大倾角工作面覆岩三维破断运移演化规律

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作者 解盘石 黄宝发 +5 位作者 伍永平 罗生虎 朱明建 易磊磊 徐辉 陈建杰 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第2期12-26,共15页

大倾角煤层安全高效开采的关键是对采场围岩与装备的多维耦合控制,定量化表征大倾角采场覆岩空间结构破断特征、采动裂隙发育和空隙分布特征是实现该类煤层精准岩层控制的前提。以大倾角长壁大采高工作面为工程背景,采用数值计算、现场... 大倾角煤层安全高效开采的关键是对采场围岩与装备的多维耦合控制,定量化表征大倾角采场覆岩空间结构破断特征、采动裂隙发育和空隙分布特征是实现该类煤层精准岩层控制的前提。以大倾角长壁大采高工作面为工程背景,采用数值计算、现场实测与理论分析相结合的研究方法,在厘定覆岩空间移动变形规律的基础上,引入三维曲率、岩体空隙率及分形几何理论定量描述了采场不同区域破断岩块的运移–堆砌–铰接特征及岩体裂隙分布规律,实现了大倾角大采高工作面开采过程中三维结构组成及采动裂隙场空间占位的动态精细定量表征。研究表明,大倾角大采高破断顶板在采场空间发生了多维度耦合的非均衡运动,中、上部顶板以垂直岩层运动为主,下部顶板演变为倾向下滑。顶板破坏形式沿倾向、走向、垂向呈现三维区域异化,上部破断岩块错层、跨层迁移形成倾斜砌体结构,采空区后方存在“非均匀矸石–弯曲悬臂梁–破断岩块”承载结构形成非均匀空顶区域,承载结构相互约束,随倾向位置、覆岩层位不同发生动态演化。支架阻力分区波动性分布,中部阻力>上、下部,走向非同步来压。曲率分布呈“横、竖O–X”形态,“O”型内部垮落岩块非平行同步下沉,倾向、反倾向堆砌结构并存,正负曲率不一,岩块间形成弱铰接结构。随覆岩层位升高,离层破坏区域向中下部和采空区中部偏移,岩体空隙率和分形维数呈现先增大后减小的现象。研究结果揭示了采空区内部覆岩三维破断运移规律,丰富了大倾角煤层岩层控制理论,也为顶板岩层运移规律的精细定量分析提供了新方法。 展开更多

关键词 大倾角煤层 大采高 覆岩破断运移 三维曲率 空隙率 分形特征

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煤矿采空区覆岩破裂分布式声波传感监测 被引量：2

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作者 曹凯 吴建宁 +4 位作者 卢渊 庞小龙 贺志华 于晓清 王玄 《地质科技通报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第6期125-135,共11页

煤矿采空区覆岩破裂信号作为开采沉陷的前兆特征,对其开展监测有助于预警采空区塌陷事件。但现有手段难以实现大范围、全方位、分布式的监测。以我国宁东矿区羊场湾煤矿为研究区域,引入分布式声波传感技术(distributed acoustic sensing... 煤矿采空区覆岩破裂信号作为开采沉陷的前兆特征,对其开展监测有助于预警采空区塌陷事件。但现有手段难以实现大范围、全方位、分布式的监测。以我国宁东矿区羊场湾煤矿为研究区域,引入分布式声波传感技术(distributed acoustic sensing,简称DAS)对采空区覆岩破裂信号开展连续监测。针对DAS数据信噪较低的问题,对比试验了5种去噪方法。对预处理后的信号开展时频分析,提取覆岩破裂信号;进一步将DAS信号转换为递归图以构建数据集,训练基于卷积神经网络的覆岩破裂信号智能识别模型。结果表明,同步压缩小波变换能够很好地压制DAS数据的噪声。覆岩破裂信号与非覆岩破裂信号的递归图之间具有明显区别,训练得到的VGG-16模型在分类二者的任务上实现了85%的准确率。因此,利用DAS技术监测覆岩破裂具有可行性,本研究所提出的基于递归图和卷积神经网络VGG-16的深度学习方法可实现对覆岩破裂信号的智能识别。研究成果为后续开发基于DAS系统的开采沉陷智能预警系统提供了一定技术支撑。 展开更多

