覆岩变形破坏电阻率响应特征的模拟实验研究

地下采矿活动引起上覆岩层移动变形和破坏 ,对覆岩变形破坏进行监测 ,可以为采矿设计和安全生产提供可靠的技术保障 .本文从对应于实际地层介质的相似材料物理模型实验出发 ,探讨了模拟实验的相似条件和可行性 ,进行了采矿活动不同时期覆岩电阻率特征变化的动态测试 ,结合实验数据进行反演计算 ,最后获得覆岩变形破坏与电阻率变化的响应关系 .实验结果表明 ,覆岩变形和破坏必然造成地层介质电性特征的变化 ,不同破坏带的破坏程度不同 ,电阻率变化响应特征不一样 ,两者是一一对应的 .利用电阻率方法监测覆岩变形和破坏是完全可行的 .

采场覆岩变形破坏模拟试验的光测方法对比

物理相似模型试验是煤矿采场上覆岩层变形破坏规律研究的主要手段,将BOTDA,FBG与DIC光测方法相结合,建立“点-线-面”的试验测试系统以提高测试精度十分必要。基于光测原理,分析了BOTDA,FBG和DIC技术的应变测量,探究了应变局部化带对DIC检测应变的影响,BOTDA和FBG测试本质上是一种“线应变”,而DIC是“面应变”。统计已有的试验研究,得出了不同工况下物理模型试验BOTDA,FBG光纤应变监测数据范围。搭建3 m平面应力相似模型,模拟煤矿工作面开挖77次,推进240 cm。通过埋设在模型内部的1根BOTDA传感光纤以及3个FBG传感器对模型关键层内部变形状态进行监测,同时以DIC实时观测模型表面变形,研究这3种不同的光测技术所获得的关键层应变测试结果,进行对比分析覆岩变形破坏规律,得出3种不同的光测技术测试应变的量化关系,并分析他们对应变测试存在差异的原因。试验结果表明,BOTDA和FBG的测试应变量级相同,在均匀连续变形区域DIC与BOTDA监测的应变比值为15.52~16.70,在非均匀变形区域DIC与BOTDA监测的应变比值为27~133;在应变曲线峰前阶段,DIC与FBG测试应变一致性好,峰后阶段DIC更好地反映了上覆岩层的变形;尽管在测试结果上有量级的差异,但随着岩层变形破断以及离层裂隙的张开、闭合,3种光测方法均可以反映岩层内外部同步性的变形,其发展趋势基本一致,BOTDA,FBG和DIC应变曲线峰值位置偏差较小;对离层出现位置,FBG的偏差为1.13%,FBG测试结果更好;对关键层破断范围,DIC测试的破断范围偏差为1.62%,测试结果更好。

林南仓东一采区覆岩变形破坏数值模拟分析

厚层冲积层下煤层的安全开采是林南仓矿东一采区遇到的最大问题之一。在分析东一采区开采具体情况和开采方式的基础上,构建了符合实际情况的工程地质模型和力学模型。应用目前最先进的FLAC3D软件对东一采区的煤11和煤12的覆岩变形破坏进行了模拟。模拟结果表明,煤11开采引起上覆岩层最大下沉值为2.75m,引起上覆岩层发生塑性屈服破坏的最大高度为31m,上覆岩层处于拉应力状态区域的最大高度为27m。煤12开采引起上覆岩层下沉,最大位移量为5.42m。煤12开采后上覆岩层发生塑性屈服破坏的最大高度为47m,上覆岩层处于拉应力状态区域的最大高度为43.3m。

采空区覆岩变形破坏裂隙带现场探测

采用井下仰孔分段注水法对山西某矿81401工作面采空区覆岩变形破坏裂隙带发育高度进行了探测,并与地面高密度电法覆岩动态探测结果进行了对比。结果表明:以测试段注水流量大于10 L/min作为裂隙带高度判据,裂隙带发育高度为71～73.8 m,与电法探测结果相符。

