煤层群中断层对采动裂隙演化规律的影响研究

为研究断层对煤层群采动裂隙演化规律的影响,以贵州土城煤矿151710工作面为研究对象,基于相似模拟和数值模拟方法对含断层煤层群采动裂隙演化规律进行研究。结果表明:含断层煤层群中9号、12号煤层开采到相同距离时工作面周围应力分布显著不同;9号煤层的超前开采,使12号煤层处于应力降低区,过断层开采时工作面前后出现应力分区现象;随着开采的进行,12号煤层的采动影响范围小于9号煤层;当开采工作面过断层时,覆岩裂隙发育迅速,岩层间出现显著离层,并发生不同程度的断裂。现场12号煤层回风巷顶板钻孔窥视显示:当工作面过断层时,顶板破碎严重,覆岩裂隙发育杂乱。

采动裂隙缩径后端抽采气流中煤岩颗粒沉积规律研究

井孔瓦斯抽采过程中抽采气流所携带的煤岩颗粒易在采动裂隙内沉积,严重降低了井孔瓦斯抽采流量,掌握裂隙内颗粒沉积特性是提高井孔瓦斯抽采流量的重要基础。开展了含缩径的裂隙内颗粒运移沉积实验,研究了抽采气流影响下颗粒在越过缩径后的颗粒沉积床演化规律,分析了抽采气速和缩径特征参数对采动裂隙缩径后端颗粒沉积规律和抽采局部阻力的影响。结果表明:裂隙缩径后端颗粒沉积床呈现2种演化规律;当颗粒沉积床沿气流方向呈“V”形分布时,颗粒沉积床沉积高度呈现先快速增大后缓慢减小的演化规律;当颗粒沉积床沿气流方向呈“?”形的颗粒沉积床时,沉积高度呈现先缓慢增大后缓慢减小的演化规律;此外,随着裂隙内颗粒床的发展,裂隙缩径后端的局部阻力变化可分为初期稳定阶段、快速发展阶段和最终稳定阶段;初期稳定阶段演化时间随抽采气速的增大或缩径比减小而缩短;快速发展阶段演化时间随抽采气速的增大或缩径比增大而缩短。

覆岩采动裂隙空间形态反演方法及在瓦斯抽采中的应用

如何实现工作面采空区瓦斯的高效抽采一直是煤矿安全领域亟待解决的重要难题。覆岩采动裂隙作为采空区瓦斯储运的主要空间,其演化过程与覆岩运动密切相关。通过掌握采动覆岩运动演化特征,反演出覆岩采动裂隙空间形态,从而提出精准的瓦斯抽采技术方案,是解决上述难题的根本途径。为此,结合山西某矿深部高强度开采条件,采用地面钻孔全柱状原位监测方法,研究了工作面开采过程中覆岩运动的演化过程,揭示了覆岩关键层运动的分段特征;在此基础上,反演得到了覆岩采动裂隙空间形态发育特征,即采动覆岩瓦斯卸压运移“三带”、“O”形圈裂隙区、覆岩移动“横三区”的具体范围,提出了包括钻孔布置层位、伸入工作面水平距离和抽采最优时段的顶板定向长钻孔抽采瓦斯技术方案。试验结果表明,深部开采条件下覆岩运动经历了煤壁支撑影响阶段、低位岩层破断运动阶段、破断覆岩快速回转阶段、上部覆岩向下重新压实阶段、采动影响衰减的整体运动平稳阶段等变化过程,其中,在低位岩层破断运动阶段和破断覆岩快速回转阶段内,覆岩的离层空间与破断裂隙快速发育并相互贯通而形成导气裂隙带,为采空区瓦斯的聚集与运移提供了空间,是抽采采空区瓦斯的有利时机;基于采动裂隙空间形态反演的顶板定向长钻孔抽采瓦斯技术,使工作面采空区瓦斯抽采率平均提高了57.5%,有效保障了工作面的安全开采。

