深部开采对覆岩破坏移动规律的实验研究

根据淮南矿业集团潘一矿2171（1）工作面开采实践,采用相似材料模拟实验。利用电子经纬仪与数字散斑相关方法相结合监测位移,分析研究了采场上覆岩层的“三带”特征及分布规律,上覆岩层移动发展趋势、演化规律、存在范围及形态,以及与开采宽度的关系。结果表明：一定采宽后顶板垮落规律显著,断层下顶板周期断裂步距减小;岩层下沉系数与岩层高度和采厚比成线性关系,上覆岩层沉降具有非对称性;离层裂隙的发生、扩展、闭合受关键岩层的影响和控制。数据分析还表明,数字散斑相关方法具有较高的精度,这一新的研究方法引入,丰富了上覆岩层活动规律的研究手段。本文结果可为指导工程实践提供重要理论依据。     

红层与煤系复合结构覆岩采动破坏分析及其应用

许多矿区煤层采动影响范围内的覆岩层由红层和煤层共同构成。本文研究了山东省太平煤矿东区二叠系 3号煤层覆岩破坏和防水煤柱留设的问题 ,在对上覆第四系水文地质条件分析的基础上 ,对红层和煤系复合结构覆岩的工程地质特征和破坏状况进行了分析 ,确定了合理的防水煤岩柱高度 ,并经过开采验证 ,避免了水害发生.     

南京石膏矿特大突水灾害机理研究

发生于2006年9月11日的南京石膏矿特大突水灾害不仅改变了矿区及外围的地下水流场, 并引发了矿区地面沉降变形, 对地表附属物产生了一定的破坏作用, 造成了包括矿山关闭在内的巨大财产损失。南京石膏矿涉及典型的深部矿山地质工程问题, 影响地下开采稳定、矿山灾害和环境问题的主要因素是矿体及围岩的岩性结构及岩体结构构造, 特别是断裂构造及其影响带裂隙发育情况、富水性、导水率。围岩的岩溶强烈富水带的存在是矿坑突水的直接水源; 矿体的软岩特性、矿山开采扰动使采场周围的应力场重新分布、开采对断裂构造及裂隙带等结构体的活化作用都加剧了突水灾害的发生。     

深部煤岩体保护层开采上覆岩层应力释放与转移特征的实验研究

煤层群保护层合理开采及了解其上覆岩层应力释放和转移特征是考察保护层开采效果的重要途径。对煤层群保护层开采卸压机制进行了分析,得出间隔保护层开采卸压方式可使上、下被保护层双向卸压重叠(即保护层开采上、下双向应力释放,开采影响范围相互叠加),煤层卸压效果较好。采用相似材料模拟和数值计算相结合的研究方法,对煤层群保护层开采卸压过程进行研究,分析保护层开采上覆岩层及被保护层应力释放与转移特征。研究结果表明,应力的积聚、释放和转移过程也伴随着岩层的变形,应力呈现出"增加-减小-再增大-再降低-平稳"过程,其变形呈现出"增加-急剧减小-再增加-平稳"的过程;相似模拟实验结果与数值计算结果具有较好的一致性,说明间隔保护层开采卸压方式可使上、下被保护层双向卸压重叠,是煤层群开采中较合理的卸压方式。     

底板岩层水力学特性原位测试研究

本文介绍了井下煤层底板岩层水力学特性（含单位涌水量、水压、渗透系数、裂隙导高带等）的钻孔原位测试方法,以太原市东山煤矿为例,详细给出了煤层底板石炭纪太原组和本溪组岩层的含水性态（水压、单位涌水量、渗透系数）及其奥灰水裂隙导高带等测试方法和结果,对承压水上采煤问题具有重要的参考价值。     

