了水体下综放开采条件煤炭资源的安全回收,从而最大限度地提高了资源回收率,减少了煤炭资源损失,对煤炭资源的安全高效开采具有重要的理论价值和现实意义。

多因素协同作用浅埋深薄基岩覆岩活动研究

根据浅埋深薄基岩煤层赋存特点,采用Flac3D数值模拟方法进行正交试验,系统分析了松散层厚度、基岩厚度、采高和推进速度对浅埋深薄基岩厚松散层岩层活动的影响,确定了各因素对岩层活动影响的重要性。结果表明:各因素对岩层活动影响的重要性从岩层活动的不同指标来看是不一样的。针对初次来压,基岩厚度为主要影响因素;对于周期来压,松散层厚度为主要影响因素;采高为地表位移的主要影响因素;综合来看,对于浅埋深薄基岩厚松散层采场岩层活动影响的因素由主到次依次为基岩厚度→松散层厚度→采高→推进速度。

浅基岩地区轨道交通地质分层系统研究

文章对岩石和土的分类方法进行了总结与分析,对于岩体,采用岩石的风化程度进行工程地质分层,既能体现地质规律,又能很好地结合工程应用,文中共划分了残积土、全风化岩、强风化岩、中等风化岩和微风化岩共5个主层。对于土层,土的地质年代对土的工程性质影响较大,共划分了人工填土、新近沉积土、一般沉积土共3个主层。浅基岩地区工程地质分层可采用"九分法",即工程地质分层中的主层仅采用9个,既可符合地质规律,又易于工程使用,并以福州轨道交通2号线为例进行说明。

厚土层厚基岩大采高综采面矿压规律

以小保当煤矿2-2煤层300 m埋深5 m大采高综采面地质条件为背景,采用理论分析和相似模拟相结合的方法,对厚土层厚基岩工作面上覆岩层结构、来压步距和支架工作阻力等进行研究.结果表明:2-2煤上覆岩层存在"双关键层"结构,亚关键层和主关键层共同作用导致工作面的大小周期来压现象,大、小周期来压步距分别为23,12 m.动载系数1.31,工作面来压较为剧烈.来压过程中支架工作阻力平均为12 643 k N,最大工作阻力为13 633 k N.工作面煤壁支承压力峰值为14.73 MPa,峰值位于采场煤壁前方5.5~20 m,支承压力增幅剧烈的区域为煤壁前方50 m范围内.小保当矿2-2煤厚土层厚基岩大采高综采面矿压规律与榆神府矿区近浅埋煤层矿压特点相似,为小保当煤矿2-2煤安全开采提供依据.

浅埋薄基岩工作面覆岩活动规律3维物理相似模拟研究

针对浅埋采场在开采活动中常出现矿压显现剧烈、顶板和地表台阶下沉等问题,以神东矿区为背景,采用3维物理模拟试验研究浅埋深薄基岩工作面覆岩活动规律。模型试验尺寸长×宽×高为1 050 mm×2 000 mm×1 130mm,几何相似比为1∶100,容重相似比为1∶1.67,时间相似比为1∶10,应力比为1∶1.67,监测模型地表位移变化和顶板位移变化规律。结果表明:浅埋薄基岩煤层开采过程中,上覆岩层只出现冒落带和裂隙带,煤层直接顶随采随冒,基本顶初次来压步距为40 m,周期来压步距为20 m;上覆岩层及松散层出现台阶下沉现象,裂缝贯通地表,切眼和停采线附近出现溃沙现象,地表形成塌陷坑;上覆岩层运动以垂直运动为主,随工作面向前推进,顶板位移增加;靠近煤柱的上覆岩层出现搭桥结构,靠近煤柱的上覆岩层位移变化量较小,而远离煤柱的测点上覆岩层位移变化量较大;地表位移变化和上覆岩层位移变化整体上具有正相关性,但地表位移变化幅度较小,具有滞后性,且受到溃沙现象的影响,切眼和停采线附近地表形成塌陷坑且地表位移变化量增大。

薄基岩厚冲积层倾斜采场覆岩破断及裂隙带发育高度研究

针对新河煤矿3302工作面薄基岩厚冲积层条件下煤层开采易发生透水事故的隐患,建立"砌体梁"结构模型并分析其稳定性,利用数值模拟的方法模拟倾斜工作面覆岩导水裂隙带发育高度,最后通过现场测试进行验证。结果表明:薄基岩厚冲积层条件下的倾斜工作面基本顶在发生破断后形成的"砌体梁"结构易发生回转变形失稳和滑落失稳,采空区导水裂隙带发育高度为55.3m,裂采比为11。