工作面覆岩采动裂隙演化规律物理及数值模拟研究

了解工作面推进过程中采动裂隙的演化规律对于煤层气抽采及瓦斯控制至关重要。采用相似模拟和数值模拟的方法研究了工作面推进过程中采空区覆岩采动裂隙的演化规律,研究结果表明:采空区中部和采空区边界处靠近巷道的区域上覆岩层的采动裂隙存在截然不同的变化规律。采空区中部区域,上覆岩层的采动裂隙随着工作面的移进及越过呈现“迅速增加—逐步减低—稳定”的变化规律;采空区边界靠近巷道的区域,呈现“迅速增加—稳定”的变化规律。远离开切眼、靠近巷道的采空区上覆岩层采动裂隙发育最为充分;工作面走向平行于最大水平主应力时的各区域采动裂隙发育,显著高于工作面走向垂直于最大水平主应力时的;较硬直接顶对于提高采动裂隙渗透率有积极作用。

煤层底板采动裂隙分布规律及注浆层位优化

为了向煤矿底板注浆改造提供科学依据,采用RFPA^(2D)、FLAC^(3D)数值模拟软件,得到了煤层底板采动裂隙分布规律,并与经验公式进行了对比。研究发现,采用FLAC^(3D)模拟底板破坏深度比较可靠,得到底板破坏深度为14 m;通过对注浆层位进行优化,认为底板注浆加固设计方案中必须合理布置一定数量或在特定部位的本溪组和寒武系注浆加固孔;经数值模拟,底板注浆不仅增大了底板隔水层厚度,而且使底板破坏带深度减少约2 m。该研究对于提高回采工作面超前预注浆效果,以及岩石集中巷注浆加固具有一定指导意义。

高瓦斯综放面采动裂隙分布与高抽巷位置选择

基于山西新景煤业公司3105高瓦斯工作面覆岩采动裂隙分布,对高抽巷层位对瓦斯抽采效果进行探讨,合理选择工作面高抽巷的位置。运用UDEC数值模拟软件,分析认为,当工作面推进至200 m时,裂隙带发育高度达到45 m,上覆岩层形成稳定的瓦斯抽采的优势通道;结合工作面不同位置瓦斯浓度监测数据以及矿井瓦斯的实际抽采条件,确定高抽巷的合理垂距为距煤层顶板35 m、合理平距为距回风巷25 m。瓦斯抽采实践表明,该工作面及回风巷等处的瓦斯浓度均低于0.3%,完全满足矿井安全生产的要求。

采空区覆岩采动裂隙带高度分析与研究

煤矿采空区覆岩三带一直是影响煤矿安全生产的重要因素,尤其是采动裂隙带,埋藏浅矿井采动裂隙带可沟通至地表,存在地表雨水及河流通过导水裂隙带下涌入矿井的风险。分析采动裂隙带钻探实测资料,对比理论经验公式计算结果,对采动裂隙带发育高度做了分析与研究,对地质条件类似矿井采动裂隙带高度研究具有一定的指导意义。

采动裂隙场发育高度数值模拟研究

以顶板卸压带瓦斯抽采为主的瓦斯治理措施是有效防止回采工作面上隅角瓦斯超限的手段之一,采动裂隙是瓦斯运移的主要通道,采动裂隙场的分布决定着瓦斯抽采钻孔的布置层位,因而其发育高度的精准确定是该手段有效利用的前提。通过UDEC数值模拟确定了大水头煤矿东104工作面采动裂隙场发育高度,并通过数值计算得出该工作面初采期覆岩裂隙发育模型。结果表明:东104工作面19.18 m以下区域为垮落带,裂隙带最大发育高度为55.94 m.初采期间,采动裂隙场发育高度与工作面推进长度之比为0.5594,初采期覆岩裂隙发育沿走向方向顶部呈尖顶或椭球状,而沿倾斜方向呈平顶状,端部都呈逐渐降低的形态。

基于分形理论的采动裂隙时空演化规律研究

为掌握采动影响区覆岩裂隙时空演化规律,进行采动条件下裂隙场演化实验室相似模拟实验,采用数理统计方法对裂隙场分布进行定性分析,利用分形理论定量描述裂隙时空演化规律。研究结果表明:采动影响覆岩裂隙场划分为4个区域,即离层低角度裂隙区,采空区中部垮落及断裂带中角度区,裂隙扩展高角度区,中、高角度过渡区;引入分形理论,对采动影响覆岩裂隙演化的几个重要阶段的变化趋势和程度进行定量描述;通过分析裂隙张开的程度得出中、高角度过渡区是瓦斯抽采工程措施实施的主要区域。