松软煤层综放面顶底板采动应力分布规律研究

以某矿综放采场为背景,通过现场实测、相似材料模拟等手段,研究了松软煤层综放开采中液压支架受力状态、两巷单体支柱受力特征和顶底板的采动应力分布规律,结果表明液压支架在工作面不同位置受力状态不同,处于中部位置的支架受力最大,同一支架前立柱受力大于后立柱;风巷围岩应力大于机巷围岩应力,两巷的超前采动应力峰值位置在工作面前3～11m;顶板岩层同一层位中采动应力分布随工作面的距离不同而不同;不同层位应力分布也不同,离煤层越近的岩层中应力集中系数越大;底板岩层在工作面前方6m左右处应力达到最大,在工作面处应力为零。该研究结果有效地指导了该矿井同一煤层综放面巷道布置、两巷支护及工作面顶板管理。     

煤层底板突水突变模型

本文建立了煤层底板突水的一个尖点突变 (cusp)模型 ,并分析了煤层底板失稳破坏发生突水的机制。基于定态曲面方程 ,可求得煤层底板水压应力比 Ip。当 Ip >1时 ,发生突水 ;当 Ip <1时 ,不会发生突水。基于分支曲线方程 ,可求得煤层底板突水临界采动导水裂隙带深度 h1l,当 h1 >h1l 时 ,发生突水 ;当 h1 相似文献   

煤层倾角与覆岩变形破裂分带

地下采煤中三带(冒落带、裂隙带、弯曲带)高度的判断是预测采空引起地表变形破坏程度的依据。在诸多的影响因素中, 煤层倾角是控制“三带”高度的最主要因素。建立在实测统计基础上的经验范围值用于“三带”高度的判断带有一定的人为性。急倾斜煤层中冒落带和裂隙带高度随煤层倾角变化的规律已被褐示[7].通过弹塑性岩石材料的非线性有限元模拟, 本文提出了利用应力重分布图判断中、缓倾角煤层采空区覆岩“三带”高度的方法, 并应用于实际工程。     

煤层底板突水预测的理论判据及其应用

本文采用弹塑性力学理论对采煤工作面底板岩层进行了研究,提出了煤层底板突水的预测公式,经过对111个带压开采工作面实例验算,效果较好,从而基本上解决了煤层底板突水的预测问题.     

水流损失和热补偿共同作用对增强型地热系统(EGS)产能影响的研究

基于青海共和盆地-3705m地热田实测数据,结合流固耦合传热理论并运用Comsol软件,建立了离散型裂隙岩体流体传热模型。考虑水流损失和热补偿共同作用,模拟得到了开采过程中上、下岩层(盖层和垫层)为绝热不渗透、传热不渗透、渗透传热时,储层(上、下岩层和压裂层)温度场的变化特征,分析了产出流量、水流损失、产出温度、产热速率的变化规律。研究结果表明:采热过程中产出流量始终小于注入流量;产出流量增幅速率先增大后减小,最后趋于稳定,前3a产出流量增幅超过总增幅量的3/4;忽略水流损失,将高估产热速率,采热初期甚至达到考虑水流损失时产热速率的3倍以上;考虑水流损失,产热速率呈先快速上升再趋于稳定后逐渐下降的趋势,最优开采时间为3a^11a;研究上、下岩层对产出温度的影响,仅考虑传热,采热寿命延长5.43%,同时考虑渗流传热时,采热寿命延长2.71%;采热前9a,水流损失占主导作用,即流入上、下岩层水流损失对产热速率的影响高于热补偿效应,开采10a后,热补偿效应占主导作用;同时考虑水流损失和热补偿效应得到的产热速率变化规律与实际工程更为符合,建议选择低渗透能力的上、下岩层延长增强型地热系统(EGS)运行时间。     

开采覆岩破坏工程地质预测的理论与实践

煤层开采造成的覆岩破坏范围和高度是水体下采煤留设防水煤岩柱和老采空区基岩稳定性评价的重要依据，本文以岩体工程地质力学为理论依据，对覆岩破坏机理和判据等进行了研究，详细分析了覆岩工程地质类型及其组合、岩体结构特征、地层倾角、地质构造、地应力、地下水及开采条件对覆岩破坏高度及发育规律的影响。文中提出了覆岩破坏预测的工程地质学方法，并给出了应用实例。     

