富水覆岩采动裂隙扩展及潜水渗流过程模拟研究

采用固—液耦合相似模拟实验的方法,研究煤层开采中因顶板垮落、放顶垮落造成的顶板突水通道的变化规律。结合工程实践,系统分析了工作面富水覆岩因采动岩体裂隙动态发展的普遍规律、分布特征及含水层潜水的渗流过程;对煤岩体的变形和裂隙渗流机理进行了初步的探讨,可为煤矿顶板突水防治提供理论依据。     

极近距煤层群重复采动覆岩破坏规律相似模拟试验研究

针对近距离煤层群下行开采时重复采动引起的覆岩冲击性破断问题以及再生破碎顶板条件下工作面安全开采问题，以潘二矿11221,11223工作面为研究背景，通过物理相似模拟试验，对极近距煤层群重复采动覆岩破坏及裂隙发育规律进行了研究。结果表明，1煤工作面覆岩垮落带平均高度22 m,裂隙最大发育高度85 m,“两带”发育高度相当于采高的24.2倍；受3煤、1煤工作面联合采动影响，裂隙带相对向上发育增加15 m,覆岩采动充分垮落角基本对称，顶板破坏范围增大；随着工作面推进，煤层群顶板均经历垮落、裂隙发育、采空区冒矸被压实的演变过程，14 m厚的粗砂岩层作为关键层抑制裂隙向上发育，在回采结束后其下方产生较大离层；3煤顶板覆岩垮落形态近似呈非对称“Π”型，相对于3煤，1煤采完后，工作面呈现出“两大一小”的特征；“两带”高度发育大，垮落带和裂隙带的高度分别增加了46%、21%,顶板下沉量大，顶板垮落步距小，初次垮落步距和周期垮落步距明显减小，来压较为缓和。研究结果可为煤层群开采的围岩控制提供参考。     

薄基岩浅埋煤层覆岩运移流固耦合模拟实验

以石圪台矿薄基岩浅埋煤层为研究对象,解决了模型的密封性,实现了水压和水体的灵活加载,找到了隔水层材料配比。通过实验再现覆岩裂隙萌生、扩展及贯通全过程,上覆岩层不存在普通煤层开采的"三带",只存在垮落带和裂隙带"两带",导水裂隙带高度为6-16.4倍采高;顶板含水层使覆岩首先产生张裂隙,最终在采空区两端形成突水通道,造成顶板突水溃砂灾害。     

浅埋煤层地下水库流固耦合模型特征参数试验研究

煤层采动引起的岩体运移、裂隙演化与渗流特性对煤矿地下水库的设计建造具有重要影响,为获取地下水库围岩体物理特征参数,开展相似材料流固耦合模型试验研究,结合典型浅埋煤层水文地质及开采条件,建立了立体相似材料流固耦合模型。通过监测煤层开挖过程中顶板下沉量、煤柱应力、含水层渗压等特征参数的变化,研究了煤层采动过程中破断岩体运移、裂隙演化规律及扰动岩层渗流特性变化规律。试验结果表明:煤层开挖后,煤柱上覆岩层形成倒台阶结构,煤柱应力先增大后减小。顶板岩层先后经历"弯曲下沉—裂隙发育—破断垮落"的动态演化过程,岩层裂隙发育程度决定了形成的导水裂隙带数量,可用岩层渗压下降速率表征岩层裂隙发育程度。岩层大面积垮冒滞后于导水裂隙带形成,含水层渗压突变先于岩层突降下沉发生,可将含水层渗压突降作为顶板来压垮冒的预兆之一。     

富水覆岩采动裂隙渗流相似模拟研究

为了确保工作面在综放开采条件下安全生产,研究了采动过程中因顶板冒落、放顶垮落造成的顶板透水的灾害机理.结合具体工程地质条件,利用固-液耦合相似材料模拟方法对首采工作面综放开采过程进行了研究,分析了裂隙带与冒落带导水通道分布特征,总结了含水层潜水渗流规律.模拟结果表明,当工作面推进到300 m左右时覆岩主关键层断裂,裂隙带发展高度到达含水层,为顶板透水提供了可能的通道.在此基础上,分析了采动岩体的周期破断与裂隙发展过程,划分了顶板透水危险区域,其结论可为大佛寺煤矿顶板透水预测及防治提供依据.     

