Experimental study on the interrelation of multiple mechanical parameters in overburden rock caving process during coal mining in longwall panel

In order to comprehend the dynamic disaster mechanism induced by overburden rock caving during the advancement of a coal mining face, a physical simulation model is constructed basing on the geological condition of the 21221 mining face at Qianqiu coal mine in Henan Province, China. This study established, a comprehensive monitoring system to investigate the interrelations and evolutionary characteristics among multiple mechanical parameters, including mining-induced stress, displacement, temperature, and acoustic emission events during overburden rock caving. It is suggested that, despite the uniformity of the overburden rock caving interval, the main characteristic of overburden rock lies in its uneven caving strength. The mining-induced stress exhibits a reasonable interrelation with the displacement, temperature, and acoustic emission events of the rock strata. With the advancement of the coal seam, the mining-induced stress undergoes four successive stages: gentle stability, gradual accumulation, high-level mutation, and a return to stability. The variations in other mechanical parameters does not synchronize with the signifcant changes in mining-induced stress. Before the collapse of overburden rock occurs, rock strata temperature increment decreases and the acoustic emission ringing counts surges with the increase of rock strata displacement and mining-induced stress. Therefore, the collaborative characteristics of mining-induced stress, displacement, temperature, and acoustic emission ringing counts can be identifed as the precursor information or overburden rock caving. These results are in good consistent with on-site situation in the coal mine.

结构瞬变影响下采场煤岩静态力学响应的阶变规律

为了明确采场煤岩力学响应的演变规律,以宽沟煤矿W1143长壁综采工作面为工程背景,采用物理相似模拟实验和数值计算相结合的方法,在明确来压前、后覆岩空间结构瞬变特征的基础之上,建立了一种实现坚硬岩层瞬时破断的数值模拟前处理方法,研究了结构瞬变影响下采场煤岩静态力学响应的阶变规律。结果表明:覆岩空间结构是由破裂面以外、采动影响范围以内不同岩性的岩层所组成的空间岩体结构,是其影响范围内的采场煤岩产生不同力学响应的内因。来压期间,由于坚硬岩层的破断具有瞬时性,导致覆岩空间结构发生瞬变,受此影响,采场煤岩的静态力学响应发生阶变,其本质上为一动力学过程。覆岩空间结构瞬变造成采场煤岩的应力场与位移场产生阶变,阶变集中于瞬变区域附近,距离瞬变区域越远,其阶变量越小。

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。

裂隙发育过程对采动裂隙椭抛带压实区的影响研究

采空区瓦斯抽采的关键是了解工作面上覆岩层裂隙的演化过程。为了研究综采工作面覆岩采动压实区演化规律,高效进行煤矿采空区瓦斯抽采工作,以神东某矿区2207工作面为原型,通过物理相似模拟实验,利用自主研发的覆岩裂隙监测系统将图像进行直方图均衡化增强和中值滤波去噪处理,获得二值化裂隙图像后利用分形理论定量描述裂隙率,对典型周期来压覆岩垮落裂隙率进行统计分析,建立了裂隙发育程度受工作面推进时间的时空函数和采动裂隙椭抛带压实区演变修正模型。结果表明:覆岩平均裂隙率变化符合DoseResp函数关系,裂隙的发育过程包括产生、扩展蔓延、压实闭合3个阶段,裂隙在产生、闭合这2个阶段发育速率较平缓,而在扩展阶段发育速率陡增。采空区上覆岩层裂隙场形成旧裂隙区、压实区和新裂隙区3个区域,裂隙发育周期的不同导致旧裂隙区与新裂隙区在发育状态、压实程度和空间形态上有着明显差异,这些差异导致了采空区覆岩非对称性下沉现象的发生。通过分析覆岩应力恢复与覆岩内部裂隙演变关系,进一步验证了采用DoseResp时间函数曲线可以很好的表现采空区上覆岩层裂隙异速演变特征。最后建立了考虑覆岩裂隙异速演变效应的采动裂隙椭抛带压实区修正模型,并结合现场工程实践,有效提高瓦斯抽取高位钻孔布置的准确性,为工作面的安全开采提供理论指导。

