生态脆弱矿区松散含水层下采煤保护土层合理厚度

为保护生态脆弱矿区的生态潜水位,对采煤保护土层厚度的合理厚度进行研究。基于地下水动力学,分析了采动潜水位越流变化机理,并采用水-电相似模拟技术,模拟了采后不同有效隔水层厚度及其物理特性条件下潜水位变化规律。研究结果表明:煤炭开采,越流水位差越大,采后有效隔水层隔水能力越差,采动潜水位降深越大。研究区典型地质条件下,采后有效隔水层为42.6 m的离石黄土或21.0 m的保德红土时,潜水不会显著漏失。多种软件耦合实现了煤炭开采工作面水-电相似模拟,得到了研究区典型采矿地质条件下不同有效隔水层厚度与潜水位降深的关系,水-电模拟结果与理论研究结果相吻合,并得到了工程实践的初步验证。     

底板隔水层岩性组合特征对隔水性能的影响

带压开采是解决受底板突水威胁煤层的有效方法之一;而底板隔水层阻隔水能力是影响带压开采安全性的重要因素.运用理论分析、物理试验和数值模拟手段,就底板隔水层的不同岩层岩性特征对其阻隔水性能的影响进行研究,得到了工作面推进过程中底板隔水岩层的变形、应力及破坏特征和渗流分布特征,讨论了3种组合情况下底板隔水层的结构稳定性和渗流稳定性,比较分析了软、硬岩层的不同组成方式对底板隔水性能的影响.     

采动覆岩隔水层稳定性力学模型及应用研究

为了研究覆岩隔水层的稳定性,预防煤矿顶板突水灾害,实现保水采煤,本文将单一岩层形成的顶板隔水层简化为地基上四边固支的薄板,考虑了隔水层以下破碎岩体对隔水层的支撑作用,根据能量法推导了其挠度以及应力表达式,得到了覆岩隔水层应力分布特性,求出了临界载荷随工作面推进距离的变化规律,并结合具体工程实例,利用数值模拟软件进行了覆岩隔水层稳定性分析。研究结果表明:1)煤层开采后,覆岩隔水层在长边边缘中间应力最大,容易发生破坏;2)破碎岩体的支撑作用对隔水层的稳定性具有重要的影响,煤层采厚越小,破碎岩体对覆岩隔水的支撑作用越强,隔水层越不容易破断。研究成果可为煤矿顶板防治水研究以及保水采煤实践提供一定的参考。     

红土隔水层相似材料优化配比研究及应用

红土隔水层模拟材料的相似性是研究隔水土层裂缝发育规律的基础和前提。为提高红土隔水层相似材料模拟的相似性,以陕北榆林某矿隔水层裂缝发育规律为研究对象,采用优化配比试验、数据拟合分析和现场实测等研究方法,对红土隔水层相似材料最优配比进行研究。通过实验室测试和现场测试,验证优化前后隔水层模拟材料的相似性。研究结果表明:沙土比为1∶5,机油含量为19.5%时,相似模拟材料单轴抗压强度与红土相似度达98.5%;当骨胶比为7∶1,沙土比1∶5,相似模拟材料含水率和膨胀率与红土相似度可达85.4%和84.5%;红土隔水层相似模拟材料的最优配比为骨胶比7∶1,沙土比1∶5,机油19.5%,相似比1∶200与红土隔水层材料相似度达92.5%;实验室和现场实测验证发现,优化后红土隔水层相似材料比原相似材料模拟效果提高50%,模拟试验的隔水层裂缝发育特征与现场观测基本一致。该研究可为红土隔水层裂缝发育规律研究提供借鉴和参考。     

黏土隔水层的应力应变全程相似模拟材料和配比实验研究

通过对榆树湾煤矿黏土和黄土隔水层岩样的力学实验,获得原型的相似应力应变全程曲线。根据以往的研究经验,确定河沙、黏土、菜籽油和水为相似配比材料,采用变单因素分析法,将沙、土、油和水进行配比实验,比对相似材料的应力应变全程曲线,考虑材料破坏的峰值强度和应变及残余强度和应变等主要因素,得出普通润滑油是理想的塑性影响剂,并获得了最佳黏土隔水层相似配比。研究实现了对黏土隔水层应力-应变全程相似,为隔水层稳定性和保水开采的相似模拟研究提供了有效方法。     