煤体采动裂隙现场实测及其应用研究

为获取高强度开采条件下煤体采动裂隙,以天地王坡矿3207工作面为背景,采用钻孔窥视法、测线法和测窗法等综合手段进行煤体采动裂隙现场实测研究。在此基础上,结合COMSOLMultiphysics软件研究煤体采动裂隙场对采动应力分布、煤层瓦斯压力的影响;探讨瓦斯压力与采动裂隙分布之间关系,并分析采动裂隙条件下抽放孔的合理布置方式。

结构化岩体采动裂隙分布规律与分形性实验研究

采动岩体裂隙形成、扩展和分布均十分复杂，而初始结构面的存在使其更加复杂。本文借助相似材料模型实验，模拟了结构化岩体采动裂隙的分布规律，应用分形几何理论研究采动岩体裂隙分布的自相似性。研究表明：具有初始结构面的岩体采动后形成的裂隙网络具有很好的统计自相似分形性质，分形维数可以综合描述采动岩体裂隙化程度，且地表沉陷特征值与分形维数具有明确的数量对应关系。

长壁工作面覆岩采动裂隙网络演化特征

以淮南张集矿1122(1)工作面为原型,制作了相似材料模型。结合分形几何理论研究了覆岩采动裂隙的分布及发育特征,并分析了覆岩采动裂隙长度与数量的分维与工作面推进长度之间的关系。研究发现:采动裂隙总数随着工作面推进长度增大而增大,且在主关键层弯曲前,裂隙总数逐渐增多;主关键层弯曲后,导致采空区中部部分裂隙闭合,而新生裂隙则不断增加。

巨厚火成岩下采动裂隙场与瓦斯流动场耦合规律研究

为考察巨厚火成岩下远程下保护层开采覆岩采动裂隙场与瓦斯流动场耦合规律,通过采用理论分析、相似模拟试验、数值模拟实验及现场观测的方法,分析了覆岩垮落变形和裂隙发育规律,研究了巨厚火成岩下瓦斯储运规律。结果表明:巨厚火成岩控制着其上覆岩层的全部运动,弯曲带内存在裂隙与离层长期不闭合的区域,即离层区;弯曲带内离层区存在大量离层裂隙和少数穿层裂隙,其中裂隙成为瓦斯运移的通道,离层成为瓦斯的富集区;巨厚火成岩下断裂带与离层区内气体运移与煤岩体变形之间存在着复杂的相互作用,它是渗流场、浓度场和裂隙场(包括离层)之间耦合的一个动态平衡体系。

煤岩体采动裂隙网络的逾渗与分形特征关系研究

以平煤八矿己15-22060工作面为背景,引入逾渗和分形理论,分析了煤岩体裂隙网络的演化特征,得到了逾渗概率和分形维数随工作面推进度的变化规律及二者的变化关系。结果表明:逾渗概率的大小受横向离层裂隙和竖向破断裂隙的发育、贯通等因素影响,随工作面推进分阶段线性增大,且增幅有增大的趋势;随工作面推进煤岩体的裂隙网络逐步向工作面前方煤体和上覆岩层扩展,分形维数大小受裂隙的长度、宽度、数量、分布等因素控制,升维过程大致可分为3个阶段;煤岩体裂隙网络的逾渗概率与分形维数的关系可分段拟合为1个幂函数和2个线性函数,且具有很好的相关性,数学模型的建立可为研究煤岩体裂隙网络的等效渗透率奠定一定的基础。

一种氡气地表探测覆岩采动裂隙综合试验系统研制与应用

在概述现有关于覆岩采动裂隙发育特征方面研究现状和总结氡气现有工程应用领域的基础上,首次尝试将氡气的地球物理化学特性应用于采矿工程领域,将放射性测量方法引入到地下煤炭开采覆岩采动裂隙发育过程及其含水性方面的探测,并独立自行研制氡气地表探测覆岩采动裂隙综合试验系统。该综合试验系统具有拆装简便,物理模拟模型铺设方便,在同一物理模拟试验台架上可快速实现二维或三维物理模拟试验等优点。将该综合试验系统应用于神东矿区大柳塔煤矿11203工作面开采二维相似物理模拟试验中,模拟得出覆岩采动裂隙动态演化特征及其与氡气浓度变化二者之间的对应规律。同时,该试验也进一步地验证采用氡气地表探测覆岩采动裂隙的可行性。

