特厚煤层覆岩关键层判定及运移规律相似模拟研究

为摸清宽沟煤矿W1123工作面在实体煤及采空区下开采的覆岩运移规律,搭建综放面走向方向物理相似模拟实验模型,利用全站仪和百分表对模型回采过程中工作面覆岩运移以及下沉值进行定期全方位监测,探讨关键层及特厚煤层对覆岩垮落的影响,分析覆岩运移规律。结果表明:层厚为15.9 m的粗粒砂岩为主关键层;W1145工作面回采至104 m时,工作面覆岩老顶垮落,形成由主关键层组成的拱形稳定结构,回采至192 m时,回采特厚煤层产生较强矿压汇集至主关键层,其控制的覆岩结构发生失稳,产生较大面积垮落,矿压显现强烈,回采结束时,最大下沉值达1.4 m;W1123工作面回采至396 m时,距工作面前方10 m处岩层出现裂隙并突然垮落,两工作面发生贯通,最大下沉值达2.6 m,回采结束时,最大下沉值达1.38 m。为采空区岩层的稳定性研究提供科学依据。

蹬空开采条件下雨汪煤矿的110工法相似模拟研究

以雨汪煤矿1010201工作面为研究背景,开展蹬空开采110工法相似模拟试验研究,利用应变监测系统和MatchID散斑非接触测量系统,从应力场和位移场2个方向监测不同阶段上覆岩体和巷道围岩的变形特征,探究上覆岩体裂隙带运动规律。研究结果表明,推进40 cm时,非切缝侧直接顶出现部分垮落;推进80 cm时,直接顶完全垮落;推进100 cm时,基本顶大面积垮落,工作面被完全填充,上覆岩体变形趋于稳定。垂直位移监测云图表明,顶板最大垂直位移为34 mm,底板最大垂直位移为16 mm。说明切顶卸压技术和NPR锚索支护补偿力学理论对超载条件下的蹬空开采仍然具有良好的适用性,通过垮落岩体的碎胀效应对工作面充填支撑,使得基本顶范围内岩体和巷道围岩变形得到了良好的控制,一定程度地减小了地表沉降,并且沿空留巷效果显著,为实际工程施工提供了科学依据和理论指导。

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。

煤与油气协调开采物理相似模拟研究

针对煤与油气协调开采中,煤层开发扰动油气圈闭层稳定性及油气井筒的问题,利用二维模拟试验开展了煤与油气开采地层响应规律研究;采用“先油气后煤炭”的开采工序,得到了煤与油气各覆岩层的应力演化、破断变形特征及油气井筒变形破坏规律。研究结果表明:若油气层高强度抽采至采收完毕,模型整体结构未出现明显扰动,仅层间岩层局部存在应力集中现象,而此时对煤层进行开采会对下方200 m处油气层产生一定扰动;采动初期,油气层采收边界上方应力不断上升,煤层底板存在应力传递现象,煤层顶板无明显应力变化,初次扰动范围为100 m,二次扰动范围为75 m;当进入充分采动阶段,油气层采收边界上方应力集中沿水平向右侧偏移,煤层底板相继经历应力集中-卸压的过程,层间岩层结构趋于稳定,岩层运移程度逐渐向煤层顶部附近岩层转移,说明煤层采动作用在叠置资源协调开采过程中对整体岩层稳定性影响程度较大,应着重关注煤层开采对煤与油气协调开采中的影响;覆岩内井筒主要破坏模式为剪切变形破坏,位于工作面中心处的井筒下侧则发生拉伸-剪切变形破坏,应着重关注工作面中心处的井筒防护。

平面应力型相似模拟平台的设计与教学应用

平面应力模型是三维工程问题简化为二维力学模型的重要方法之一,也是本科生力学课程的重要知识点。文章基于平面应力模型的知识点论述,结合河南理工大学平面应力型相似模拟平台的建设,介绍了平面应力型相似模拟平台在解决实际采矿工程问题中的应用,并以本科生相似模拟实验教学为案例,介绍了平面应力型相似模拟平台的教学过程。通过实验教学,提高了学生运用基础力学模型解决实际工程问题的能力,对加深学生对专业知识点的理解、培养其创新能力具有积极意义。