地下开采覆岩变形破坏规律研究综述

地下开采必然造成覆岩的变形破坏,掌握开采后覆岩变形破坏规律将对矿井水防治,瓦斯运移规律,保护层开采,瓦斯抽采,以及地表移动变形控制等具有重要的指导意义。文章对国内外的覆岩变形破坏经典理论进行了介绍,充分阐述了各个理论对覆岩变形破坏规律研究的促进作用。总结了我国对垮落法开采和充填开采覆岩变形破坏规律的研究现状,并对具有代表性和突出贡献的成果进行了详细的说明。可以得出,我国对垮落法开采覆岩变形破坏规律的研究已经相对完善,在国际上也处于领先水平,而对充填开采覆岩变形破坏规律的研究相对滞后,仍然有很多关键技术和工作值得去深入研究。

覆岩变形破坏高密度电法探测的相似模拟

通过构建高密度电法覆岩探测物理相似模拟平台,模拟工作面回采不同阶段的覆岩变形破坏规律。研究表明,实际电阻率变化率随弯曲变形带、裂隙带至垮落带逐步增大,而探测敏感性随深度增大逐步减小,覆岩变形破坏在反演电阻率变化率断面图中表现为上下大,中间小的沙漏形异常形态。基于反演电阻率变化率的动态探测方法可以实现对覆岩变形破坏的有效划分,能够为现场高抽巷布置提供依据。

建筑荷载影响下的浅部老采空区覆岩变形破坏相似材料模拟研究

针对在深厚比较小的浅部老采空区地表建设易引发该区覆岩失稳破坏的问题,采用相似材料模拟试验方法,对浅部老采空区残留空隙分布、建筑荷载影响下的覆岩空隙演化及地表沉降特点进行了研究。研究结果表明:受荷载影响的老采空区残留空隙二次压缩或失稳是浅部老采空区地表产生新的较大变形的根本原因;老采空区覆岩残留空隙主要包括:岩层结构已平衡的在无外因扰动下将长期存在的离层、垮落和裂缝带内破损岩层虽经历长时间压实但仍存在的裂隙、开采边界覆岩未完全垮落而形成的空洞;浅部老采空区覆岩内不存在弯曲带岩层的整体性支撑效应或此类覆岩较薄不足以分散荷载的影响,荷载直接作用在垮落和裂缝带破损岩体上,使得破损覆岩再次压密失稳破坏;采空区边界残留空洞受荷载影响,在其上方发育纵向裂缝,随着荷载的增大覆岩沿纵向裂缝整体性断裂,直至切冒到地表,对拟建建(构)筑物的结构安全影响极大。

采场覆岩变形与破坏的分布式光纤监测与分析

提出了采用BOTDR分布式光纤传感技术,对煤层采动过程中覆岩变形与破坏的发育规律进行了监测和分析。以淮南矿区某工作面为例,介绍了监测孔的布置方式和传感光缆的安装方法,提出了采用钻孔安装技术将传感光缆植入到煤层顶板覆岩中,根据工作面回采进度,定期采集传感光缆的应变分布,分析了光缆的应变分布特征及其变化规律,得到了应变分布与地层的对应关系,发现应变分布是不均匀的,传感光缆的应变变化与覆岩模量呈反比,揭示了覆岩变形与破坏的发育规律。根据光缆的应变分布特征、传感光缆光损耗较大的点或者断点所处的层位,结合13-1煤覆岩的岩性组合,得到了垮落带和导水裂缝带的发育高度分别为12.5 m和40.0 m。

采动影响下采空区覆岩破坏变形规律数值模拟研究

为了探究梅花井煤矿2~#煤采空区覆岩变形破坏规律及导水裂隙带高度,利用FLAC^(3D)建立了数值模型,分别对开采50～400 m的各阶段进行了模拟。结果表明:顶板岩层变形破坏形态一般呈马鞍形;顶板附近岩层若存在微裂隙,裂隙两端就会出现应力集中现象,此类区域内的岩石很容易发生跨落。2~#煤顶板导水裂隙带最大发育高度值约为73 m。研究结果对2~#煤的安全开采提供了重要依据。