关键词 煤矿采空区 分布式声波传感 地球物理探测 覆岩破裂 机器学习

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采动覆岩裂隙分布特征的微震监测研究 被引量：25

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作者 孔令海 李峰 +1 位作者 欧阳振华 季成 《煤炭科学技术》 CAS 北大核心 2016年第1期109-113,143,共6页

基于工作面采动覆岩裂隙分布的微震监测结果,分析了微震事件分布与采动覆岩破裂的关系,采用经验公式和现场矿压监测结果,对比研究了采动覆岩裂隙分布特征。结果表明：沿竖直方向,微震事件在距离煤层0~40 m为高密度分布,在40~70 m内中密... 基于工作面采动覆岩裂隙分布的微震监测结果,分析了微震事件分布与采动覆岩破裂的关系,采用经验公式和现场矿压监测结果,对比研究了采动覆岩裂隙分布特征。结果表明：沿竖直方向,微震事件在距离煤层0~40 m为高密度分布,在40~70 m内中密度分布,70 m以上为低密度分布;沿工作面倾斜方向,微震事件集中分布于3个区域,分别为机头区域Ⅰ、工作面45~90 m区域Ⅱ和90~120 m区域Ⅲ;基于微震监测推断得到的采动裂隙带高度（工作面煤层上方20~70 m范围）,与基于经验公式得到的采动裂隙带高度约为80 m基本吻合;随工作面推进,微震事件能量具有周期性分布特点,周期步距平均为30 m,与支架工作阻力揭示的周期来压步距吻合。研究成果为采动覆岩裂隙分布特征研究和应用提供了一种监测方法。 展开更多

关键词 微震监测 采动覆岩裂隙分布特征 裂隙带高度 支架工作阻力

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不整合地层下煤层开采覆岩裂隙场发育特征 被引量：12

4

作者 张燕 纪洪广 王金安 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2011年第11期1795-1800,共6页

以宁夏石嘴山矿西区3号煤层开采为工程背景,采用相似模型试验、数值模拟计算,研究深部不整合覆岩下煤层开采所引起的裂隙发育特征,并对两种方法分别得到的裂隙带形态进行对比分析。由于煤系地层与上覆地层不整合,开采扰动后应力重分布... 以宁夏石嘴山矿西区3号煤层开采为工程背景,采用相似模型试验、数值模拟计算,研究深部不整合覆岩下煤层开采所引起的裂隙发育特征,并对两种方法分别得到的裂隙带形态进行对比分析。由于煤系地层与上覆地层不整合,开采扰动后应力重分布及覆岩裂隙发育具有其特殊性。研究发现:煤层开采过程中,采空区周围出现"应力拱";地层不整合面的存在阻隔了煤层开挖引起的应力重分布时的应力传递,使开采扰动后主应力在不整合面下方局部呈现应力集中现象,从而使不整合面下方附近岩体的破坏程度加剧,使裂隙带最终形态为"左高右低"的非对称"马鞍形"。 展开更多

关键词 不整合地层 深部煤层开采 覆岩裂隙 应力拱 UDEC

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浅部煤矿井下地应力分布特征研究及应用 被引量：48

5

作者 康红普 司林坡 张晓 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第6期1332-1340,共9页