覆岩采动裂隙演化形态的相似材料模拟实验

煤层开采后,覆岩采动裂隙演化规律及其形态特征与卸压瓦斯抽采密切相关。通过沿工作面走向及倾向相似材料模拟实验,得到覆岩采动破断裂隙的产生、发展为三阶段演化规律,形态呈"M"状。离层裂隙呈两大阶段、两个层位、三个区间的演化特征,即在主关键层触矸前,分布形态在垮落的最上位亚关键层上部,呈倒"V"状,下部呈"M"状;当主关键层触矸后,主关键层下部离层分布形态呈"M"状,上部少有离层发育。基于此,得到了覆岩采动裂隙演化形态与特征,提出了"采动裂隙圆角矩形梯台带"工程简化模型,为确定卸压瓦斯抽采钻孔参数提供了一定理论依据。

近距离煤层群开采底板不同分区采动裂隙动态演化规律

为了研究采动影响下底板不同应力分区裂隙动态分布及其演化规律,运用弹塑性力学和卸荷条件下断裂力学等相关力学理论分析了不同分区裂隙张开、扩展力学机理,提出不同分区裂纹扩展的应力、位移条件,通过FLAC3D和UDEC数值模拟软件分别研究了底板三维应力状态、位移变化和裂隙演化规律,对底板应力分区做出量化,同时得到采动影响下底板裂隙发育"O"形圈及其动态变化。通对底板不同分区内裂隙的发育倾角统计结果分析,得到了底板不同分区裂隙发育特点:压缩区裂隙多为弯折拉伸裂纹,方位角大致为垂直方向;过渡区裂纹多为反向滑移和弯折扩展裂纹,裂纹倾角多为45°以上;膨胀区多为Ⅱ型剪切裂纹,倾角大部分在45°以下;裂隙发育特征与力学分析相吻合。

采动裂隙煤岩体应力与瓦斯流动的耦合机理

采用渗流力学理论分析方法,对煤层采动裂隙、采动应力与瓦斯流动的耦合作用进行了研究。对采动过程中煤层及其覆岩的裂隙,采动应力和瓦斯压力进行了现场实测,并对三者之间的相互影响作用进行对比分析。研究结果表明:采动影响下裂隙煤岩体的渗透率与裂隙宽度、裂隙贯通情况、裂隙不平整度、裂隙间距裂隙法向刚度和采动应力等有关,裂隙煤岩体瓦斯流动与其裂隙发育情况有着极其密切的关系,瓦斯渗透率与裂隙宽度呈正相关,与裂隙间距呈负相关。基于工作面煤层采动裂隙、采动应力与瓦斯流动耦合作用,依据裂隙煤岩体瓦斯渗流定律,构建了裂隙煤岩体采动应力-瓦斯渗透的力学模型,揭示了裂隙煤岩体的采动裂隙、采动应力与瓦斯流动的耦合机理。

覆岩采动裂隙分布的“O”形圈特征研究

应用模型实验、图像分析、离散元模拟等方法，对上覆岩层采动裂隙分布特征进行了研究，揭示了长壁工作面覆岩采动裂隙的两阶段发展规律与“Ｏ”形圈分布特征，并将其用于指导卸压瓦斯抽放钻孔布置，在淮北矿区卸压瓦斯抽放中得到应用，取得了显著效果．

煤体采动裂隙场演化与瓦斯渗流耦合数值模拟

对FLAC3D的自带Mohr-Coulomb模型进行了修改,利用VC++6.0编译出Frac.dll。利用现场煤体采动裂隙观测结果作为初始裂隙状态,对采动裂隙扩展、交叉过程进行全程模拟。同时对此过程中的瓦斯流动情况进行研究。通过与现场实测数据对比,模拟结果与实测值不仅在数值上符合较好,而且分布规律和变化趋势也很一致。