高瓦斯煤层冲击地压发生条件与影响因素

针对高瓦斯煤层冲击地压问题,用解析方法得到冲击地压发生条件,分析了主要影响因素对满足冲击地压发生条件的临界塑性区半径和临界应力的影响规律.结合五龙矿开采实际情况对影响高瓦斯煤层冲击地压的煤的模量比、煤层瓦斯孔隙压力、支护应力和内摩擦角4个因素做了对比分析.研究发现:高瓦斯煤层在巷道掘进面附近由于存在开挖面空间效应,掘进面前方尚未开挖的煤体对巷道变形起到了限制作用,减少了冲击地压的发生,随着掘进面向前推进,后方一定距离范围内的巷道支护应力增大.随着瓦斯解吸渗流的进行,巷道壁处孔隙压力降低,巷道冲击地压危险性明显提高,此时提高支护应力,冲击危险性有所降低.高瓦斯煤层巷道发生冲击地压的临界塑性区半径和临界应力随模量比、瓦斯孔隙压力的增大而快速减小,随支护应力的增大而增大,临界塑性区半径随内摩擦角的增大而增大,临界应力与内摩擦角不是单调函数关系,存在一个极小值点,当内摩擦角小于此极小值时,临界应力随内摩擦角增大而减小;当内摩擦角大于此极小值时,临界应力随内摩擦角增大而增大.     

A SURFACE SUBSIDENCE MODEL OF COAL SEAM MINING IN MOUNTAIN AREA BASED ON PLATE BENDING DEFORMATION1)

分析了长壁工作面采煤上覆岩层破坏、移动的 “三带” 理论,认为地表的下沉变形受控于弯曲下沉带,且地表的最大下沉量远小于弯曲带岩层的厚度,弯曲带岩层的变形符合板的小挠度弯曲问题。在此基础上,根据山区地形地貌的特征及山体坡向与煤层倾向的关系,将地表山体简化为顺向坡、反向坡、沟槽、山岭四种情况,用薄板理论中的半逆解法分别建立了四种地貌情形下的地表下沉盆地模型。模型虽然作了一些简化假设,但体现了煤层倾角、埋深、岩层物理力学性质、地貌形状等影响开采沉陷的主要因素。     

极松软煤层工作面片帮力学机制分析与煤体加固实验研究

针对极松软煤层工作面煤壁片帮控制难题,三维有限差分数值计算表明,极松软煤层开挖后在煤壁底角产生剪应力集中,破坏位置由此沿渐变剪应力带牵引至煤壁顶部,产生卸载松弛浅层坍滑片帮。室内实验结果表明,极松软煤天然含水率极低,自身保水能力严重不足,极易失水。含水率由1.46%提高到3.39%,应变量增高154.32%;含水率4.49%,粘土含量10.00%。与无粘土极松软煤相比,抗压强度提高55.02%,应变提高574.26%。含水率在0~4.03%内,抗剪强度与含水率正相关;含水率在4.03%~12.70%区间,随着含水率的增高,抗剪强度迅速降低。且黏聚力对水的敏感度远大于内摩擦角对含水率的敏感程度,存在某一特定含水率,此时抗剪强度最大。极松软煤层可采用施工扰动方法,使煤层在工作面前方壳基支承压力作用下发生团化固结,达到有效应力增加、孔隙比减小、抗剪强度提高的目的。     

ANALYSIS OF ACCUMULATION CHARACTERISTICS OF ELASTIC DEFORMATION ENERGY OF SURROUNDING ROCK IN RECTANGULAR ROADWAY1)