黏土隔水层相似材料胶结剂的正交实验分析

采动隔水层的稳定性模拟是研究浅埋煤层保水开采的关键，隔水层相似模拟材料的开发则是模拟实验的基础．借助正交实验方法，将备选的胶结材料硅油、水玻璃和凡士林作为影响实验的几个因素，对其变形性（弹性模量E）和水理性（渗透性v）进行正交实验，确定了硅油是最佳的低强度非亲水胶结剂，而凡士林为最佳的塑性变形的胶结材料，黏土对强度和塑性以及水理性都具有显著影响．从强度、塑性和裂隙弥合性等方面，对材料的配比进行了研究，得出了可以全面模拟隔水层的应力应变全程性质和水理性的相似模拟材料与配比．     

煤矿顶底板隔水关键层分析与破坏能力评价

为了研究煤矿顶底板隔水关键层及其破坏能力,根据采空区分布平面和主要含水层,分析了煤层顶底板物理力学参数和煤层隔水层结构,采用理论公式计算了煤层顶底板破坏高度和深度,采用数值模拟软件,分析了一采区、二采区和三采区顶底板破坏范围随工作面推进距离的变化规律。研究对实现煤层带压安全开采具有重要的指导意义。     

重复采动影响下采场底板隔水层裂隙演化规律试验研究

我国华北型矿区均受石炭二叠纪煤系底部的太灰、奥灰强含水层影响。为分析带压开采过程中,受采动应力及水压双重作用下,煤层底板隔水层承载变形特征及其破坏机理,设计了承压水自动加载系统,通过物理模拟试验再现底板隔水层重复采动影响下裂隙萌生、扩展、贯通等破坏失稳过程。明确底板不同层位的裂隙分布及其形成机理,并通过全场位移监测系统得出底板岩层移动变形规律及位移分区特征。     

深部开采底板破坏及高承压突水模式、前兆与防治

以深部开采底板承压超过5 MPa的特殊条件为研究对象,围绕复杂结构底板隔水层采动破坏及其诱发高承压突水这一核心问题,以大量突水资料为背景,分析了底板突水的形成及影响因素、水岩相互作用、时空分布及规律,总结了底板突水的两类基本模式,即完整型底板突水模式和断裂构造型底板突水模式。采用现场实测、数值模拟及物理模拟等手段,揭示了深部开采条件下底板隔水层的采动破坏规律,即在底板承压超过5 MPa条件下,工作面底板隔水层受超前应力破坏明显,深度一般在25 m左右;在相同底板隔水层结构和开采条件下,随着水压的升高,底板破坏深度及范围不断增大;工作面底板不同位置的破坏范围具有差异性,从工作面正下方往采空区方向由倒马鞍形逐步过渡到倒梯形。利用高承压矿井突水模拟试验系统,设计并完成了单一结构、多层组合结构以及断裂结构底板隔水层条件的底板高承压突水模拟试验,揭示了不同底板结构模型突水的压力及孔隙水压力变化特征,试验结果表明:采动引起的底板压力及孔隙水压力呈周期性波动,与工作面推进距离有关。突水通道形成过程中,各参数均表现为较大幅度升高并剧烈波动;通道一旦形成并发生突水时,压力和孔隙水压力均急剧下降,并稳定在某一范围,试验结果表明,...     

陕西某矿承压水上采场底板破坏规律研究

为研究陕西某矿承压水上采场底板破坏规律,以陕西某矿10~#煤层为研究背景,针对其底板主要是受到奥灰水影响的实际情况进行研究。通过理论分析和对煤层开挖过程中不同水压和隔水层厚度进行数值模拟,得出了承压水上采场底板破坏的规律。研究表明底板的破坏范围会随着煤层开挖距离的增大而扩大,在煤层开挖120 m之后,底板破坏的深度渐渐稳定。底板受到的水压大小和隔水层厚度都会对底板的破坏产生影响,其中隔水层的厚度起到的作用较大。     

Study on water resisting property of subsurface aquiclude in shallow coal seam mining