多工作面连续开采地表沉陷与强矿震联动响应规律

深部矿井多工作面大空间开采导致大能量强矿震事件频发,同时地表伴随剧烈的下沉变形,掌握具体地层条件下地表移动与强矿震时空分布响应规律对于深部矿井动力灾害防控意义重大。以兖州矿区东滩煤矿63_(上)04,63_(上)05,63_(上)06工作面为工程背景,基于关键层理论与复合破断原理,对东滩煤矿复杂地层进行了科学划分,现场实测了深井厚硬岩层下多工作面开采地表沉降规律及强矿震时空分布特征,分析了多工作面连续开采下关键层组运移演化规律,揭示了关键层组破断演化、地表沉陷规律与大能量强矿震分布的联动效应。研究结果表明:(1)东滩煤矿六采区地层可以划分出4个关键层组,每个关键层组包含一层关键层和若干坚硬岩层,相比单一关键层,关键层组发生复合破断时的矿震能量更高、破断步距更大,对上覆岩层的运移及地表下沉影响也更为突出。(2)地表沉陷观测结果显示,63_(上)04,63_(上)05工作面开采结束,地表下沉系数分别为0.189,0.458;63上06工作面当前已开采808.29 m,地表下沉系数为0.492,受多关键层组地质赋存特征影响,东滩煤矿六采区地表下沉系数远小于兖州矿区其他矿井平均地表下沉系数(0.75~0.85),地表未达到充分采动,下沉趋势为:无明显下沉–下沉空间显著–下沉空间逐渐增大。(3)矿震监测结果显示,63上04工作面开采时,大能量强矿震事件主要集中在低位关键层组Ⅰ,Ⅱ层位,随着多工作面连续开采,大能量强矿震逐渐向高位转移,逐渐集中至关键层组Ⅱ,Ⅲ层位。(4)由地表沉陷及大能量强矿震实测数据可知,东滩煤矿六采区多工作面连续开采下关键层组复合破断覆岩结构呈“断悬”结构–“铰接”结构交替上升,逐层演化过程验证了覆岩运动、地表沉陷及大能量强矿震3者之间存在一定的联动效应。研究成果可对类似工程地质条件下多关键层组复合破断研究及大能量强矿震预控提供一定参考。

采空区充水活化及覆岩变形规律试验研究

为了研究充水情况下老采空区“活化”机理及覆岩运动规律,基于相似理论制作了采空区相似材料模型,通过人工注水的方式模拟采空区垮落带浸水状态,进行了煤层开采及充水条件下覆岩沉降变形观测,对采空区充水后上覆岩层变形规律、覆岩破坏形式进行研究。结果表明,煤层被开采后,自下而上会产生垮落带、断裂带和弯曲下沉带,采动破坏岩石会支撑上覆岩体,使得采空区边界存在空洞区域;煤层开采后的老采空区存在大量空洞、空隙,充水后采空区覆岩会发生“活化”,垮落带破碎岩石进一步压实,离层裂隙中间区域的压密程度高于两侧,随着充水时间延长,覆岩裂隙逐渐拓展,且采空区充水第一次观测时沉降量较大,之后岩层沉降量变化有减小趋势;采空区充水后垮落带上方岩层沉降量最大,覆岩越靠近地表,采空区充水对覆岩影响程度越小。

葫芦素煤矿上覆岩体运移规律及“上三带”发育高度

为研究大采宽条件上覆岩体运移与离层空间发育规律及“上三带”的关系,以内蒙葫芦素煤矿21406工作面与21101工作面为研究对象。采用多种方法如理论预测、建立模型进行数值模拟、钻探取芯观测岩性与裂隙发育、注水测量漏失量与窥视等方法研究了回采面开采后上覆岩层移动与变形规律与“上三带”发育关系。21406工作面位移呈“中间大、两边小”的分布态势,其运动速度先增加后减小,并在推过钻孔138 m处取得极大值;工作面推过138~178 m的范围内,为离层演化和发育的核心区间,并在322 m开始减弱并发生闭合;离层空间分布在距离煤层约260 m向上区域。21101工作面随着推进距离的增加,裂隙发育范围由“拱形”逐步演化为“马鞍形”,其发育的高度在推进80 m时达到61.6 m的最大值;注水实测导水裂隙带高度为65.39 m,裂采比为22.54倍。离层空间含水层发育在煤层上方260 m以上,远离导水裂隙带范围。本文研究结果为离层注浆与顶板疏放水提供了较为扎实的设计依据。