采用煤矿井下小孔径水压致裂地应力测量装置,在山西、陕西、内蒙古、宁夏、新疆等5省（自治区）的10余个浅部煤矿区,进行了88个测点的地应力测量,最浅测点的埋深仅为38 m。根据地应力测量数据,分析了浅部煤矿井下地应力分布特征与变化趋... 采用煤矿井下小孔径水压致裂地应力测量装置,在山西、陕西、内蒙古、宁夏、新疆等5省（自治区）的10余个浅部煤矿区,进行了88个测点的地应力测量,最浅测点的埋深仅为38 m。根据地应力测量数据,分析了浅部煤矿井下地应力分布特征与变化趋势,并与深部煤矿进行了比较。通过实例分析,介绍了地应力测量结果在浅部煤矿井下工程中的应用情况。浅部煤矿井下地应力受多种因素影响,测量数据离散性很大,随测点埋深的变化规律不明显;地应力场以σH〉σh〉σV型为主,水平应力占绝对优势。最大水平主应力与垂直主应力的比值主要集中在1-3之间;最小水平主应力与垂直主应力的比值大部分在0.5-2.0;平均水平主应力与垂直主应力的比值大多处于1.0-2.5;最大主应力与最小主应力之差同垂直主应力的比值离散性较大,最大值超过2。将地应力测量数据应用于浅部煤矿煤柱尺寸优化、锚杆支护参数设计,在保证巷道安全与支护效果的前提下,提高了煤炭资源采出率,降低了巷道支护成本。 展开更多

关键词 煤矿 浅部 地应力测量 水压致裂 应力分布特征

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大倾角大采高采场覆岩应力路径时空效应 被引量：4

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作者 解盘石 黄宝发 +2 位作者 伍永平 陈建杰 刘文静 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第S02期424-436,共13页

为揭示大倾角大采高采场覆岩变形破坏的时空演化特征及应力路径效应,以2130煤矿25221工作面为研究背景,采用3DEC数值模拟方法,在对覆岩变形破坏时空演化特征的综合厘定与分析的基础上,提出了大倾角采场上覆岩层在采动应力作用下的扰动分... 为揭示大倾角大采高采场覆岩变形破坏的时空演化特征及应力路径效应,以2130煤矿25221工作面为研究背景,采用3DEC数值模拟方法,在对覆岩变形破坏时空演化特征的综合厘定与分析的基础上,提出了大倾角采场上覆岩层在采动应力作用下的扰动分区,量化了采场沿工作面走向、倾向及不同层位覆岩采动应力路径的空间演化规律,揭示了采场空间不同区域覆岩采动应力与断裂失稳过程中的对应关系。研究结果表明:在大倾角大采高开采中,重力-倾角效应作用下矸石呈现非均匀充填特征,导致覆岩垮落形态及顶板承载拱在采场空间均呈现出典型的跨层迁移转化特性,包络面内中上部区域“倒三角临空面+倾斜砌体结构+高位梯阶岩层”形成空洞现象,“高位梯阶岩层”失稳易诱发“倾斜砌体结构”同时断裂,对支架形成较大的冲击动载荷。工作面煤层开采导致采场上覆岩层的三向采动应力大小、方向均发生了显著变化。沿工作面走向,覆岩最大主应力演化先增大再减小,最小主应力则先减小再反向增大,最大和最小主应力沿推进方向的垂直平面内向采空区旋转,上覆岩层的极限平衡状态界面沿工作面倾斜方向呈非对称展布。沿工作面倾向,煤柱侧上方岩层产生应力集中,工作面上方岩层卸荷,覆岩层位越低,其峰值应力越大,应力变化幅度越大。最大主应力主要沿水平方向发生偏转,最小主应力则由工作面推进方向逐渐向垂直方向偏转。由弱扰动区域至采空区中心,应力反向偏转位置由倾向中部逐渐向上部移动,应力路径的非对称偏转传递特征愈发明显。大倾角大采高采场采动应力时空演化规律及采动应力-位移-覆岩断裂结构的映射关系为揭示大倾角大采高采场围岩失稳致灾机理提供基础,并结合生产实际,提出了大倾角大采高综采工作面坚硬顶板冒垮压架防治措施。 展开更多

关键词 大倾角煤层 大采高 覆岩变形破坏 采动应力变换 采动应力-位移-覆岩断裂结构映射关系

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综放开采覆岩破坏特征与导水断裂带高度模拟研究 被引量：7

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作者 刘卓然 赵高博 《矿业安全与环保》 北大核心 2021年第6期12-18,共7页

