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。

采动岩体分形裂隙网络研究

采动岩体裂隙网络发展规律和定量描述是当今矿山开采沉陷学科中基本的也是极其重要的难题之一。借助相似材料模型实验，模拟了采动岩体的裂隙分布状态，应用分形几何理论研究采动岩体裂隙分布的自相似规律，继而研究分形裂隙网络随着采宽增加的演化规律。研究结果表明：采动岩体裂隙分布具有分形特征，用分形维数可以综合描述采动岩体裂隙化程度；随着采宽的增加。

深部开采上覆岩层采动裂隙网络演化的分形特征研究

借助相似模拟材料模型试验,模拟了在深部开采条件下上覆岩层采动岩体裂隙分布状态,运用分形几何理论研究了采动岩体裂隙网络分形维数随开采宽度、采场矿山压力、岩层沉降的动态演化规律,并分析了断层对采动岩体裂隙网络分布演化的影响以及采动岩体裂隙网络在三带的分布特征。结果表明:随开采宽度增加,采动岩体裂隙网络分形维数呈现总体增大趋势,在断层影响下表现出降维特点;分形维数与超前工作面压力和岩层沉降均具有非线性关系;三带采动岩体裂隙网络均具自相似性,冒落带、裂隙带、弯曲带分形维数比为1.0823:1.1394:1。

厚硬岩层下孤岛工作面开采“T”型覆岩结构与动压演化特征

为研究厚硬岩层下孤岛工作面开采对强矿震或冲击矿压的影响,理论分析鲍店矿103上05孤岛工作面厚硬覆岩空间结构及其破断运动对矿震活动的影响,并对孤岛面开采的冲击矿压危险性进行了动态评价。研究表明:103上05工作面在竖向剖面上为一非对称"T"型孤岛覆岩结构,其长臂侧易出现关键层大尺度破断运动,诱发强矿震与冲击矿压的危险性较高;在水平层面上亚关键层破断形成"O"型断裂结构,巨厚主关键层则以大尺度"OX"模式分层破断。各级关键层的逐级破断与运动是矿震活动的主要动力源。根据微震实测,矿震活动多集中在"T"型结构长臂侧,尤其是能量大于105J的强矿震主要出现在103上06采空区与103上05工作面巨厚主关键层中,并表现出很高的S,P波能量比。通过波速梯度异常区的动态反演,对"T"型孤岛面覆岩运动的动压危险性进行评价,效果良好。同时,分别进行煤层静载预卸压与低位顶板走向步距式超前预裂,降低了强矿震活动对煤体的冲击扰动效应。

深厚覆盖层上堆石坝采用倒悬挂式防渗墙的渗流场特性研究

在深厚覆盖层基础上建筑堆石坝,由于现有施工技术条件的限制,往往使防渗墙不能完全封闭覆盖层,从而采用倒悬挂式防渗墙。通过对具有这类特点的堆石坝进行渗流场分析,得到相应的防渗结论和认识。这些结论和认识对于类似工程具有一定的指导意义。

黄河北煤田薄煤层采场上覆岩层纵向分带发育规律

针对黄河北煤田赵官煤矿大水高瓦斯厚冲积层薄基岩复杂开采条件,本文通过理论分析、数值模拟方法对赵官煤矿综采工作面采场上覆岩层纵向分带发育规律和其结构形态进行了研究,得到了采场上覆岩层纵向运动破坏规律及其结构形态,即在采动应力作用下,采场上覆岩层开始呈现较平的“枕型”结构形态,随着采场支承压力不断增加,采动破坏岩层逐渐演化为“拱型”结构形态,当工作面推采距离达到工作面长度时,采场上覆破坏岩层在工作面纵向上扩展到最高处,此后随着工作面的不断推进,断裂拱高保持不变,而拱脚不断向前方扩展,呈现出“平顶拱型”结构形态;同时通过理论计算和现场实测对比分析,得到了采场上覆岩层冒落带、裂隙带分布范围,即冒落带高度为2.4 m,裂隙带为19.1 m,裂采比为15.3,为矿井采场顶板控制、支架选型和瓦斯抽采参数确定提供了科学依据,对实现薄煤层综采安全高产高效的具有意义。