煤矿冲击地压主要发生在巷道中,其主要原因之一是巷道围岩积聚了大量的弹性能。为得出矩形巷道围岩弹性变形能积聚特征,降低巷道支护成本,推导了巷道冲击破坏失稳能量准则,并建立了矩形巷道围岩能量积聚计算模型,理论分析了采深、巷道断面尺寸和煤层厚度对矩形巷道围岩能量积聚影响规律,得出：矩形巷道积聚的弹性能随采深的增加而增大,采深越深,巷道积聚的弹性能增长速率越快。巷道围岩积聚能量随巷道断面尺寸增加而增大。当煤层厚度小于巷道影响范围时,巷道积聚能量随煤层厚度增加而增大。在实际工程中,尽可能减小巷道断面尺寸,尽可能沿顶、底板布置巷道。研究结果为冲击地压巷道布置和降低巷道支护成本提供了理论依据。     

Multi-scale Fractured Coal Gas–Solid Coupling Model and Its Applications in Engineering Projects

With coal mining entering the geological environment of “high stress, rich gas, strong adsorption and low permeability,” the difficulty of joint coal and gas extraction clearly augments, the risk of solid–gas coupling dynamic disasters greatly increases, and the underlying mechanisms become more complex. In this paper, based on the characteristics of coal’s multi-scale structure and spatiotemporal variation, the multi-scale fractured coal gas–solid coupling model (MSFM) was built. In this model, the interaction between coal matrix and its fractures and the mechanical characteristics of gas-bearing coal were considered, as well as their coupling relationship. By MATLAB software, the stress–damage–seepage numerical computation programs were developed, which were applied into Comsol Multiphysics to simulate gas flow caused by coal mining. The simulation results showed the spatial variability of coal elastic modulus and cross-flow behaviors of coal seam gas, which were superior to the results of traditional gas–solid coupling model. And the numerical results obtained from MSFM were closer to the measured results in field, while the computation results of traditional model were slightly higher than the measured results. Furthermore, the MSFM in a large scale was verified by field engineering project.     

深部高地应力下岩石力学行为研究进展

越来越多的煤矿和金属矿进入深部开采.随着开采深度的增加,一系列工程灾害如岩爆、煤与瓦斯突出、顶板垮落、底板突水等日益严重,且深部开采中巷道与采场的维护理论也与浅部有十分明显的区别.人们认识到这种差别的根源在于岩石所处的赋存环境上的差异,深部与浅部在赋存环境上的差别是所谓``三高''即高地应力、高地温和高孔隙水压,尤其是高地应力条件下岩石表现出十分特殊的力学行为.简要介绍了深部开采现状、深部开采面临的技术难题以及深部岩体所处的高地应力环境,在此基础上,综述了深部高地应力条件下有关岩石力学性质的研究进展,包括高应力条件下岩石的脆-延转化特性、岩石的流变特性、岩石的强度特征、岩石的破坏特征尤其是岩爆等.文章最后指出深部条件下热-水-力耦合模型是一个值得关注的研究方向.      

多层采动条件下采空区覆岩残余裂隙发育规律的实验研究

采空区残余裂隙的发育情况是采空区充填注浆设计需要考虑的重要因素。本文采用相似材料模拟实验的方法,探讨多层采动条件下采空区覆岩残余裂隙的分布规律和发育程度。研究结果表明：开采结束后采空区残余裂隙在剖面上具有明显的分区性,从采空区两侧到中间可划分为残余裂隙发育区、裂隙压密区和地表张拉裂隙区; 残余裂隙发育区的残余裂隙率一般介于19.54％～45.27％之间,裂隙压密区的残余裂隙率介于9.28％～19.33％之间; 离层裂隙发育高度是受采宽和累计采厚综合影响的结果。研究成果对于老采空区建筑地基的稳定性评价、采空区处治工程范围与深度的确定、注浆孔的合理布置、单孔注浆量的合理计算等都具有重要的理论研究价值和实际指导意义。