富水覆岩采动裂隙渗流相似模拟研究

为了确保工作面在综放开采条件下安全生产,研究了采动过程中因顶板冒落、放顶垮落造成的顶板透水的灾害机理.结合具体工程地质条件,利用固-液耦合相似材料模拟方法对首采工作面综放开采过程进行了研究,分析了裂隙带与冒落带导水通道分布特征,总结了含水层潜水渗流规律.模拟结果表明,当工作面推进到300 m左右时覆岩主关键层断裂,裂隙带发展高度到达含水层,为顶板透水提供了可能的通道.在此基础上,分析了采动岩体的周期破断与裂隙发展过程,划分了顶板透水危险区域,其结论可为大佛寺煤矿顶板透水预测及防治提供依据.     

"两软一硬"不稳定煤层工作面覆岩"两带"发育高度研究

为探索禹州煤田西南部云盖山煤矿二矿软煤、软底和硬顶(简称“两软一硬”)及开采煤层厚度变化较大的不稳定煤层顶板垮落带和导水断裂带发育高度,采用现场钻孔成像技术、经验公式类比分析和数值模拟综合研究方法,对该矿23301采煤工作面顶板覆岩垮落带、导水断裂带高度进行了分析,获得了工作面在非充分采动垮落和充分采动垮落条件下“两带”高度量化取值,垮落带最大高度为14.4 m,导水断裂带最大高度为50.0 m,认为现场钻孔成像技术可用于采动覆岩“两带”发育高度的计算。研究结果对研究区预采掘顶板水害防治及顶板支护具有较重要的参考价值。     

潘谢矿区采动岩体裂隙发育高度的研究

在分析淮南潘谢矿区覆岩工程地质岩组特征的基础上，建立了采动岩体力学计算模型，分析了巨厚松散强含水层下煤层在不同采高条件下采动岩体裂隙的演化规律，得出在不同采厚时采动裂隙发育高度最大74m．利用最小二乘法原理对采动岩体裂隙发育高度的实测数据进行拟合计算，得出潘谢矿区垮落带、导水断裂带高度的理论计算式．     

开滦东欢坨矿北二采区上行开采5煤层可行性分析

针对东欢坨矿北二采区上行开采5煤层可行性进行研究。在分析北二采区5煤层上行开采影响因素的基础上,采用"三带法"、"比值法"进行了初步的经验方法判别。建立工作面开采数值模型预测回采下部8煤层与上行开采5煤层后顶板裂缝带波及范围。经验判别得出5煤层位于8煤层垮落带之上,采动影响系数大于经验临界值7.5,上行开采5煤层可行。数值模拟了采动影响下围岩的扩容区,以体积应变大于等于0.025的等值线密集区视为导水裂隙区,得到8煤层回采顶板导水裂缝带最大高度为53m,上行开采5煤层后顶板导水裂缝带最大高度向上增长0.4m。下部8煤层开采将5煤层顶板改造为极软弱顶板,导致其裂缝带发育高度偏小,利于上行开采。     

应用UDEC进行顶板“三带”范围划分的数值模拟研究

顶板岩层垮落带与导水断裂带高度的划分,是进行瓦斯抽采及"三下"采煤等煤矿安全分析的重要影响因素。运用UDEC数值模拟软件,模拟赵庄煤矿3304综采工作面采动过程;结合岩层破断的理论分析,依据模拟结果中煤层顶板破坏特征及位移场的变化规律,确定受采动影响造成的顶板岩层垮落带与导水断裂带最大高度位置。结果表明:不同高度顶板岩层的最大下沉值随着顶板与煤层之间距离的增加而逐渐减小,直至基本稳定不变;通过分析煤层上方不同高度顶板岩层最大下沉值的变化规律,获得顶板岩层垮落带与导水断裂带高度分别为21.2 m和76.7 m,而现场分析结果为25.15 m和78.19 m,与数值模拟结果接近。     

