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煤层底板采动破坏机制的岩性效应研究

煤炭科学技术 2023年第11期51卷 166-178页

作者：张风达中煤科工开采研究院有限公司北京100013 煤炭科学研究总院开采研究分院北京100013 天地科技股份有限公司开采设计事业部北京100013

为获取不同岩性的煤层底板采动破坏特征,建立了不同内摩擦角对岩体强度影响的莫尔圆解,构建了采场端部最大底板破坏深度/采空区最大底板破坏深度的比值与内摩擦角的关联公式;运用FLAC3D数值模拟软件,分析了不同岩性条件下的煤层底板塑... 详细信息

为获取不同岩性的煤层底板采动破坏特征,建立了不同内摩擦角对岩体强度影响的莫尔圆解,构建了采场端部最大底板破坏深度/采空区最大底板破坏深度的比值与内摩擦角的关联公式;运用FLAC3D数值模拟软件,分析了不同岩性条件下的煤层底板塑性区、最大剪应力、弹性应变能分布特征;从能量积聚与耗散的角度,建立了煤层底板采动破坏形态的概化模型;最后,结合平朔19110工作面底板实测数据进行验证。研究结果表明,超前支承压力作用下底板岩性为软弱岩体易发生剪切破坏,而未发生剪切破坏的中硬岩或硬岩,在应力卸荷作用下仍存在进一步破坏的可能性;随着煤层底板岩体内摩擦角的不断增大,煤层底板采动破坏范围的最大值将逐渐由采场端部向采空区后方转移;与煤层底板岩性为中硬岩或硬岩相比,岩性为极软岩或软岩的煤层底板岩体在煤壁附近剪应力和弹性应变能存在明显的衰减,并向深部转移,导致采场端部塑性区范围较明显;将煤层底板采动破坏区域划分为能量释放区、能量承载区、能量平衡区,与煤层底板岩性为软弱或极软弱类型相比,中硬岩或硬岩类型下的煤层底板能量释放区分布范围较小甚至缺失,主要通过能量承载区和能量平衡区实现采动扰动能量的平衡。现场实测发现煤层底板岩性为细砂岩、灰岩等、未发生剪切破坏的坚硬岩体,采动卸荷作用下进一步发生破坏,并呈现出由剪切破坏转变为剪切-拉伸变形复合破坏的特征。

关键词：岩性效应煤层底板破坏机制塑性区采应破坏

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煤层底板陷落柱突水模拟及机理分析

岩石力学与工程学报 2004年第15期23卷 2551-2556页

作者：尹尚先武强华北科技学院安全科学技术研究所北京100083 中国矿业大学资源系北京100083

岩溶陷落柱是中国北方型石炭二迭系煤田的一种特殊塌陷,广泛分布于20个煤田45个煤矿区,其导致的突水具有隐蔽性、突发性且与岩溶水有天然联系等特点,对煤矿安全生产危害极大。为研究煤层底板陷落柱破坏特征及突水机理,采用FLAC3D模拟分... 详细信息

岩溶陷落柱是中国北方型石炭二迭系煤田的一种特殊塌陷,广泛分布于20个煤田45个煤矿区,其导致的突水具有隐蔽性、突发性且与岩溶水有天然联系等特点,对煤矿安全生产危害极大。为研究煤层底板陷落柱破坏特征及突水机理,采用FLAC3D模拟分析了陷落柱影响下采面推进过程的不同阶段。数值模拟及实验显示,由于陷落柱的面积有限,矿压和水压力联合作用下使其发生弯曲并形成拉张破坏的可能性较小,一般产生剪切破坏,虽然升、降错动产生的剪应力、上凸弯曲产生的拉应力和压应力的三重作用导致煤层底板岩层失稳破坏,但以剪应力作用为主;同时,陷落柱的存在改变了煤层底板的地质环境和岩体结构,底板有效隔水层厚度减小,岩体强度降低,应力-应变分布不均,局部应力集中系数增大,使关键层的最小主应力进一步降低,一旦承压水压力大于关键层的最小主应力,承压水的渗水软化和压裂扩容即起作用,使底板岩层破坏裂隙沿最薄弱方向进一步扩展,导致裂隙贯通,最终形成管涌,发生突水。特别是,陷落柱的边壁、工作面底板压缩区与膨胀区的分界线重合在一条线上时,是底板岩层发生剪切破坏的最佳状态,最容易发生底臌突水。

