矿山采动覆岩内部岩移原位监测技术进展及应用

覆岩内部岩移原位监测技术具备适应深井高承压水特厚煤层开采复杂地质条件、多层位动态监测、高精度远程实时在线传输等技术特点,可为矿山企业开展顶板灾害防控提供有效的数据支撑。从煤炭开采应用实践背景出发,系统回顾了采动覆岩内部岩移原位监测技术的发展历程、技术进展和应用效果。结合我国矿压理论及岩移监测技术发展历史,全面介绍了矿山采动覆岩内部岩移原位监测技术的重要阶段,阐述了该技术在多维实时协同监测、无人在线监测和深部岩移监测3个方面所取得的理论创新与技术突破。结合补连塔煤矿、同忻煤矿、高家堡煤矿等矿井监测工程实例,展示了采动覆岩内部岩移原位监测技术在实际工程应用中的有效性,并探讨了该技术在不同类型矿区、不同研究领域的应用前景。指出矿山采动覆岩内部岩移原位监测技术的发展趋势为精确化、智能化和集成化,即通过优化传感器性能和布置方案等提高监测精度和准确性,利用人工智能、大数据和物联网技术实现自动化分析和预测,将原位监测技术与其他技术相结合以形成完整的监测系统。

基于FLAC^(3D)的节理岩体采动损伤本构模型的开发及应用

矿山开采沉陷是具有各种裂隙的岩体在采动应力作用下所发生的再变形和再破坏过程,裂隙随着开采的推进不断扩展。如果把矿山岩体原始裂隙看作是初始损伤,则可将随井工开采推进形成的裂隙扩展看作是损伤的演化。根据几何损伤理论中的裂隙张量和FLAC3D莫尔–库仑模型的塑性流动格式建立考虑初始损伤的节理岩体弹塑性本构模型的数值格式,在VC++开发环境中编写这种本构模型,供FLAC3D调用。通过一个单轴压缩数值试验对比,验证该模型应用于节理岩体的合理性。结合采矿工程实际,考虑初始损伤的演化,建立节理岩体采动损伤本构模型,对安家岭露天矿南端帮边坡下的井工开采进行数值模拟,得出露天煤矿台阶状边坡地表不同于平地地表的移动变形规律:台阶处的地表移动范围比平地处大;各级台阶处的变形比较集中。井工开采对上覆边坡岩体造成较大的扰动,不利于边坡的稳定:坡体地表出现安全度小于1的区域,坡体台阶受拉处安全度最小。模拟结果可为露井联采条件下井工开采设计和维护边坡稳定提供合理建议。

采动覆岩变形分布式光纤物理模型试验研究

采动覆岩变形破坏对开采巷道的安全构成威胁,同时易造成地面塌陷,对地面构筑物的安全和地质环境产生影响。因此,对煤层采动覆岩变形进行监控,具有重要的现实意义。论文针对煤层采动覆岩变形破坏的一般规律,利用分布式光纤感测技术,开展了采动覆岩变形物理模型试验研究。采用将感测光缆竖直植入物理模型内部的布设方法,获得了煤层采动过程中覆岩变形分布式监测结果。将光纤测试结果与常规近景摄影结果进行对比,结果基本吻合;同时,揭示了采动覆岩变形破坏规律和覆岩离层的演化过程。利用经验公式计算得出"导高"均值约为30.6cm,这与光纤监测数据分析估算得到的30cm基本一致。试验结果表明:将分布式光纤感测技术引入采动覆岩破坏模型试验是可行且准确的,为以后的相关研究提供了一种新的思路与方法。

采动覆岩力学模型及断裂破坏条件分析

根据覆岩破坏的机理建立了采动覆岩初次断裂前、后的力学模型 ,并根据此力学模型 ,运用梁弯曲变形理论分析了采动覆岩断裂破坏的条件 ,在考虑上覆岩层的岩性、厚度、埋深等因素的基础上 ,建立了上覆岩层断裂时临界开采长度的计算模型 ,并以此模型进行了实例计算分析 .

采动覆岩破坏演化特征模型实验与分析

采动覆岩破坏演化特征研究对煤炭安全开采具有重要指导意义。以新疆哈密大南湖一矿1303工作面为研究对象,根据开采技术条件,构建采动覆岩破坏演化特征实验模型;分析覆岩运移特征与声发射监测信息,揭示了采动覆岩单次破裂及来压过程中多次破裂的能量耗散与演化特征,其历程分别为"释放-积聚-释放"与"裂隙扩展-破裂-垮落"。借助钻孔电视判定覆岩破坏演化高度,结果表明:工作面开挖后,覆岩破坏高度随模型开采持续增加,但受下方煤岩体碎胀效应影响,覆岩破坏高度增幅随来压次数增加而逐渐降低。工作面推进至246.4 m时,破裂岩块间形成稳定的挤压平衡结构,工作面达到充分采动状态,采动覆岩破坏高度峰值为96.0 m.相关研究成果为指导工程实践提供了定量依据。