巨厚松散层薄基岩工作面覆岩载荷传递特征研究

基于华北部分矿区巨厚松散层、薄基岩工作面突水溃砂和压架事故的特点,为对赵固矿区覆岩采动破坏的"两带"高度预计、水害预测预报及支架选型的确定提供依据,运用关键层理论建立了硬岩复合破断上覆岩层载荷传递力学模型,推导出复合硬岩及上覆岩层载荷传递系数;根据研究区地质特征建立了地质力学模型,通过数值分析研究了薄基岩工作面开采覆岩的载荷传递效应和覆岩破坏特征。研究结果表明,厚松散层薄基岩工作面硬岩复合破断时上部硬岩与上覆岩层载荷传递系数为0.24~0.30;煤层覆岩采动破坏后水平切面上呈"O—X"型破断;工作面覆岩破坏的垮采比为3.85,裂采比为12;岩层移动角约为70°;工作面两端采动裂隙成为突水溃砂的主要通道。

钻孔测井技术探测覆岩结构及其关键层判识

关键层对采场覆岩运动起主要控制作用,其破断对工作面矿压显现有较大影响。为了探测工作面顶板覆岩结构并判别覆岩运动中的关键层,基于随钻测振数据与岩石强度耦合关系,在山寨煤矿井下有代表性位置采用钻孔取芯、钻孔窥视、随钻测振3者相结合的方法,通过钻孔窥视和岩样力学试验,得到岩石岩性及其强度的精准探测结果,并对钻杆的振动能量与岩石强度进行拟合分析,建立了相关岩体结构识别模型,最终对覆岩中的关键层进行判别。结果表明:岩石静、动弹性模量以及抗压强度3种力学参数都分别与测振能量呈正相关关系,由此可应用KSPB软件对煤层顶板覆岩进行关键层精准判别。

采动覆岩全场变形演化过程分布式光纤监测研究

以龙王沟煤矿61601综放工作面为背景,采用分布式光纤传感技术,研究了覆岩变形分布式光纤监测方法,分析了光纤应变曲线变化与采场覆岩变形、破坏、移动过程的对应关系,探讨了采场覆岩导水裂隙带高度和岩层破断角动态发育过程及机理。研究结果表明:光纤应变曲线的变化揭示了各回采阶段上覆岩层的变形过程,曲线的形态主要与光纤和工作面的相对位置以及关键层破断过程有关;垂直光纤应变曲线呈台阶状,凸台位于“三带”交界处,其位置变化代表垮落带和裂隙带高度发育过程;水平光纤应变曲线在模型两侧破断线位置呈双峰状,间距不断变化,表明岩层破断角在采动过程中是动态变化的;通过光纤应变曲线获得导水裂隙带和岩层破断角的动态发育过程,导水裂隙带最终发育至地表,开切眼侧和工作面侧岩层破断角分别为67.6°和65.8°。试验结果可为类似条件下采场覆岩变形移动规律的研究提供参考。

近距离煤层覆岩移动相似材料模拟

为了研究近距离煤层覆岩移动和离层发育规律,通过相似材料模拟试验,模拟了近距离煤层下行开采时覆岩移动过程;应用数字图像相关法对位移测点进行测量,获得了测点位移数据;应用聚类分析对测点进行分类,得出受采动影响的三带的具体范围。分析了测点的位移过程,得出测点位移特点具有连续性和突变性;采动影响范围的扩展特点为横向扩展、纵向延伸;下煤层开采时岩层最大位移点滞后工作面的距离缩短;上煤层开采时的离层量转化为下煤层开采时的垮落量。分析了离层扩展,得出离层扩展方向为横向扩展、纵向延伸,经历了发育—扩张—突变—闭合的过程;发现行、列测线离层率曲线均呈双驼峰状。对行测线,分析了离层率曲线成因和峰值点大小关系、位置变化,得出上部岩层相对下部岩层峰值点内错,峰值点位于断裂线附近,波谷位于采空区中部;对于列测线离层率曲线,得出峰值点为离层位置,峰值点左侧为离层闭合区,右侧为离层发育区,峰值点右侧波谷为关键层位置,峰值点随煤层开采不连续右移,具有跳跃性。给出了来压时刻的判别方法,发现采动影响区测点位移曲线上存在外包络线;给出关键层的识别方法,得出下煤层开采时关键层位置上移。