为了研究煤矿综放开采覆岩破坏规律与导水断裂带高度,通过数值模拟分析了采动覆岩破坏过程,采用理论分析方法建立了直接顶破坏与基本顶砌体梁失稳力学模型,揭示了直接顶与基本顶失稳机制。基于盛泰煤矿15201综放工作面采矿地质条件,研... 为了研究煤矿综放开采覆岩破坏规律与导水断裂带高度,通过数值模拟分析了采动覆岩破坏过程,采用理论分析方法建立了直接顶破坏与基本顶砌体梁失稳力学模型,揭示了直接顶与基本顶失稳机制。基于盛泰煤矿15201综放工作面采矿地质条件,研究了不同采高、工作面倾向长度、煤层倾角条件下导水断裂带最大高度。研究结果表明:导水断裂带高度与煤层采高、工作面倾向长度、煤层倾角呈正相关关系;导水断裂带高度数值模拟结果位于《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中经验公式计算结果范围之内,验证了该数值模拟模型及岩性参数的合理性。 展开更多

关键词 覆岩破坏特征 导水断裂带高度 3DEC数值模拟 岩层移动 综放开采

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综放面顶板覆岩走向长钻孔卸压抽放瓦斯研究 被引量：7

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作者 姚金林 《煤炭科学技术》 CAS 北大核心 2003年第6期14-17,共4页

通过理论分析和现场实际考察分析了煤炭开采顶板覆岩垮落变形动态变化规律 ,分析了覆岩关键层的层位及岩体特性对煤层回采后顶板岩层的垮落区、裂隙区的扩展影响特征 ;结合现场工程实际 ,提出了针对低渗透性煤层提高煤层瓦斯抽放率的一... 通过理论分析和现场实际考察分析了煤炭开采顶板覆岩垮落变形动态变化规律 ,分析了覆岩关键层的层位及岩体特性对煤层回采后顶板岩层的垮落区、裂隙区的扩展影响特征 ;结合现场工程实际 ,提出了针对低渗透性煤层提高煤层瓦斯抽放率的一种新的顶板覆岩卸压抽放技术 ,分析影响瓦斯抽放量的因素 ,给出了顶板卸压钻孔的合理布置区域。 展开更多

关键词 顶板覆岩 主关键层 卸压抽放 裂隙分布特征 瓦斯

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综放开采覆岩破坏模型及导水裂隙带高度研究 被引量：29

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作者 赵高博 郭文兵 +2 位作者 杨达明 娄高中 郑冬杰 《中国安全科学学报》 CAS CSCD 北大核心 2017年第11期144-149,共6页

为保障水体下采煤安全,提出一种新的导水裂隙带高度预测方法。通过构建岩层悬空完整力学模型、岩层悬伸破断模型和破断岩块力学模型,分析煤层上方岩层初次垮落机制、岩层悬伸破断机制和岩块结构失稳机制,进而提出一种综放开采导水裂隙... 为保障水体下采煤安全,提出一种新的导水裂隙带高度预测方法。通过构建岩层悬空完整力学模型、岩层悬伸破断模型和破断岩块力学模型,分析煤层上方岩层初次垮落机制、岩层悬伸破断机制和岩块结构失稳机制,进而提出一种综放开采导水裂隙带高度理论预测方法;用此方法预测沙坪矿某综放工作面的导水裂隙带高度,并将该理论预测结果与回归分析法和数值模拟方法综合预测的结果进行比较。结果表明:理论预测结果与回归分析、数值模拟预测结果基本吻合。 展开更多

关键词 综放开采 覆岩破坏模型 岩层移动 导水裂隙带高度 理论分析

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基于采动覆岩裂隙三维分布形态的地面L型抽采钻孔合理位置研究 被引量：5

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作者 郝春生 袁瑞甫 +3 位作者 郝海金 白建平 杨昌永 郭明杰 《河南理工大学学报（自然科学版）》 CAS 北大核心 2019年第6期24-31,共8页