浅埋风氧化巷道变形失稳相似模拟研究

为掌握风氧化作用下巷道变形特征和失稳机理,根据工程实测和室内岩石力学实验,确定围岩风氧化程度评价指标体系。通过相似模拟实验确定了不同风氧化程度巷道围岩相似模拟配比;自研相似模拟实验平台,采用数字散斑、声发射测试等手段,分析不同风氧化实验条件下巷道变形特征、宏细观破坏情况。通过实验模拟分析,得出不同类型风氧化顶板变形演化过程及宏观破坏特征。实验结果可为风氧化复杂条件下巷道稳定性研究提供理论和实验基础。

气体循环钻井室内相似模拟方法研究

气体循环钻井是一种新的工艺方式,与常规气体钻井存在不同之处。当气体钻井转变为气体循环钻井时,井内的压力、流速会发生变化,进而对携岩产生影响。因此,针对气体循环钻井的室内相似模拟的研究具有重要的工程意义。在相似理论的基础上,以管流内压力的变化规律为研究对象,对气体循环钻井室内模拟方法进行了研究。研究的3种模拟方法分别为动力相似模拟、雷诺数相似模拟、欧拉数相似模拟。其中,动力相似模拟适用于对关键点的模拟,雷诺数相似模拟适用于对整体过程的模拟,欧拉数相似模拟适用于对部分井段的模拟。通过不同模拟条件下的模拟数据对比,验证了3种模拟方法的可行性,为气体循环钻井室内相似模拟奠定了理论基础。

高深溜井冲击产尘相似模拟试验研究

根据高深溜井的生产工艺特征,分析了冲击产尘规律,基于相似定律,建立了溜井卸矿相似试验模型及除尘测试系统,在实验室开展了溜井卸矿模拟试验,测试了不同治理除尘措施条件下的降尘效率,得出了抽尘卸压组合除尘技术,试验结果应用到现场后,总粉尘浓度由600.8 mg/m^(3)降至5 mg/m^(3),降尘效率达99.1%,呼吸性粉尘浓度从166.7 mg/m^(3)降至3 mg/m^(3),降尘效率达98.2%,降尘效果较好,有效地解决了高深溜井冲击产尘。

煤矿开采二维物理相似模拟试验平台

提出了一种煤矿开采二维物理相似模拟试验平台。该平台具有可模拟煤矿开采1000 m埋深以内的地应力、可调角度、可做垂向及两侧地应力模拟加载、可模拟煤层开采等功能,并经有限元分析验证了其强度和刚度。该平台可以为煤矿开采的安全和高效提供重要的技术支撑。

沟谷区浅埋煤层群开采覆岩裂隙演化规律相似模拟研究

浅埋煤层群开采时,上覆岩层常出现采动裂隙,影响工作面安全生产。因此,探寻浅埋煤层群开采覆岩裂隙演化规律具有重要意义。本文利用物理相似模拟实验等方法,得到沟谷区浅埋煤层群开采覆岩裂隙演化规律。研究表明:沟壑区浅埋煤层下坡段开采区域覆岩采动裂隙数量少于上坡段开采区域,但下坡段开采时产生的裂隙宽度较大。沟壑区浅埋厚煤层开采覆岩裂隙发育和分布特征与覆岩活动具有高度联动性,重复采动条件下,覆岩采动裂隙发生活化发展,裂隙发育数量及发育尺度明显增大。

动载作用下诱发冲击地压的物理相似模拟试验研究

为研究厚煤层高强度开采中动载作用下覆岩能量释放规律,基于现场微震数据,借助物理相似模拟试验来分析动载对覆岩的破断规律影响。研究发现,动载作用初期,微震能量信号主要集中在亚关键层,且微震信号表现出明显的积聚现象,破坏尚未显现,微震信号相对较弱,但随着动载作用的持续,积聚逐渐增大,微震信号变得愈加明显,暗示着覆岩破坏过程的开始。随着动载作用次数的增加,微震信号的积聚模式发生了变化,能量不仅在亚关键层累积,还开始扩展至主关键层下方,并呈现出“马鞍形”的分布特征,表明动载作用加速了覆岩的破坏过程,尤其是主关键层的破坏开始提前发生,且破坏幅度和强度逐渐增大。进一步分析表明,多次动载作用显著加剧了覆岩的破坏,动载的周期性和累积效应促使覆岩能量在短时间内释放,从而导致更加严重的破坏。研究结果不仅有助于预测煤矿开采过程中的覆岩破坏,还为提高煤矿安全开采和稳定性提供了理论依据和技术支持。