长壁工作面充填开采的充填比与充填效应分析

为研究充填开采对回采工作面矿山压力显现和顶板裂隙发育高度的影响,从现场开采实践出发,建立长壁开采工作面充填开采的关键层力学模型,通过理论分析得到了确保关键层弯曲下沉的最小充填厚度.随后通过RFPA数值模拟系统对比了分析煤层实施充填开采和完全垮落法开采时的上覆岩层活动规律,分析认为工作面充填开采使工作面矿山压力显现明显减弱,顶板裂隙带高度明显降低;在有断层情况下,采动裂隙也沿断层带发育,顶板裂隙发育高度比完全垮落法时变化不大.     

和善煤矿“两带”高度数值模拟及实测研究北大核心

为探究上位煤层采动影响对下位煤层垮落带及导水裂隙带发育规律的影响,在理论分析的基础上,运用UDEC数值模拟软件,模拟了不同层间距上位煤层底板断裂带深度与下位煤层覆岩“两带”高度变化规律,并以实际工作面为背景,采用双端堵水器对覆岩“两带”高度进行实测。结果表明:9+10号煤垮落带高度为10.6 m,导水裂隙带高度为45.79 m,上位煤层开采对下位煤层导水裂隙带的发育高度存在一定影响,且基本呈负相关趋势,上下两煤层导水裂隙带存在贯通的可能性。     

综采工作面复合顶板采动裂隙发育规律数值模拟

基于古书院矿15#煤层152303工作面复合顶板采动裂隙的基础条件,采用RFPA模拟软件,模拟受采动影响工作面覆岩的变化规律,对工作面开采的垮落步距、卸压角等进行分析,研究覆岩最终垮落形态,结合理论计算确定"三带"高度。在对综采工作面煤层瓦斯赋存规律和瓦斯涌出来源分析的基础上,提出了高位钻孔抽采瓦斯的方法,最终确定综采工作面瓦斯治理技术措施及钻孔布置参数。     

红砖煤矿主采煤层顶底板突水危险性分析

根据红砖煤矿水文地质条件,推测井田内长兴组为中等岩溶含水层,茅口组为强含水层。采用顶板垮落带与导水断裂带高度计算法,分析了开采C1煤层时顶板突水危险性,同时采用底板安全隔水层厚度及突水系数法,分析了开采C10煤层时底板突水危险性。结果表明,在井田范围内C1煤层采掘作业时,顶板长兴组含水层对C1煤层有突水威胁;开采C10煤层时,由于受底板峨眉山玄武岩的隔水作用,在正常地段各煤层+800 m标高以上带压采掘作业茅口组强含水层对矿井没有突水威胁。另外,由于矿区范围内F3、F4、F8断层作用,上盘各煤层与茅口组地层间距拉近,导致在断层附近各煤层采掘作业时有突水危险。     

第四系松散含水层下煤层开采突水危险性及防水煤柱确定方法

通过理论分析提出了松散含水层突水危险系数概念,建立了第四系松散含水层下煤层开采突水危险性评价和防水煤柱留设的理论与方法.研究结果表明,开采煤层顶界至第四系松散含水层底界之间距离减去开采煤层一次采全高形成的冒落裂隙带高度为有效保护层厚度,若有效保护层厚度小于零,第四系松散含水层可能涌入回采工作面,造成顶板突水.若有效保护层厚度大于零,其突水危险性采用松散含水层水压与有效保护层厚度之比值,即松散含水层突水危险系数来评价.在此基础上,提出了根据松散含水层内的水压值确定保护层的厚度和合理的防水煤柱值.采用该方法对开滦东欢坨井田8煤层开采时第四系松散含水层的突水危险性和防水煤柱进行了评价,评价结果与实际相吻合.     

