中深埋煤层多工作面开采地表沉陷特征研究

为研究中深埋煤层多工作面开采的地表沉陷特征，采用FLAC3D模拟小保当一号井112201工作面及两侧相邻工作面先后开采的覆岩破坏、应力变化和地表移动特征。研究表明：112201工作面单独开采，覆岩塑性破坏表现为中间低、两侧高的“凹”形，覆岩最大破坏高度达165m, 112202工作面的开采使老采空区覆岩二次破坏高度增大6.67%,112207工作面开采使老采空区覆岩三次破坏高度增大10.91%;相邻工作面的开采使112201工作面覆岩应力变化经历“稳定—打破—初步稳定—二次打破—再稳定—三次打破—终稳定”的复杂过程；112201工作面开采形成的地表移动盆地范围受相邻两侧工作面开采的影响而变大，且沉陷中心向两侧扩大，相邻工作面的沉陷中心则偏向112201工作面老采空区一侧；岩移观测资料显示，单工作面倾向地表下沉曲线表现为“V”形，相邻工作面的开采使其地表最大下沉量增大了6.08%,地表下沉曲线最终表现为“W”形。     

深井膏体充填开采支承压力与采空区应力分布规律研究

随着煤炭开采强度增高,采空区上覆岩层运动导致矿山灾害频发,膏体充填作为阻碍上覆岩层运动的重要措施,研究膏体充填对工作面开采覆岩运动规律的影响对矿山安全生产至关重要。为明确膏体充填效果,通过安装应力计获取超前支承压力、侧向支承压力、膏体应力等相关信息。监测结果表明,超前支承压力的扰动过程可分为初始影响及显著影响2个阶段;超前工作面时,侧向22 m外的煤体基本不受侧向支承压力影响;深入采空区后,侧向支承压力影响范围约为20 m;膏体的应力变化大致分为快速增长及稳定增长2个阶段,采空区顶板与膏体初期接触导致应力快速增加,当顶板运动结束后,膏体应力保持稳定。     

金属矿山开采过程上覆岩层应力与变形特征

采用数值分析方法, 研究了动态开采过程中金属矿山采空区覆岩在拉应力、垂直应力作用下的位移及变形破坏特征。研究发现拉应力对覆岩造成的破坏较其它应力显著, 是覆岩垮落的主导因素。分析覆岩内部垂直应力发现: 开采初期覆岩内部压应力显著, 随着开采进行, 在采空区的正上方, 压应力逐渐向拉应力过渡; 垂直应力呈“凹”形分布在采空区两端部, 其形状和应力值随采空区的增大而增大。随着工作面的推进, 覆岩下沉范围和下沉量均逐渐增大; 下沉曲线的最大下沉点, 向工作面推进方向逐渐移动; 下沉曲线的光滑程度体现了监测点在覆岩所属区域是弹性区、塑性区还是垮落区。研究结果可为矿山围岩支护提供一定参考依据。     

煤层群开采覆岩运移规律及“三带”高度确定

为研究煤层群开采条件下覆岩移动规律及“三带”分布范围，基于神东布尔台煤矿42106工作面概况，采用相似模型物理实验方法模拟了2^-2煤及4^-2煤2层煤先后开采的覆岩移动变化特征，分别就覆岩垮落特征、应力变化、岩层下沉量3个方面进行了对比分析。结果表明：上煤层工作面开采结束后，覆岩破坏程度整体较低，应力峰值主要存在工作面超前影响区域，存在块体铰接等现象；下层煤开采后裂隙带与上层煤采空区沟通，导致复合煤层采空区的断裂带远大于上煤采后的断裂带，应力相比上煤层整体较大，且顶板下沉量显著增大，覆岩历经离层、离层增大，最终闭合3个阶段。通过观测点数据测量确定了42106工作面“三带”高度，并在现场进行钻孔监测，验证了相似物理模拟结果的合理性。     

仰斜开采覆岩应力分布及裂隙演化规律物理模拟试验

为揭示仰斜开采过程中采场覆岩应力及裂隙演化规律,采用物理相似模拟试验进行了研究,得到了仰斜开采工作面底板支承压力沿推进方向的区域划分,支承压力峰值的变化,以及采场覆岩"三带"高度与卸压裂隙区宽度等随着工作面推进的变化规律。     