关键词：采矿工程突水机理陷落柱煤层底板岩溶水煤矿安全

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煤层底板岩层阻水能力及其影响因素的研究

岩土力学 1998年第4期19卷 31-35页

作者：张文泉刘伟韬张红日张明波山东矿业学院特采所泰安271019 淄博学院土建系 255200

根据室内外水力致裂试验的结果，通过分析裂隙端都应力强度囚于的变化情况，研究了不同结构成分岩层阻抗水力致裂的能力，及岩性变化、交界面性质等对水力致裂裂隙扩展及承压水导升的影响。

关键词：煤层底板岩层阻水能力影响因素水力致裂

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煤层底板岩体阻水能力原位测试研究

岩土工程学报 2003年第1期25卷 67-70页

作者：吴基文樊成安徽理工大学安徽淮南232001

介绍了煤层底板岩体阻水能力的测试原理、测试方法和测试过程 ,分析了测试成果的可靠性 ,并对杨庄煤矿六煤底板岩体的阻水能力进行了评价 ,为煤矿底板突水防治提供了一条新途径。

关键词：煤层底板岩体阻水能力原位测试杨庄煤矿

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深部煤层底板破坏特征分析

采矿与安全工程学报 2019年第1期36卷 44-50页

作者：张风达申宝宏煤炭科学研究总院煤炭战略规划研究院北京100013 中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院北京100083

为研究深部煤层底板破坏特征,结合74组华北型石炭二叠系煤层底板破坏深度实测数据,通过构建的数学模型分析深部煤层底板破坏规律与浅部的差异性,确定出深浅部煤层底板破坏规律的分界点。在此基础上,运用灰色关联分析法对比分析了深浅部... 详细信息

为研究深部煤层底板破坏特征,结合74组华北型石炭二叠系煤层底板破坏深度实测数据,通过构建的数学模型分析深部煤层底板破坏规律与浅部的差异性,确定出深浅部煤层底板破坏规律的分界点。在此基础上,运用灰色关联分析法对比分析了深浅部煤层底板破坏深度主控因素的影响权重顺序,从煤层底板采动应力变化的角度探索深部煤层底板的破坏机理。研究表明:埋深介于416～442 m之间时,深浅部煤层底板破坏规律的相关系数较小,即浅部煤层底板破坏规律与深部煤层底板破坏规律差距较大;而偏离此区间时,相关系数则增大。浅部煤层底板破坏深度受工作面开采尺寸的影响较大,而深部煤层底板由于采动应力较大的变化幅度,增加了煤层底板卸荷破坏的可能性,导致深部煤层底板破坏深度受埋深的影响较大。

关键词：增广矩阵煤层底板分界点仿真计算灰色关联分析断裂力学

基于孔间直流电透视的煤层底板采动破坏电阻率时移变化规律与机理

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煤炭学报 2024年第1期49卷 601-615页

作者：岳建华滕小振胡双贵习丹阳张河瑞中国矿业大学资源与地球科学学院江苏徐州221116 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116

煤层采动过程中,底板应力状态的改变会产生变形与破坏,而不同煤层采动过程中底板破坏具有一定的规律。目前基于直流电阻率法的煤层底板水害监测主要集中于底板变形与破坏的电阻率响应特征上。为了研究工作面回采过程中煤层底板的电性时... 详细信息

煤层采动过程中,底板应力状态的改变会产生变形与破坏,而不同煤层采动过程中底板破坏具有一定的规律。目前基于直流电阻率法的煤层底板水害监测主要集中于底板变形与破坏的电阻率响应特征上。为了研究工作面回采过程中煤层底板的电性时移变化特征,采用孔间直流电透视观测系统和时移电阻率反射系数法,通过数值模拟和现场试验揭示了煤层底板采动破坏电阻率时移规律。首先,针对典型地电模型,对比单独反演和时移电阻率变化率的结果,验证了孔间直流电透视时移方法的可靠性。然后,针对煤层底板采动破坏,分析了采动过程中底板承压水导升与底板破坏带的电性响应规律与特征,并讨论了时移电阻率反射系数确定煤层底板破坏深度的可行性,为野外施工提供理论依据。最后,通过现场监测试验,获得工作面回采过程中煤层底板的电性变化特征,并采用时移电阻率反射系数R确定了工作面底板岩层的破坏深度为15 m。结果表明:利用孔间直流电透视法获得的煤层底板采动破坏电阻率时移特征可在一定程度上消除了监测数据中的地层因素和随机噪声影响,且时移电阻率反射系数可用来确定煤层底板破坏深度。该方法将探测目标从单一的研究地质异常转换到对煤层采动过程中工作面底板破坏的全生命周期动态监测,进而实现了工作面底板结构破坏的精细刻画。