开采扰动区断层采动活化诱发岩体动态变形模型实验

开采扰动区断层采动活化是诱发动力学灾害的典型难题之一。断层采动活化诱发岩体动态变形规律研究是揭示煤岩体结构、应力与力学行为对灾害控制作用的基础前提。通过对物理相似模型实验和声发射、应力与变形指标监测,揭示开采扰动区断层下盘、断层附近及断层上盘随工作面推进覆岩运移和矿压显现规律。实验研究表明:断层存在破坏了煤层顶板及上覆岩层的整体连续性,工作面矿压及上覆岩层垮落规律表现异常,断层极易活化,滑移现象明显;断层活化诱发上覆岩层发生整体切落,对工作面前方煤体产生很高的集中应力载荷,易诱发动力灾害。这为采动岩体动态断裂失稳和突水等灾害预报与调控提供理论依据。

沿空留巷顶板覆岩二次采动裂隙实测分析

地下煤岩体开挖会引起上覆岩层的断裂、位移进而造成煤层内瓦斯的溢出、裂隙水的流动甚至会造成地表沉陷等矿山灾害。为了研究厚松散层下沿空留巷上覆顶板岩层裂隙破断规律,使用ZXZ20(A)型矿用钻孔成像装置对云驾岭煤矿12307工作面回风巷与运输巷进行上覆顶板岩层破断状态与裂隙发育的观测。在12307工作面回风巷沿走向布置1、2、3号测点,运输巷沿走向布置4、5、6号测点,6个测点的钻孔施工时间段相同、观测时间段相同。观测结果表明:1号测点上方顶板岩层极为破碎,顶板裂隙发育由浅及深不断加剧,在3~9 m出现明显离层,在此区间可观察到6条离层裂缝;3号测点顶板岩层0~3.2 m存在发育充分的裂隙,3.2~6.6 m存在横向裂隙,且6.2 m处有离层现象;4号测点顶板岩层0~2.5 m岩层受到明显破坏,岩层内裂隙纵横交错,2.5 m以深裂隙逐渐减少,只存在原生裂隙;6号测点顶板岩层观测范围内并未发现大的裂隙,岩层整体发育较为完整。上述结果表明回风巷在一次采动后顶板覆岩主要破碎范围在2 m内,在留巷期间二次采动造成顶板覆岩破碎程度加剧,深部岩层同样出现破碎与离层,尤其在顶板上方4 m内离层较多。

上覆灰岩回采工作面顶板瓦斯高效抽采

为探索灰岩顶板条件下的瓦斯赋存状态及抽采方案,开展了灰岩的X射线衍射实验,研究了灰岩的物理化学特性,分析了灰岩对顶板瓦斯赋存和瓦斯抽采的影响。以山西沁源常信煤矿90107工作面为工程背景,先用经验公式理论计算顶板“两带”高度,再结合3DEC数值模拟软件分析回采过程中顶板破坏形态及裂隙发育特征,根据顶板裂隙发育优势区设计高位定向钻孔瓦斯抽采方案,最后通过现场实测验证。研究表明:随着工作面的推进,顶板初次垮落步距为40 m,周期垮落步距为40 m,垮落带高度为11.4 m,裂隙带发育高度为50 m,裂隙发育优势区为11.4~25.0 m;现场实测发现上隅角和工作面瓦斯超限问题得到有效解决。抽采后,上隅角瓦斯浓度始终保持在0.8%以下,上隅角瓦斯浓度降幅最大可达87.5%。研究结果为相似灰岩地质条件下瓦斯高效抽采提供了参考依据。

基于RFPA^(2D)的煤层顶板覆岩采动破坏数值模拟

本文在分析工作面揭露的开采地质条件和岩石力学性能等参数的基础上,运用岩石破裂过程分析系统(RFPA2D)模拟分析了工作面煤层顶板覆岩层采动破坏特征。结果表明采动引起工作面顶板覆岩离层面和纵向破断面的张开和闭合是一个动态演化过程。区域内直接顶初始垮落步距约10m,基本顶的初次来压步距为60～65m,采动冒裂高度为57m。模拟结果为工作面顶板管理及上隅角瓦斯抽采提供了科学依据。

采动覆岩移动动态模型与参数反演

研究了采动覆岩移动的动态性，采用三参数流变模型，用等效弹性模量的方法对采动覆岩岩层力学参数进行了反演。反演得到了的力学参数是覆岩移动动态模拟的基础。

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。

采动覆岩裂隙演化规律的定量描述

对采动覆岩裂隙的定量描述一直是困扰采矿工程的科学问题。通过室内相似材料模拟实验,对综放工作面覆岩裂隙破坏过程进行了监测,并根据采动覆岩裂隙的发育过程在时间及空间的数字成像,提出了应用"双重分形"理论揭示采场覆岩裂隙的萌生、扩展、贯通的过程,获得了采动条件下覆岩裂隙时空演化的定量描述方法。