According to the characteristic of clay aquiclude of overburden, the proper simulation materials and proportions of mixture for simulating the plastic clay aquiclude layers were developed, and the plastic similarity conditions were setup. Thus, the similitude and simulation method in whole stress-strain was progressed. Furthermore, the simulation condition and material proportions in water reaction property and crack closing property were also put forward. Based on systematical tests, the development and distribution of mined cracks in roof and subsurface aquiclude was found and the stability of aquiclude was analyzed at all. At last, the key section and key index of aquclude stability was advanced. It is found that the movement of clay aquiclude follows the movement of the underlying bedrock layers. The basic caving mechanism of the overburden roof strata was also presented. Supported by the National Natural Science Foundation of China(50375026); the Key Program of Science and Technology of the Ministry of Education of China (204183); the Program for New Century Excellent Talents in University of China (NCET-04-0971)     

底板岩层在采动过程中破坏演变规律的数值模拟研究

本文对采场采动过程中工作面底板隔水层的运移变形和稳定性演变特征进行数值模拟研究,选择的数值模拟软件为FLAC3D,同时考虑数值模拟计算的难度和计算机的运行负荷对模型做出合理假设。认为采空区围岩塑性屈服方式主要为拉剪复合破坏,其中底板岩层在围岩综合应力的作用下发生拉剪混合破坏。设定峰峰组不具有隔水性,厚度为18m时,隔水层底板未出现原位张裂区域,开采完成后峰峰组含水层与底板相互贯通,工作面底板突水形成;当工作面底板隔水层厚度较大时,施加水压对底板破坏深度的影响效果不明显。     

Research on downward crack closing of clay aquiclude in shallow coal seam safety mining

The water resisting property of aquiclude is the key factor of water conservation and safety mining, and the mining induced cracks in aquiclude is major factor of water resisting property. The aquiclude is composed by loess layer and red clay layer in Yushuwan Coal Mine, and the water reaction property of clay and loess of aquiclude was tested by soil mechanics method. The permeability coefficient of the loess is 0.856 m/d and the clay is 0.434 m/d. The dilatability coefficient of the loess is 16.1% and the clay is 14.6%. Through physical solid-liquid simulation with whole stress-stain similarity, the distribution of “downward crack zone” and “upward crack zone” was found to be the major factor of aquiclude stability. The downward crack closing length is about 30% of the downward crack length. The expanding of clay and loess with water are principal factors of downward crack closing. At last, the mechanical model of downward crack closing was constructed, and the criterion of crack closing was put forward at all. This work will provides the theoretical base for aquiclude stability research and safety mining in shallow seam.     

毛乌素沙漠区广域适应型保水安全厚度计算及开采影响分区评价

毛乌素沙漠区多个近地表含水层支撑着区域生态环境、生产和生活,开展保水采煤研究势在必行。而"保水安全厚度"计算作为保水采煤研究的核心内容,由于各近地含水层的性质以及所处垂向位置的差异,导致了针对毛乌素沙漠区的保水安全厚度计算方法适用范围有限、缺乏统一性。通过分析毛乌素沙漠区内含隔水层在垂向和平面上的展布特征、水文地质性质,结合不同区域内的工程地质条件和开采方法,探讨了保水安全厚度的定义。将煤层之上地层划分为目标保护层、预测导水段(导水裂隙带发育段)和等效保水段(由有效黏土隔水层和基岩层组成的保水段)。利用水均衡法分析了黏土隔水层与基岩层间的保水性能关系,通过"保水比例系数"形成了黏土隔水层与基岩层间统一的等效保水段计算方法。建立了具有能够适用毛乌素沙漠区内"沙-基(岩)型开采区"、"沙-土-基(岩)型开采区"、"沙-土-洛(洛河组含水层)-基型开采区"、"烧变岩型开采区"等主要不同地质条件的保水安全厚度计算模型。根据导水裂隙带的发育高度与黏土隔水层、基岩层间的导通特征以及煤水间距与保水安全厚度的大小关系,制定了煤层开采影响的自然保水区、一般失水区和严重失水区的分区标准。并以榆神矿区小保当煤矿为例,应用建立的统一模型确定了小保当井田内砂-基型和砂-土-基型开采区内的保水安全厚度,并据此评价了煤层开采对潜水含水层的影响。所建立的保水安全开采厚度计算模型以及开采分区评价标准具有良好的适应性,也为保水采煤研究中有关保水安全厚度的计算和煤层开采对上覆含水层的影响评价提供了新思路。     