孤岛工作面过上覆采空区采场及顶板应力演化规律研究

基于孤岛工作面过上覆采空区采场及顶板应力演化规律，得出孤岛工作面过上覆采空区过程中顶板的重点管控区域，并以榆家梁煤矿52209综采工作面为工程背景，采用弹性薄板理论和GDEM数值模拟软件对其覆岩受力状态进行分析，结果表明：孤岛工作面过上覆采空区时，煤体受力呈现非对称分布，上覆采空区影响范围可分为应力影响区、冒落卸压区和压实稳定区。最终得出，工作面进入冒落卸压区和压实稳定区过程中，压力显现不强烈，与正常回采区域相比无明显变化，此区域为次要管控区域，进入应力影响区过程中，尤其在上覆采空区外侧20m范围内，压力显现特别强烈，此区域为重点管控区域，为工作面安全高效开采、避免顶板事故提供一定的理论依据。     

开采覆岩运动特征及动力响应的数值模拟研究

以地质单元勘查研究报告为背景,应用计算机对某煤矿厚岩浆岩下煤层开采时覆岩移动规律及其动力响应进行了数值模拟分析,得到:①由于岩浆岩这种特殊岩层的存在,使采空区上覆岩层的运动规律发生变异;②岩浆岩存在时,岩体内的应力、变形及位移的变化趋势,揭示了工作面开拓过程中岩体内应力的重新分布过程、工作面支承压力和支架阻力的变异性。     

特厚煤层相邻工作面开采覆岩运移规律研究

为了掌握相邻工作面煤层开采后覆岩运移规律,采用FLAC有限元软件模拟某矿相邻工作面先后开采后覆岩应力、位移和塑性破坏特征。结果表明:相邻采空区残余支承压力在中间区段煤柱叠加,煤柱覆岩在极大应力的作用下产生较大的垂直位移和剪切破坏,使得两侧采空区高位覆岩向下同步运动;采空区覆岩随工作面回采呈现"增大-稳定"的拱形破坏,沿倾向形成双拱破坏,其与中间煤柱覆岩较大的剪切耦合形成1个横跨两采空区的破坏拱。最后通过现场钻孔窥视证实覆岩运移破坏特征,并结合经验公式得到相邻工作面开采覆岩"两带"破坏高度取估算上限值更为合理。     

急倾斜薄煤层仰斜开采覆岩应力分布特征研究

为了确保急倾斜薄煤层的安全回采,基于龙湖煤矿南二采区急倾斜煤层的赋存条件和水文工程地质条件,采用离散元UDEC数值计算,研究了急倾斜煤层仰斜开采条件下上覆岩层的应力分布特征和破坏规律。结果表明：急倾斜煤层仰斜开采实体煤侧和工作面前方均存在应力增高区,其应力集中程度随工作面推进呈抛物线和线性增大趋势;急倾斜煤层开采采空区上方为应力降低区,将主应力轨迹线连接形成应力卸压拱,卸压拱拱高和拱角均随工作面推进呈增大趋势,其形状随工作面推进由对称拱—非对称拱—平顶拱转变,卸压拱形态反映出覆岩不同岩层间的应力传递关系,与覆岩的离层位置密切相关。     

相邻综采工作面采空区覆岩压力分布特征研究北大核心

工作面推采后,采空区压力要经历1个从增长到稳定的过程,在此期间,采空区压力大小分布及增长速率对工作面安全生产及周边巷道支护有着直接影响。为深入研究相邻采面推采后采空区覆岩压力分布特征,通过现场数据实测以及理论分析相结合的方法,对相邻综采工作面采空区覆岩压力分布特征进行研究,得到了采空区压力在走向及倾向方向上的分布规律。结果表明:采空区覆岩压力稳定后,采空区倾向覆岩压力呈“□”类抛物线型分布,具体表现为采空区中部>采空区下部>采空区上部;采空区走向覆岩压力变化分为压力值初始增长期、压力值缓慢上升期、压力值快速增长期、压力值逐步稳定期4个阶段。     