S矿区采动覆岩破坏的实例研究

煤矿地下开采造成水资源的破坏和污染,为了保护S矿区地表水资源和保证安全开采,在分析了该矿区覆岩工程地质特征的基础上,根据该矿区岩层柱状图,建立了煤层覆岩的力学模型,利用FLAC软件计算了煤层开采工作面推进到不同距离时覆岩的应力场,绘出了覆岩塑性区分布图,分析了薄基岩厚松散层下开采煤层时覆岩的应力特征和破坏高度,得出在煤壁和开切眼处覆岩以剪切破坏为主,而采空区上部以拉伸破坏为主;随着工作面的推进,覆岩破坏波及到第四系底部;进一步分析第四系底部粘土层的物理力学性质,得出该粘土层有良好的隔水性,指出工作面可以安全开采,并得到工程验证。

典型地质条件下采动覆岩变形破坏规律的试验研究

为了研究典型地质条件下厚煤层采动过程中的覆岩运移规律和顶板破断机理,以某矿16223典型地质工作面的厚煤层开采为工程背景,基于相似原理和量纲分析理论,运用相似模型试验系统分析工作面采动期间的顶板破断过程、垮落形态、覆岩变形特征及应力演化规律。研究表明:采动覆岩具有初始破坏的突发性、中期破坏的阶段性和后期破坏的延展性特征,裂隙发育和贯通过程呈现方向性和区间性特点,覆岩的失稳变形表现出非线性和不连续性,顶板应力在岩层活动的不同时期存在明显的应力分区和不均匀特性。研究结论可为典型地质条件下的煤层开采技术研发和岩层控制措施制定提供借鉴和参考。

采动覆岩中的灰色结构

本文说细介绍了采动覆岩中灰色结构的定义与特征，以及用于描述和分析这种灰色结构的砌体梁结构和关键层理论。

采动覆岩力学参数粘弹性位移反分析

本文研究了采动覆岩移动的动态性,采用三参数流变模型,用等效弹性模量的方法对采动覆岩岩层力学参数进行了反演。反演得到的力学参数是覆岩移动动态模拟的基础数据。

重复采动下覆岩破断规律相似模拟

本设计针对淮北许疃煤矿83下采区近距离煤层采空区下首采工作面无覆岩破断规律可供参考的工程背景,提出通过构建覆岩运移与裂隙演化物理相似模型,研究重复采动覆岩运移及破断规律,得到重复采动后,上覆岩层遭受破坏程度增大,岩层下沉量呈非连续性特点,跳跃显现明显,且采动裂隙将进一步向上发展观点。在采矿行业起到对矿井顶板灾害实现超前防控作用。

近距离煤层重复采动对坡体稳定性的影响

为研究近距离多煤层重复开采对坡体稳定性的影响,以岔角滩煤矿二采区为研究背景,选取具有明显特征的V号坡体为研究对象,建立力学模型,在天然坡体稳定系数计算公式的基础上,修正给出了采动坡体的稳定系数计算公式。此外,结合数值模拟方法计算分析C19,C20煤层依次开采和一次性开采等厚煤层情况下对地表坡体稳定性的影响。结果表明,天然状态下处于稳定的地表坡体在受到C19,C20两层煤依次采动后,坡体稳定性系数分别为1. 03和0. 80.模拟开采等厚煤层结束后,覆岩破坏发育高度约为120 m,地表浅处松散层发生局部破坏;在C19煤层回采结束后,覆岩塑性破坏区发育高度约为80 m,未波及地表,坡体仍处于稳定状态;在C20煤层回采结束后,覆岩塑性破坏区发育高度为150 m,地表松散层和基岩风化带整体破坏,坡体稳定性差。当开采单一煤层时,覆岩裂缝发育最大高度为35～40倍采高,对坡体的影响相对较小。近距离两层煤依次开采后,加剧了覆岩破坏,使得坡体失稳。

深井覆岩体内浆体充填对桥梁的保护作用研究

为保证采动区桥梁的交通安全,根据华丰矿地质采矿条件,结合矿井成功实施的离层注浆工程,对桥梁的周边区域增加注浆钻孔,加大注浆量。根据布设的地表及桥梁测点的岩移观测数据,对比预计的未离层充填时地表最大下沉量,表明离层注浆条件下鲁里大桥区域减沉率达到56%,采动区域桥梁仍能保持正常使用,该方法对桥梁的保护效果显著,可为类似条件下地表减沉工程提供参考。

灰色费尔哈斯特模型预测采动斜坡变形

在分析采动斜坡变形破环趋势及费尔哈斯特模型适用性的基础上,以国内某电厂采动斜坡变形为例预测了斜坡的变形趋势,结果表明预测效果良好。