浅埋深厚松散层综放工作面覆岩破坏监测技术

为得到浅埋深厚松散层工作面覆岩变形和破坏规律,在对阳湾沟煤矿6204综放工作面进行现场实测的基础上,采用孔间地震探测技术、地面钻孔电视窥视技术、覆岩内部位移监测技术和地表沉降监测技术等综合监测覆岩破坏情况,为确定裂隙带高度、判定垮落带和裂隙带的离层情况、掌握地表移动变形规律提供了一个新的技术手段。结果表明:在阳湾沟煤矿6204综放工作面裂隙发育带高度判定中,孔间地震探测和地面钻孔电视窥视监测结果基本一致,其裂隙带埋深分别为110、106m;覆岩内部位移监测和地表沉降监测一体化的监测技术揭示了覆岩自下而上的破坏特征,对于研究浅埋深、厚松散层下综采工作面的覆岩变形和破坏规律实用性较强。

地下开采引起覆岩破坏的三维数值模拟研究

以安家岭矿区为背景,基于连续介质的离散元方法,对地下开采引起的上覆岩层及边坡的变形破坏规律进行了三维全过程数值模拟。通过对三维位移场及破坏场模拟结果分析发现:上覆岩层的运动以朝采空区侧垮落为主,潜在节理裂隙密集时地表沉陷为一坑两底式,潜在节理仅存在与地层交界处时地表沉陷为一坑一底式,且岩体越破碎,地表沉降值越大。通过三维剖面与平面应变简化计算对比,发现两者的水平位移模式明显不同,三维模型进行边坡稳定性分析更为合理。

大倾角大采高采场覆岩应力路径时空效应

为揭示大倾角大采高采场覆岩变形破坏的时空演化特征及应力路径效应,以2130煤矿25221工作面为研究背景,采用3DEC数值模拟方法,在对覆岩变形破坏时空演化特征的综合厘定与分析的基础上,提出了大倾角采场上覆岩层在采动应力作用下的扰动分区,量化了采场沿工作面走向、倾向及不同层位覆岩采动应力路径的空间演化规律,揭示了采场空间不同区域覆岩采动应力与断裂失稳过程中的对应关系。研究结果表明:在大倾角大采高开采中,重力-倾角效应作用下矸石呈现非均匀充填特征,导致覆岩垮落形态及顶板承载拱在采场空间均呈现出典型的跨层迁移转化特性,包络面内中上部区域“倒三角临空面+倾斜砌体结构+高位梯阶岩层”形成空洞现象,“高位梯阶岩层”失稳易诱发“倾斜砌体结构”同时断裂,对支架形成较大的冲击动载荷。工作面煤层开采导致采场上覆岩层的三向采动应力大小、方向均发生了显著变化。沿工作面走向,覆岩最大主应力演化先增大再减小,最小主应力则先减小再反向增大,最大和最小主应力沿推进方向的垂直平面内向采空区旋转,上覆岩层的极限平衡状态界面沿工作面倾斜方向呈非对称展布。沿工作面倾向,煤柱侧上方岩层产生应力集中,工作面上方岩层卸荷,覆岩层位越低,其峰值应力越大,应力变化幅度越大。最大主应力主要沿水平方向发生偏转,最小主应力则由工作面推进方向逐渐向垂直方向偏转。由弱扰动区域至采空区中心,应力反向偏转位置由倾向中部逐渐向上部移动,应力路径的非对称偏转传递特征愈发明显。大倾角大采高采场采动应力时空演化规律及采动应力-位移-覆岩断裂结构的映射关系为揭示大倾角大采高采场围岩失稳致灾机理提供基础,并结合生产实际,提出了大倾角大采高综采工作面坚硬顶板冒垮压架防治措施。