覆盖层岩块容重对岩石混入的影响

针对无底柱分段崩落法端部放矿损失贫化大的问题,以理论力学为基础,分析岩块容重、合力大小、岩石混入三者之间的关系。同时以生产矿山采场参数为依据,设计制作实验模型,选取一定粒度和容重的岩石和矿石材料,对覆盖层岩块容重对岩石混入的影响进行了实验研究。研究表明:覆盖层岩块容重的大小对岩石混入率的影响较为明显。在其他条件一定的情况下,岩石混入率随着覆盖层岩块容重的增大而增加,随容重的减小而减少。生产矿山在形成覆盖层时,要考虑岩块容重对放矿的影响。如果覆盖层岩块容重较大,废石漏斗很快形成,废石过早混入,会使顶部矿石不能有效放出。在条件允许范围内,选用容重较小的岩石作为覆盖层,为矿山科学合理形成覆盖层提出了一条新的依据,对降低矿山矿石的损失贫化,提高经济效益具有指导意义。

充填弱化坚硬覆岩冲击地压灾害机制研究

坚硬覆岩作为诱发冲击地压的主要因素之一,已经严重威胁煤矿安全高效开采。通过分析坚硬覆岩条件下冲击地压灾害的灾变过程及诱冲关键层能量的关键控制因素,给出诱冲关键层的判定方法,提出利用采空区充填和离层注浆充填弱化诱冲关键层致灾能量的思路,以2个典型煤矿坚硬覆岩下工作面采矿地质条件为背景,研究不同充填条件下诱冲关键层变形规律及致灾能量演化规律,揭示充填弱化坚硬覆岩致灾能量作用机制并给出相应的工程设计方法,最后通过现场实测分析进行验证。研究结果表明,坚硬覆岩形成的诱冲关键层变形产生的能量积聚、释放和传递是诱发冲击地压灾害的关键,采空区充填和离层注浆充填能够有效控制诱冲关键层变形,降低致灾能量的积聚程度和释放速度,同时,充填体可吸收部分能量并降低致灾能量的传递效率,进而实现弱化坚硬覆岩诱发冲击地压灾害危险性的目的。

基于FLAC^(3D)的采动岩体等效连续介质流固耦合模型及应用

基于采动岩体渗流规律研究的重要性,利用立方定律推导了以应变为参数的采动岩体等效渗透系数,建立了基于FLAC3D的采动岩体等效连续介质流固耦合数学模型,利用FISH语言实现了的等效连续介质数学模型的计算.研究结果表明,煤层开采初始阶段岩体渗透性增加区域在底板呈"W"形分布,在顶板岩体渗透性增加区域呈"M"形分布;当含水层渗透性增加区与下方顶板渗透性增加区相交时,形成导水裂隙;伴随着煤层开挖,含水层内孔隙压力发生周期性变化,当透水事故发生时达最大值并迅速降低;以应变为系数参数的等效渗透能够较好地描述采动岩体的渗流规律.

关键层位置对卸压开采效应的影响

为了研究关键层层位对卸压开采效应的影响,利用UDEC二维软件模拟关键层位于不同层位时,下保护层开采过程中覆岩裂隙动态演化、应力分布以及被保护层膨胀变行规律。结果表明:当关键层位于保护层与被保护层之间时,被保护层位于弯曲带内,被保护层裂隙较少;关键层位于被保护层上方时覆岩破断裂隙发展到被保护层,利于微裂隙的发展,为瓦斯抽采提供有利条件;关键层层位不同其破断对被保护层的卸压影响是相反的;关键层层位对被保护层膨胀变形影响较大,且受关键层破断的影响;关键层的位置不同被保护层的卸压有明显的时空效应。