软弱覆岩强含水层下综放开采覆岩破坏特征实测研究

针对敏东一矿16-3煤层顶板软弱岩层存在强含水层的问题,采用工程类比和现场钻孔冲洗液漏失量观测的方法研究了软弱覆岩强含水层下综放开采覆岩采动破坏的特征,确定了冒落带和导水裂隙带的高度。工程类比预估的导水裂隙带高度为43~90 m,冒落带高度为10~34 m;实测结果表明导水裂隙带顶点位于地表下246.22 m深度,距离煤层顶板83.78 m,冒落带顶点位于地表下293.35 m处,距离煤层顶板36.65 m;现场实测和工程类比预计的两带高度基本吻合,验证了本文研究方法对软弱覆岩强含水层下综放开采覆岩采动破坏特征研究的可行性。     

厚煤层开采垮落带及导水裂缝带高度探测方法

为研究厚煤层综放开采(一次采全高放顶煤)、中硬~坚硬覆岩条件下厚煤层开采顶板垮落带及导水裂缝带发育高度,以鹤岗矿区为例,采用冲洗液漏失量观测、水位观测,井下彩色电视观测法、超声波成像测井法等现场实测方法及室内相似材料模拟、FLAC3D数值模拟等方法进行探测研究,确定其垮落带及导水裂缝带高度,推导了适合鹤岗矿区厚煤层开采的垮落带及导水裂缝带高度的预测公式,对其进行了验证,总结出了适合厚煤层顶板垮落带及导水裂缝带发育高度的探测体系。     

门克庆矿31201工作面复合水体下安全开采技术研究

为评估门克庆矿31201工作面顶板复合水体下煤层开采的安全可靠性,采用理论计算、数值模拟和理论分析的方法,研究了工作面顶板水充水规律和疏降开采的渗流场演变规律,给出了合理的开采技术方案。研究结果表明,3-1煤层覆岩均属于中硬类型,覆岩破坏高度可以按照裂采比15、垮采比6进行预计;门克庆矿首采区工作面直接充水含水层是可疏、可降的;且采前钻孔疏放水使31201工作面初采区域采动裂隙发育高度范围内的含水层水位降至设计值是可行的。上述研究成果可指导工作面的安全开采,为防治水方案提供可靠依据,同时对类似地质条件的水体下采煤提供借鉴。     

基于AHP与GIS的煤层顶板突水危险性评价

为准确评价赵家寨矿12采区东翼二₁煤层顶板突水问题,选取导水裂隙带高度、导水裂隙带高度范围内的含水层厚度、新近系含水层的富水性、剩余黏土层厚度、断层分维值5个因素作为煤层顶板突水的主控因素,运用层次分析法确定各主控因素对总目标的影响权重,并通过自然分级法确定研究区的分区阈值,最终获得了研究区二₁煤层顶板突水危险性评价模型。评价结果与后期工作面开采的疏水结果相一致,实际疏放水量与预测静水储量吻合度达96.7%,实现了二₁煤层的安全回采。     

缓倾斜冲击倾向性顶板特厚煤层重复采动下覆岩两带发育规律研究

针对缓倾斜冲击倾向性顶板特厚煤层重复采动影响下覆岩裂隙发育规律,采用物理相似材料模拟实验,运用钻孔电视、微震监测系统与离散元软件相结合的分析方法,研究了该条件下覆岩裂隙的分布特征与两带发育规律。结果表明:钻孔电视所测覆岩裂隙数量基本随深度呈递增趋势,在宽沟煤矿冲击倾向性顶板特厚煤层重复采动后,物理模型覆岩主要受到北偏西23°方向的采动应力场作用,使裂隙主要集中在292°～22°与112°～220°区域内;钻孔监测B4-1煤层回采后,垮落带、裂隙带高度约为煤厚的3.7倍、16倍,冲击倾向性顶板B2特厚煤层重复采动后,垮落带、裂隙带高度约为已采煤层累积厚度的4.7倍、10.2倍;微震监测结果验证了钻孔监测与离散元分析结果的准确性,3种分析方法表明裂隙带经验公式之二的计算结果基本符合冲击倾向性顶板在重复采动下的高度,因冲击倾向性顶板裂隙扩展明显,在运用此公式估计冲击倾向性顶板重复采动下的裂隙带高度时应将计算值提高8.6%以保证保水开采的顺利进行,该研究结果为冲击倾向性顶板重复采动下保水开采问题的解决提供了科学指导。