非均布高压水对采煤工作面底板隔水岩层破坏特征及其突水条件研究

针对深部煤炭资源开采严重受底板高承压岩溶水害威胁的现实问题,为进一步认识工作面底板岩溶水突出机理,有效评价和防范矿井突水灾害,确保矿井安全开采,从岩溶地质与岩溶发育的根本规律方面研究分析了底板高压水含水介质结构特征及高压水对工作面底板隔水岩层的作用力方式,提出高压水对其上覆隔水岩层具有非均布水压作用力的基本概念,并将非均布水压作用方式概化为4种基本类型。通过数学与力学理论分析和数值模拟计算,分析研究了不同类型非均布水压力对其上覆隔水岩层的破坏特征及其诱发突水的条件,得出非均布水压力对隔水岩层的破坏程度明显小于均布水压的重要认识。在相同的水压力条件下,不同的非均布水压作用方式,对其上覆隔水层的破坏程度有明显差异,在煤层走向上水压作用范围越大则底板破坏范围和深度越大,在煤层倾向上水压作用范围的大小对于底板破坏范围及程度的影响相对较小。     

条带充填保水开采隔水岩组力学模型研究

根据特殊保水开采区典型条件,针对2个等间距充填条带的隔水岩组稳定性进行了物理模拟实验和理论分析,提出了条带充填隔水岩组弹性基础梁力学模型,给出了充填条带压缩量和隔水岩组的挠度计算公式,确定了下行裂隙的位置和发育深度。基于隔水层稳定性判据,提出了合理的充填间隔宽度和充填条带宽度计算方法。结果表明,合理的充填条带宽度和充填间隔宽度主要与充填条带压缩率、隔水岩组厚度与强度及采高有关,充填间隔宽度随隔水岩组厚度、强度和采高的增大而增大,下行裂隙的发育深度随充填条带压缩量的增大而增大。     

Roadway Backfill Coal Mining to Preserve Surface Water in Western China

In China’s western eco-environmental area, water resources are very valuable. Longwall mining can cause these shallow water resources to leak, so most mines in this area use room-and pillar mining to prevent water inrush and protect water resources. However, over time, coal pillars can become unstable and collapse. To protect water resources and improve coal recovery, roadway backfill coal mining was proposed for the Ershike Coal Mine. The mechanical properties of backfill materials with different ratios of aeolian sand, fly ash, and Portland cement were studied in the laboratory to obtain an optimal ratio. Also, a 2-D physical simulation model was established to explore the development of mining-induced fractures and to conduct a stability analysis of aquiclude strata. The results can be used to guide coal mining in the study area and to protect local water resources.     

深部承压水上底抽巷围岩破坏特征及合理位置

针对赵固二矿区域瓦斯治理需开掘底抽巷与承压水上开掘底抽巷易引发底板突水之间的矛盾,通过承压水影响下的圆形巷道围岩塑性区边界方程,分析了底抽巷围岩塑性区的分布特征与底板突水危险性之间的关系;采用数值模拟研究了工作面开挖后的底板应力分布状态及底抽巷布置在不同位置时的围岩破坏特征及相应的突水危险性。结果表明:底抽巷围岩塑性区的非均匀分布会显著减小底板隔水层厚度,增加底板突水危险;工作面开挖后底板应力根据其双向应力比值大小及应力加卸载状态可分为4个区域且按对底板突水危险的影响程度可排序为:卸压高应力比值区卸压应力比值稳定区增压低应力比值区原岩应力比值区。据此提出了赵固二矿底抽巷的合理位置为沿待采工作面法向布置,并在规划的煤柱中部下方的L9灰岩上部砂质泥岩层中沿底掘进。     

底板裂隙型突水机理三维数值模拟研究

 永夏矿区矿井生产受到太原组灰岩水的严重威胁,特别是底板裂隙引起的灰岩突水更是严重影响矿井安全生产和经济效益。根据裂隙切割底板隔水层引发突水的情况,把底板裂隙突水分为导通式裂隙突水和递进导升式裂隙突水两种类型,并利用Flac3d软件对这两种类型的突水机理进行了模拟研究,为底板裂隙突水的防治提供了一定的理论依据.