厚煤层双巷布置切顶卸压作用机制

【目的】探究厚煤层双巷布置切顶卸压顶板运移规律及围岩支承压力分布机制。【方法】以古城N1302工作面胶带顺槽与回风顺槽为工程背景,对胶带顺槽单巷切顶实现双巷有效卸压,采用理论分析、现场试验与数值模拟相结合的方式,研究切顶卸压对于双巷布置的作用机制。【结果】结果表明:理论计算发现切顶后内应力场范围明显增大,能够有效减小胶带顺槽受力;现场试验发现相较于未切顶时,切顶高度为20 m时切巷围岩变形明显下降,但高位关键层提前回转造成回风顺槽在服务期间底鼓量增大。数值模拟发现在巷间煤柱宽度一定时,未切断上部关键层时提高切顶高度对煤帮垂直应力影响不大,当切断高位关键层时,回风顺槽煤帮垂直应力明显下降;在切顶高度一定时,改变巷间煤柱宽度可控制回风顺槽受力情况。

西部高强度开采矿区覆岩破坏发育高度分析

导水裂缝带是煤层顶板水害的主要通道,准确预测计算其发育高度是保障矿山安全生产的重要任务。在实测资料的基础上,通过采用理论分析和相似模拟等方法,揭示了西部高强度开采矿区采动覆岩的破坏类型、破坏关系及导水裂缝带的发育特征。结果表明:在薄基岩厚煤层高强度开采条件下,覆岩破坏类型为严重损坏类型。在采动覆岩中只存在“两带”形式,在采空区上方不存在岩层破坏后的具有一定隔水性的弯曲带,导水裂缝带直通地表,地表严重受损。覆岩以组合关键层的形式发生运移。在采动过程中组合关键层以滑落失稳的方式在岩层两端产生切落式破断,导致上覆基岩和松散层切落破断,地表产生台阶状裂缝。地表实测台阶状裂缝沿工作面推进方向的间距与井下周期来压步距相一致。综合考虑覆岩破坏的开采厚度与基岩厚度等关键性因素,提出了高强度开采导水裂缝带发育高度预测计算公式,其可靠性得到了现场实测与相似材料模拟结果的验证,研究结果对于神东矿区煤矿安全开采具有一定的指导意义。

采动覆岩裂隙发育及周期性瓦斯涌出规律研究

为获得采场覆岩裂隙发育与瓦斯涌出变化之间关系,基于淮南矿区某矿220112工作面瓦斯地质概况,综合数值模拟、理论分析及工程实践等方法,对采场应力分布、覆岩裂隙发育及瓦斯涌出周期规律进行了研究。结果表明,工作面覆岩裂隙带发育区位于顶板上方17.2~40 m内,布置在该范围的顶板大直径定向钻孔抽采效果较好,验证了理论计算及模拟结果的准确性;瓦斯涌出呈现周期性变化,2~3次顶板周期来压后工作面出现一次较大的瓦斯涌出现象,是正常回采期间瓦斯涌出量的1.5倍左右;根据工作面瓦斯涌出周期性规律,补充实施顶板走向抽采钻孔后,工作面回采期间瓦斯涌出总体平稳。

矿井采动覆岩裂隙自修复的影响因素分析

矿井煤层采动引起的覆岩破坏产生的裂隙在一定条件下存在“自我修复”现象。为了了解覆岩裂隙自修复机理中各影响因素的相互作用,基于矿井生产相关试验数据和理论研究对覆岩裂隙自修复的影响因素进行了系统分析,发现其影响因素主要包括覆岩自身的岩性及矿物成分、埋深、水文条件、开采参数、裂隙产生后的修复时间及温度等。对不同影响因素对覆岩裂隙的自修复作用进行了对比分析,初步建立了其影响因素层次评价指标体系,以期对未来采动岩体裂隙自修复的其他试验研究提供积极帮助。