采空区上覆岩层应力恢复规律的模拟分析

通过数值模拟方法对工作面支承压力及采空区应力的分布规律进行分析,得到工作面及岩层采空区应力恢复距离在覆岩内部的变化规律。依据煤层极限平衡区和弹性区的支承压力分布函数的表达式,通过载荷守恒原理对采空区应力恢复函数进行分析,得到了采动岩层采空区应力恢复函数中增长系数的变化规律。结果表明:工作面支承压力峰值位于煤壁前15 m附近,其峰值为18.5 MPa,应力集中系数为2.52,上述参数与理论计算结果误差较小,证明了数值模型计算的准确性;当岩层与煤层的垂距越大时,采空区应力恢复距离越大,且岩层采空区应力恢复距离与其和煤层的距离呈现线性增加的关系。根据采动岩层空间载荷守恒原则,采动岩层采空区应力恢复函数的形态呈现出“上凸”的形态,并且岩层与煤层垂距越大,其“上凸”的形态越明显,采空区应力恢复的过程越快。     

煤层开采土体应力路径分析

煤层开采随着工作面的推进,覆岩变形引起上部土体的变形和移动,上部土体的应力路径随之改变.使用弹塑性有限元方法分析了煤层开采其土体应力变化的特征,进行不同的应力路径分区,通过对六个代表性的分区分析得到:两侧煤柱上方土体的应力路径变化的区域基本在K0线以上,处于压缩变形状态;采空区上方土体的应力路径变化的区域则在K0线以下,且在某些部位可能位于p轴以下,处于拉伸状态.     

大采高工作面覆岩空间结构变化矿压显现规律研究

为研究工作面回采过程中，在经历不同的采空边界条件下，工作面不同覆岩空间结构变化及对矿压显现的影响，基于理论计算、微震监测、应力在线监测等方法，对母杜柴登煤矿30202工作面回采期间所形成的不同覆岩结构类型进行分析，得到不同覆岩空间结构下强矿压显现特征及危险区分布规律。研究结果表明：30202工作面回采过程中，先后经历“一面为自身采空区，三面为实体煤”到“两面为采空区，两面为实体煤”的边界条件，其覆岩空间结构相应的会经历“O”型、“O-S”型到“S”型覆岩结构转换和稳定的过程。工作面在“一面采空”条件下，回采过程中发生强矿压的危险性较小|工作面在经历“一面采空”到“两面采空”边界条件转变过程中，其临近已采工作面采空区侧及其端头煤发生强矿压的危险性较上一阶段明显增加|在“两面采空”条件下，本工作面高位岩层与相邻采空区上覆未回转下沉的高位岩梁容易产生连动，形成高位、跨度大的岩梁失稳，使得30202工作面回风巷侧在叠加应力影响下容易发生强矿压。研究结果可为工作面在不同开采条件下采场矿压特征分析、顶板控制和巷道支护设计提供一定借鉴。     

不规则采空区下特厚煤层综放面矿压规律研究

针对山西宁武榆树坡煤矿不规则采空区下特厚煤层综放开采的问题，采用3DEC数值模拟软件，模拟分析了下层特厚煤层综放开采过程中受上覆不规则采空区影响下的矿压显现规律，得到了采空区与工作面不同空间位置关系下顶板岩层应力演化及位移变化特征。结果表明：上覆不规则采空区与工作面的空间位置关系对工作面矿压规律影响较为显著，工作面推进至上覆采空区影响范围内顶板岩层应力及位移变化均有显著增大，研究可指导采空区下特厚煤层开采矿压控制。     

浅埋煤层长壁工作面围岩动态结构及应力特征分析

地下煤层开采后的覆岩结构是覆岩破断和运移的结果,实质是煤层开采后围岩应力重新分布的表现。以浅埋深长壁工作面围岩应力结构为研究对象,利用数值模拟和理论分析方法,从煤层开采后围岩应力场分布规律入手,研究了围岩应力结构的形成与失稳过程,分析了覆岩受力情况。结果表明:浅埋工作面开采后的采场围岩中形成类椭球体的高应力区域,该应力承载结构随着工作面开采在沿工作面倾向、走向及垂直高度上不断发展变化,直至基岩层全部断裂后失稳破坏;初次失稳破坏后,该空间应力承载结构的后方支撑点会迁移至采空区压实矸石上,继续对工作面回采空间提供围岩应力的承载,其形成与失稳是受工作面回采影响的动态演化过程。基于此建立该空间应力结构沿工作面走向的承压拱力学模型,推导出其在覆岩中的形态参数方程和极限状态下的高度及跨距。根据极限承压拱迹线为各岩层弯矩为零的连接线,得到了承压拱迹线上任一位置处的力学状态。结合浅埋深煤层开采后基本顶及其基岩层周期性断裂特征的实践,认为承压拱结构的发展变化规律符合"悬臂梁-铰接岩梁"结构失稳特点,所得结论为浅埋深工作面顶板结构形式及其稳定性研究提供参考。     