复合煤层开采相似模拟实验研究

复合煤层开采的强烈扰动影响将导致覆岩裂隙带的发育趋于复杂,根据新景煤矿的地质条件建立相似模拟实验模型,对开挖过程中的导水裂隙带与离层空间的发育过程进行研究,并结合声发射技术对覆岩变形特性进行分析。结果表明:8号煤回采结束,覆岩下沉呈现“梯形”分布,内部发育倒“V”形分布的非对称性离层破断。声发射定位被圈在呈“梯形”范围之内,倒“V”形区域内的覆岩声发射振铃数较多,声发射定位沿着“梯形”的右腰线和上顶边继续扩展。9号煤回采结束后,覆岩下沉呈现“M”形,垮落形态相较于上层煤外错。声发射定位主要集中在破断线位置处。达到充分采动之后,模型顶部下沉盆地进行前移,产生较多的声发射事件。

尾矿坝溃坝相似模拟试验研究

采用自行研制开发的尾矿坝溃决破坏模拟试验装置,以云南玉溪矿业有限公司所属的一尾矿库设计资料为依据,对不同高度尾矿坝瞬间全溃后泥浆流态演进规律及动力特性进行模拟试验研究,探讨泥浆在下游区域流动过程中的冲击力强度、淹没范围以及演进规律。试验结果表明:(1)尾矿坝溃坝特性同普通水坝溃坝及典型泥石流运动特性有着本质性区别。(2)溃坝高度对下游泥浆淹没高程有明显影响。泥浆在下游的最大淹没高程总体上随着冲击距离的增大呈递减趋势。(3)泥浆在运动过程中遇到弯形沟道时,因离心力的作用在凹岸出现侧向爬高现象。(4)在泥浆流动过程中,各过流断面处冲击力过程曲线前端较陡直,后端较平滑,最大值出现在泥深峰值到来之前。(5)随着尾矿坝高度的增加,溃决泥浆在下游的最大淹没高程和冲击力强度都呈递增趋势,泥浆到达同一建筑物处的时间缩短,从而加重了溃坝对下游的灾情。研究成果为尾矿坝溃坝泥浆演进规律及动力作用的深入认识以及溃坝灾害的预防和控制提供了参考。

采空场覆岩变形数值模拟与相似模拟比较研究

用有限元数值计算尝试了离层模拟,并分别采用数值模拟与相似模拟的方法研究了木架山矿区143剖面倾斜采空场处理时的地表移动与覆岩破坏规律。研究发现,随着矿柱的崩落,覆岩跨度不断增加,引起的地表移动范围也不断增大,地表垂直沉降范围大致为跨度的1.5～1.7倍,垂直沉降曲线始终对称于最大沉降点;水平移动的范围大于垂直沉降的范围,最大水平移动量大约为最大沉降量的40%,且水平移动不对称。另外,当覆岩发生整体下沉时离层主要存在于跨度两端,离层由层理剪切破坏引起。

白家庄煤矿垮落法残采区上行开采相似模拟实验研究

针对白家庄煤矿垮落法残采区上覆煤层开采问题,通过室内相似模拟实验研究发现,受两次采动影响,上行开采层间岩层出现了裂隙产生、扩展甚至贯通的过程,导致其层间岩层发生了结构性变化。掌握了垮落法残采区上行开采层间岩层的应力传递规律,再现了垮落法残采区上行开采层间岩层受两层煤开采共同影响作用下的移动变形全过程和岩层结构演化过程,揭示了垮落法残采区上行开采层间岩层存在块体梁-半拱结构控制层的结构机理与其力学特性。

承压水上开采工作面底板破坏规律相似模拟试验

随着我国煤炭开采深度的增大,承压水上开采工作面底板破断、突水灾害正呈逐年递增的趋势。以峰峰矿区九龙矿深部承压水上开采工作面底板为研究对象,通过现场底板取芯、编录和室内试验,获得承压水上工作面底板含水层分布特征及底板岩层的力学参数,确保试验中现场参数的可靠性。采用自行设计的工作面底板水压模拟装置,进行承压水上工作面回采过程中顶、底板破断失稳特征的相似模拟试验,得到底板工作面回采过程中顶、底板应力变化规律。运用非接触的光学测量技术对全场位移值进行观测,得出底板位移场变化规律。通过"下三带"理论,计算九龙矿深部工作面底板岩层的最大破坏深度、承压水导升高度和有效隔水层厚度。模拟试验结果表明:九龙矿深部承压水上工作面开采底板存在明显的"三带"特征,采用新型的承压水模拟装置可以模拟承压水在采动作用下的卸压过程。