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。

坚硬覆岩预裂弱化改性效应及导水裂缝带控制机理

针对深部煤层开采坚硬覆岩条件下导水裂缝带控制问题,充分借鉴坚硬顶板预裂弱化技术,提出预裂弱化坚硬主控覆岩控制导水裂缝带高度的新方法。综合采用实验室试验、理论分析、数值模拟等方法,研究了坚硬主控覆岩预裂弱化改性效应,详细阐述了不同弱化层位对导水裂缝带的控制机理,并进行了实测验证。研究结果表明:预制裂缝可以使坚硬岩石往强度低的方向进行转变,并将完整岩样的劈裂破坏特征转变为以预制裂缝为主控的张拉剪切破坏,坚硬岩石的破坏程度由剧烈趋于缓和;揭示了预制裂缝对坚硬岩体的弱化改性效应,计算得到应力与裂缝耦合的损伤变量,定性的分析了弱化程度与岩性转变的关系,改性后岩体能量存储能力降低,耗散能力增强;数值模拟了不同弱化层位对导水裂缝带的控制效果,综合对比覆岩破坏形态、裂隙数量及破坏高度动态演化规律,发现“马鞍形”破坏形态随着弱化层位的升高而逐渐减弱,覆岩裂隙数量演化基本呈现“缓增−突增”的演化趋势,未弱化以及中、高位弱化覆岩破坏高度动态演化近似呈现“S”形,而中位弱化呈“半抛形”,综合分析得出低位弱化对导水裂缝带的控制效果最好;在分析高、中、低位坚硬岩层破坏特征的基础上,揭示了不同预裂弱化层位控制导水裂缝带发育机理;钻孔实测孟村矿顶板压裂条件下的“两带”发育高度,对比发现预裂弱化条件下裂采比降低,初步验证了顶板预裂弱化对导水裂缝带发育的抑制性。研究成果将为深部矿区耦合灾害防控、水资源及生态保护等领域提供理论和科学依据。

强冲击地压矿井煤层顶板覆岩结构研究——以孟村煤矿为例

矿井工作面上覆坚硬厚层顶板对冲击地压的产生具有重要影响,顶板坚硬厚层砂岩通常因沉积相的变化在横向和纵向上呈现出厚度、顶底板起伏和岩石力学性质等方面的变化。陕西彬长矿区孟村煤矿地质条件复杂,主采煤层顶板发育多层厚砂岩,矿井长期受冲击地压灾害威胁。为准确掌握工作面顶板坚硬厚层砂体层位及展布状态等信息,对其进行压裂弱化,保障矿井安全高效开采,基于孟村煤矿工程地质条件,通过井下工作面巷道顶板钻孔取心编录和钻孔电视测井方法,进行工作面顶板覆岩结构探查,对顶板主要砂体采样,进行岩石学、沉积相和岩石物理力学性质等特征分析,得到如下主要成果:①孟村煤矿401103工作面顶板100m内可对比划分出5层连续的砂体,工作面沉积微相变化导致各砂体厚度和顶底板标高不稳定;②401103工作面顶板延安组二段、直罗组、安定组底部均为河流相沉积,河流微相中的天然堤相细粒砂岩和粉砂岩的岩石力学强度相对最大,随着岩石粒径的逐渐增大,边滩相和河床滞留相中、粗粒砂岩的强度相对降低。不同沉积环境同一粒级砂岩的岩石力学强度因石英含量增高、硅质胶结物含量增高、颗粒支撑结构等因素而增大;③井田现今构造应力和顶板坚硬厚层砂岩等是矿井冲击地压灾害的主要诱因,对上覆高位坚硬厚层砂体进行区域水力致裂弱化,可显著降低矿井冲击地压风险。