关键词：时移监测采动破坏孔间直流电透视正演模拟煤层底板

基于最小二乘支持向量机的煤层底板突水量预测

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煤炭学报 2005年第5期30卷 613-617页

作者：姜谙男梁冰辽宁工程技术大学力学与工程科学系

针对底板突水受到多种复杂因素的影响和突水量预测可看成是非线性、高维数、有限样本的模式识别问题,提出煤层底板突水量预测的最小二乘支持向量机方法,给出预测步骤,建立了符合期望风险最小化原则的预测模型,表达了最大突水量等级与其... 详细信息

针对底板突水受到多种复杂因素的影响和突水量预测可看成是非线性、高维数、有限样本的模式识别问题,提出煤层底板突水量预测的最小二乘支持向量机方法,给出预测步骤,建立了符合期望风险最小化原则的预测模型,表达了最大突水量等级与其影响因素之间的非线性关系.

关键词：煤层底板最大突水量最小二乘支持向量机

地层产状及高程约束条件下煤层底板高程曲面的最佳拟合

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煤炭学报 2010年第5期35卷 782-786页

作者：宋现锋徐方舟中国科学院研究生院计算地球动力学重点实验室北京100049 中国科学院研究生院资源与环境学院北京100049

提出了一种新型的支持约束条件的三次B样条复合曲面建模方法,利用钻孔数据和矿井地质数据共同提高煤层底板高程曲面的拟合质量。假设地质曲面由若干个规则排列的数学曲面按照不同权重叠加而成,该方法采用三次B样条曲面函数作为核函数,... 详细信息

提出了一种新型的支持约束条件的三次B样条复合曲面建模方法,利用钻孔数据和矿井地质数据共同提高煤层底板高程曲面的拟合质量。假设地质曲面由若干个规则排列的数学曲面按照不同权重叠加而成,该方法采用三次B样条曲面函数作为核函数,建立了地质曲面的三次B样条复合曲面方程,钻孔数据和矿井地质数据(地层产状及测量高程点)均作为该方程的约束条件。通过求解该复合曲面方程中核函数的最优权重系数,获得了煤层底板的最佳拟合曲面,即在保持曲面光滑性的同时又与矿井地质实测数据相一致。将上述方法开发成计算机程序并应用于淮北矿业集团祁南煤矿81采区6煤组的煤层底板高程估算,实验取得了良好的拟合效果。

关键词：地层产状煤层底板高程最佳拟合三次B样条复合曲面钻孔数据

晋城成庄井田煤层气直井开发后煤层底板突水危险性评价

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煤炭学报 2014年第9期39卷 1899-1906页

作者：孟召平郝海金张典坤张贝贝欧龙军三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室湖北宜昌443002 中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院北京100083 国家能源煤与煤层气共采技术重点实验室山西晋城048204

以晋城矿区成庄井田为依托,分析煤层气开发后煤层底板岩石破裂压力、地应力、煤层底板含水层水压和隔水层有效厚度等条件,建立了煤层气开发后煤层底板突水危险性评价理论与方法,揭示煤层气直井开发对煤炭开采底板突水影响机制。研究结... 详细信息

以晋城矿区成庄井田为依托,分析煤层气开发后煤层底板岩石破裂压力、地应力、煤层底板含水层水压和隔水层有效厚度等条件,建立了煤层气开发后煤层底板突水危险性评价理论与方法,揭示煤层气直井开发对煤炭开采底板突水影响机制。研究结果表明:煤层气井煤层底板完井深度和采动矿压与承压水的水压使煤层底板隔水层形成贯通的破裂,如果隔水层中的最小水平主应力大于承压水的水压,从应力方面,就不会发生突水,如果相反,就会发生突水;煤层气井煤层底板完井深度和采动矿压与承压水的水压未能使底板隔水层形成贯通的破裂,开采煤层承受的水压与煤层到主要含水层间有效隔水层厚度之比,决定了煤层底板突水危险性。根据煤层底板隔水层岩石破裂压力、水压和水压与隔水层厚度比值等关键参数,将煤层底板突水危险性划分为安全(Ⅰ)、中等安全(II)、安全性差或有危险(III)和安全性极差或极有危险(Ⅳ)4类。成庄井田太原组15号煤层距奥灰含水层间距小,且变化大,煤层气垂直井开发后煤炭开采受奥灰水威胁。如果9号煤层气完井深度与煤炭开采底板破坏深度15 m相同计算,煤层底板突水危险性主要为中等安全,仅在深部存在突水危险性;煤层气开发后3号煤层开采过程中不会发生底板突水。

关键词：煤层气直井开发煤层底板突水危险性晋城成庄井田