倾斜岩层平巷围岩破坏特征的相似模拟试验研究

深部开采条件下,煤矿巷道的有效支护是保证矿井安全高效生产的重要因素。运用相似材料模拟试验和现场工业性试验,研究鹤壁煤电股份有限公司八矿深部倾斜岩层水平巷道围岩破坏特征,分析随加载压力的增大和不同支护方式下巷道围岩位移变化规律、巷道围岩裂隙演化特征及分布特征等,得出适合该地质条件下较为有效的支护方案。研究结果能更直观了解巷道围岩表面及其内部裂隙发生、发展的过程及其联系,为巷道支护参数的合理选取提供依据。该研究方法和一些结论可为同类的研究提供一定的借鉴。

边坡和采场围岩变形破裂响应特征的相似模拟试验研究

以云南磷化集团晋宁磷矿6#坑口东采区深部缓倾斜中厚磷矿层为研究对象,依据相似模拟原则,利用重庆大学资环学院矿山压力平面应力相似模拟试验台,进行晋宁磷矿6#坑口东采区深部缓倾斜中厚磷矿露天转地下开采的相似模拟模型试验。试验结果表明:(1)受地下采动影响后,露天矿边坡顶部、腰部和底部的应力分布进行重新调整,随着开挖范围的扩大,整体上呈受压—压缩应力增大—受拉伸的动态变化趋势。受境界顶柱的保护支承作用,开挖后其垂直下沉变形很小。(2)地下磷矿体开挖后,在采空场前后方顶板一定区域内形成顶板支承压力集中区,而在采空场上方靠近磷矿层的顶板区域形成卸压区,同时在采空场下方靠近磷矿层的底板区域则形成底板卸压区。随着采空场沿磷矿层倾斜延伸方向的推进,采空场顶板和底板卸压范围逐渐增大,顶板支承压力区动态前移。(3)受采动的影响,采空场附近顶底板围岩均有不同程度的变形,顶板岩层有不同程度的下沉,底板岩层有不同程度的隆起。顶板下沉和底板隆起最大点均位于采空场中点偏下部分,随着开挖的推进而动态前移,达到充分采动后岩层整体下沉和隆起曲线趋于稳定的碗状。以采空场为中心,随着距离其纵向和水平方向距离的增加,顶底板岩层位移变形量单调递减。(4)开挖推进至断层破碎带及其影响区域时,在采动应力的影响下,断层破碎带被"活化",沿断层接触面发生滑移和剪切破坏。该研究成果对云南磷化集团晋宁磷矿6#坑口东采区深部矿体及类似条件下矿山露天转地下开采现场工程实施有重要理论指导意义。

巨厚薄层状顶板回采巷道围岩裂隙演化规律的相似模拟试验研究

运用相似模拟试验和分形几何理论,研究了受采动影响的回采巷道围岩裂隙产生-扩展-贯通-破坏的演化规律。巷道两帮围岩裂隙呈弧形向巷帮深处扩展,并按幂函数规律衰减;两帮顶板裂隙呈二次曲线演化规律;巷道上方顶板裂隙主要集中在巷帮上方。用裂隙密度分形维数定量描述了巷道围岩裂隙的分布和演化。研究结果有利于了解巷道围岩内部破裂的发生与发展规律,为选择巷道锚固方案和优化锚固设计参数提供了依据。

浅埋深长壁工作面覆岩破断特征相似模拟

利用相似模拟实验方法,研究了浅埋深长壁工作面覆岩破断特征,掌握了浅埋煤层长壁开采覆岩破断过程中的关键特征点。并结合现场矿压实测,掌握了工作面来压与上覆岩层裂隙发展之间的规律。研究分析表明:浅埋深长壁工作面覆岩破断的关键特征点分别是直接顶破断、基本顶初次破断、基本顶周期性破断、裂隙带初次导通地表、裂隙带周期性导通地表。裂隙带导通地表(即基岩层周期性全部破断)与基本顶破断的周期性发生是浅埋深长壁开采条件下工作面顶板来压存在大小周期的主要原因。浅埋深长壁工作面开采过程中,基本顶的断裂极易引发裂隙带导通地表。因此,在工作面来压期间,要适当加快工作面推进速度,避免发生压架事故。