复合煤层群双重卸压应力时空演化规律研究

为探索复合煤层群保护层开采过程中,在双重卸压条件下首采保护层和次采保护层过程中卸压特征的不同,采用相似材料实验、计算机数值模拟研究双重卸压覆岩裂隙发育、变形特征和应力分布时空演化规律,通过对比分析表明:在二次保护层开采条件下,覆岩部分裂隙经历了二次扩张,压实,吻合,部分裂隙在空间上往深部发育,裂隙带高度范围增加。应力在首采保护层应力状态的影响下进行再分布,随开采过程形成了5个应力分布区域,分别为工作面超前应力集中区、卸压区、压实区、采空区后方应力集中区、原岩应力区。双重卸压下采空区两端卸压效果更为显著,超前应力集中系数较首采保护层要高,采空区压实速度较首采保护层快,同时被保护层卸压程度和范围均显著增加。     

大柳塔煤矿多煤层开采覆岩变形破坏模拟研究

针对大柳塔煤矿远距离多煤层开采冒裂带发育及采动影响问题,通过相似模拟和数值模拟计算,系统研究了2个主采煤层开采过程中覆岩垮落、裂隙发育及地表沉陷规律。研究结果表明：浅部2-2煤覆岩主关键层破断后,顶板基岩会发生直达地表的整体切落现象,5-2煤一次采全高长壁开采冒裂带连通上部采空区,形成工作面涌水的导水通道;重复采动岩层与地表移动和变形值增大,非连续性破坏增加;采空区上覆岩体依据主应力分布可划分为双向拉应力区、拉压应力区和压应力区3个区,主应力状态对采动裂隙的形成、发育起着控制作用;采动影响与工作面几何参数密切相关,地表沉陷随着工作面斜长或采厚的降低而减小。研究成果对大柳塔及类似条件下的煤矿安全开采与设计有指导意义。     

基于曲梁理论的褶皱构造中覆岩变形与应力分析

为了分析褶皱构造中煤层开采后覆岩的变形与应力,引入了适用于极坐标下曲梁的位移函数,分析了用位移函数表示的曲梁偏微分控制方程和位移分量、应力分量;在此基础上,依据差分原理将微分方程转化为差分方程,并编制了差分方程求解程序。根据某矿区工作面的褶皱构造等地质资料,研究了工作面由向斜槽点推进到背斜脊点过程中覆岩的变形与应力。结果表明:1)覆岩水平位移主要表现为向采空区方向的变形,且最大水平位移主要表现在转折端附近;覆岩垂直位移主要表现为向采空区方向的下沉变形,且在工作面的推进过程中最大垂直位移稳定在距离开切眼70 m附近。2)覆岩中水平方向的应力在切眼前方为拉应力,而工作面后方为压应力;竖直方向的应力主要表现为拉应力,且主要位于工作面后方。     

采空区充水活化及覆岩变形规律试验研究

为了研究充水情况下老采空区“活化”机理及覆岩运动规律,基于相似理论制作了采空区相似材料模型,通过人工注水的方式模拟采空区垮落带浸水状态,进行了煤层开采及充水条件下覆岩沉降变形观测,对采空区充水后上覆岩层变形规律、覆岩破坏形式进行研究。结果表明,煤层被开采后,自下而上会产生垮落带、断裂带和弯曲下沉带,采动破坏岩石会支撑上覆岩体,使得采空区边界存在空洞区域;煤层开采后的老采空区存在大量空洞、空隙,充水后采空区覆岩会发生“活化”,垮落带破碎岩石进一步压实,离层裂隙中间区域的压密程度高于两侧,随着充水时间延长,覆岩裂隙逐渐拓展,且采空区充水第一次观测时沉降量较大,之后岩层沉降量变化有减小趋势;采空区充水后垮落带上方岩层沉降量最大,覆岩越靠近地表,采空区充水对覆岩影响程度越小。     

巨厚岩浆岩下开采覆岩移动规律及采场压力变异性分析

应用UDEC2D计算软件,对济宁二号煤矿巨厚岩浆岩下煤层开采的覆岩移动规律及采场压力变异性进行了数值模拟,揭示了在开采过程中采场覆岩移动规律、工作面支承压力和支架阻力的变异性,系统分析了岩浆岩层作为关键控制层对覆岩移动和采场压力的影响。