煤矿覆岩主控致灾层位危险识别及现场应用

针对煤矿地面水力压裂技术施工中工作面覆岩主控致灾层位难以准确辨识的难题,以孟村煤矿401102工作面地面水力压裂工业试验为背景,采用理论分析、微震监测、现场调研等方法,揭示了煤矿厚硬覆岩运动诱发矿震和冲击地压的动力灾害机理,分析了基于载荷三带理论的厚硬覆岩分区运动特征与诱发动力灾害之间的关系,建立了基于关键层运动状态的矿震能量预测模型与采场等效附加应力估算模型,提出了基于K-means聚类算法和肘部法则的煤矿覆岩主控致灾层位识别技术方法,确定了现场压裂施工层位并进行工业试验,根据现场微震监测数据及理论分析结果进行了效果验证,得到结论如下:孟村煤矿401102工作面致冲关键层及矿震关键层均为距离煤层66 m的安定组关键层R9,其初次破断运动采场等效附加扰动应力理论值为7.23 MPa,初次破断运动释放矿震能量理论值为6.08×105 J,致灾危险性较强;震−冲关键层压裂后,矿震能量理论值降幅94%,采场等效附加扰动应力理论值降幅76%,工作面上方5×10^(3)J大能量微震事件出现明显上移趋势,上移量约为15 m;10^(3)J及以上能级微震事件频次占比显著下降,由60.39%降至17.89%,最大微震事件能量由6.65×10^(5)J降至9.75×10^(3)J;10^(2)J及以下能级微震事件频次占比显著上升,由39.61%增至82.11%。

矿区大采高综采覆岩“两带”发育特征研究

本文针对店坪煤矿9-204工作面开展了覆岩“两带”探测研究。采用电阻率动态监测法、双端封堵分段注水观测法和覆岩破坏电阻率动态监测法对9-204工作面顶板冒落带和导水裂隙带发育情况进行了综合探测,分析了三种方法的探测结果。基于概率积分法,讨论了大采高开采条件下地表沉陷特征与“两带”发育高度的关系。结合9-201工作面地质条件,设计了地表岩移观测站布设方案。本文研究结果可为矿区后续采高提升后采动预测与地表保护提供借鉴。

重复采动覆岩导水裂隙发育规律及注浆加固数值模拟

为了研究多煤层重复采动下覆岩破坏高度的发育规律,以新安煤矿阻水勘察为工程背景,理论分析了重复采动覆岩裂隙发育机理及裂隙带高度的计算方法,采用3DEC模拟软件,研究了重复采动覆岩的破坏特征,对隔水层进行注浆加固,模拟了加固前后覆岩运动差异。结果表明:数值模拟结果显示,10^(#)煤工作面顶板竖向位移最大沉降量达到4.3 m,裂隙高度最大发育至63 m,通过岩层拉伸率计算导高为60.7 m,两者计算结果基本一致;对采区上方隔水层注浆加固后,导水裂隙带发育高度有所降低。该研究可为新安矿区水害防治提供一定的参考。

采煤过断层期间围岩变形破坏数值模拟研究

为有效控制煤体掉落风险,降低采煤过断层期间的不良影响,通过理论分析结合数值模拟对工作面过断层围岩破坏情况进行分析,发现随着工作面的推进,工作面与断层之间的距离逐渐减小,断层对顶板岩层的影响逐渐增大。在底面通过顶板之前,无论是前方煤壁的应力减小区还是增大区都在持续向前推进,而应力集中区的范围呈现出先增大后减小的趋势,为后续过断层围岩支护提供一定的参考。

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。

强采覆岩破损及渗透性演化规律研究

神东矿区属于生态脆弱区,矿井工作面强采扰动将会导致覆岩破损及渗透性演化增加,从而致使矿区生态坏境遭到严重破坏。为此,本文以李家壕煤矿为研究背景,构建了“采动裂隙环形体”三维模型及其边界判别方法,通过数值模拟手段,分析了强采扰动作用下上覆岩层破损变化特性,研究了强采上覆岩层裂隙分布规律与渗透性演化规律。结果表明,采空区上覆岩层单轴抗压强度随加载速率的增加呈增加趋势,且具有明显的脆性破坏行为;模拟中发现工作面两端可划分为剪切破坏区,而采空区上覆岩层则为拉伸破坏区域;在采动应力影响下,上覆岩层结构、工作面推进速度及工作面推进长度是影响其裂隙发育的重要因素,随着采空区上覆岩层弹性模量机械增大,其渗流速度呈现线性增加趋势,同时孔隙水压也随之降低。研究结果对我国煤矿安全高效开采及矿区生态环境保护具有重要意义。