采空区覆岩破坏变形特征研究

以成庄矿4322综采工作面为工程背景,采用分析软件RFPA 2D对该工作面采空区覆岩破坏变形特征进行了数值仿真模拟研究。结果表明:受采矿应力大小、类型及分布等差异性影响,导致不同层段覆岩垮落、裂隙发育程度及类型、裂隙发育高度不同,并在采空区覆岩自下而上依次形成“垮落带、裂隙带及下沉弯曲带”等三个特征明显的采矿破坏变形带。采空区稳定形成后,垮落带最大发育高度达24 m(约3~4倍采高),裂隙带最大高度可达56 m(约9倍采高)。

煤层开采覆岩破坏发育规律动态测试分析

针对工作面覆岩破坏高度观测的需要,改进单孔测试方法,利用顶板岩层钻孔和巷道形成探测区域,采用孔巷电阻率法进行电性参数采集与处理,在工作面回采推进过程中进行动态测试,根据顶板岩层视电阻率值的变化分析其内部结构变化特征,获得覆岩变形与破坏的发育规律,以及"垮落带、导水断裂带"发育高度值。在淮北某煤矿工作面顶板孔巷电性参数测试结果表明,该工作面开采条件下其垮落带高度为8.1～8.5 m,导水断裂带高度为29.0～32.5 m。根据岩层不同时间电阻率值分布的有效对比,可清晰分辨煤层顶板岩层变形与破坏的过程和规律,且多断面测试结果表明其实测结果的可靠性。

采动覆岩涌水溃砂灾害模拟试验系统研制与应用

为研究煤层开采过程中覆岩涌水溃砂灾害的演化特征,研制采动覆岩涌水溃砂灾害模拟试验系统。该系统由主体承载支架、试验舱、承压水仓、模拟采煤装置、储能罐、水压水量双控伺服系统和位移应力双控伺服系统组成,具有模拟空间大、可视度优、密封性好、加载方式多样、数据精度高等特点。以西部地区煤炭赋存地层为工程背景,利用研制的低强度非亲水相似材料对煤系地层进行模拟铺设,并对其进行模拟开采,较好地再现了覆岩涌水溃砂灾害孕育、发展及发生的全过程,获得工作面开采过程中覆岩变形破坏、裂隙发育扩展、水砂通道形成及水砂突涌参数和特征。试验结果表明该试验系统稳定可靠,研究方法及结果对进一步认识采煤工作面涌水溃砂灾害的形成机制具有指导和借鉴意义。

综放工作面采空区“三带”高度分布特征数值模拟研究

煤矿开采过程中,岩层遭到破坏,采空区上方出现了明显的"三带"特征,详细掌握岩层"三带"分布规律,有利于较为定量的分析采空区瓦斯赋存和导水裂隙带高度,并能分析采空区对临近工作面及临近巷道的影响,从而为高、低位抽采巷(顶板高、低位钻孔)层位布置,临近工作面及临近巷道布置提供依据。通过对阳煤集团新大地煤矿综放工作面采空区建立覆岩变形破坏数值模型,得出采空区"三带"高度分布规律,从而指导矿井在相似开采条件下选择高、低位抽采巷和顶板高、低位钻孔布置层位,进而取得较好的瓦斯抽采效果。

仰孔分段注水法钻探与高抽巷优化布置研究

通过对81401工作面仰孔分段注水法详细的井下观测,获得较准确的注水流量数据,通过数据分析,确定了试验区覆岩变形破坏范围,为高抽巷合理布置提供了理论依据。

水体下采煤的技术探讨

水体下采煤问题涉及面广，跨煤炭、水利、地质和环境保护等行业，需将资源开采、环境保护、保证水工结构安全等问题综合考虑。随着当今煤炭工业的迅速发展，水体下安全采煤技术也在不断地进步。笔者根据自己长期实地工作经验综合各方面因素，多方位论述水体下采煤技术，并提出几种预防地表水与地下水涌入开采空间的技术措施。