高瓦斯矿井使用地面L型钻孔代替高抽巷抽采瓦斯,能够节省大量巷道掘进工程,减缓采掘接替紧张状况。为了研究L型钻孔的最优布置位置,以新景矿3213工作面为例,采用相似模拟和三维数值模拟,确定了采场上方覆岩的运移规律和裂隙带三维分布... 高瓦斯矿井使用地面L型钻孔代替高抽巷抽采瓦斯,能够节省大量巷道掘进工程,减缓采掘接替紧张状况。为了研究L型钻孔的最优布置位置,以新景矿3213工作面为例,采用相似模拟和三维数值模拟,确定了采场上方覆岩的运移规律和裂隙带三维分布形态。根据采动三维裂隙分布形态建立三维裂隙场模型,导入COMSOL模拟软件,对不同位置的L型地面定向钻孔,模拟抽采过程中的瓦斯运移规律和富集分布区域。结果表明,抽采钻孔能有效降低采空区的瓦斯体积分数,钻孔布置在回风巷上方的"O"型裂隙区中上部时抽采效果最好。根据新景矿3213工作面实际情况,定向钻孔最优布置位置为垂直方向在回风巷上方距煤层顶板20~30 m,水平方向在回风巷内错平距15~30 m。经现场5个月的抽采试验,地面L型钻孔平均抽采瓦斯体积分数78.5%,抽采瓦斯纯量8.58 m^3/min,日抽采纯量达到11 953 m^3,占工作面总瓦斯涌出量的42.60%,有效地解决了工作面瓦斯的控制问题。 展开更多

关键词 采场覆岩裂隙 三维分布 L型钻孔 瓦斯运移 数值模拟

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综采工作面覆岩采动裂隙三维分布规律研究 被引量：13

11

作者 白建平 郝春生 +4 位作者 杨昌永 姚晋宝 周建斌 李生奇 石晓红 《煤炭科学技术》 CAS CSCD 北大核心 2020年第11期106-112,共7页

掌握高瓦斯煤层覆岩裂隙的分布规律,对于合理布置高抽巷或定向钻孔位置,提高瓦斯抽采效果有重要意义。以新景矿3213工作面为工程背景,运用相似模拟和CDEM三维离散元模拟等方法研究了工作面回采后覆岩运动和裂隙发育规律,得到了工作面基... 掌握高瓦斯煤层覆岩裂隙的分布规律,对于合理布置高抽巷或定向钻孔位置,提高瓦斯抽采效果有重要意义。以新景矿3213工作面为工程背景,运用相似模拟和CDEM三维离散元模拟等方法研究了工作面回采后覆岩运动和裂隙发育规律,得到了工作面基本顶初次破断和周期破断距离,覆岩裂隙发育高度及演化形态。结果表明:3213工作面基本顶初次来压步距为30 m,周期来压步距为10~15 m;跨落覆岩呈底宽顶窄的“梯形”结构,工作面端的跨落角随周期来压发生变化,大小在55°~65°之间;根据相似模拟的裂隙观测和数值模拟三维位移分布情况,确定垮落带高度为8.6 m,是采高的3.4倍;裂隙带高度为25.7 m,是采高的10.3倍。工作面上方覆岩裂隙发育具有很强的周期性,随基本顶破断呈阶梯状上升,且发育到一定高度后贯穿裂缝不再向上延伸,其上部裂隙均为离层裂隙,最终形成的裂隙带呈三维环状分布,环形截面为斜梯形,底面外环距采空区边界9 m,底面宽20 m,顶面宽25 m,高度为煤层顶板上方10~20 m。确定裂隙发育环三维位置和范围对工作面及采空区瓦斯治理有重要的意义,高抽巷或抽采钻孔应尽量布置在裂隙环顶部位置,既能够使巷道或钻孔保持完整,又能够达到最佳抽采效果。 展开更多

关键词 覆岩运动 采动裂隙 三维分布 裂隙发育环 离散元

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沟谷地形下开采覆岩裂隙发育特征研究 被引量：8

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作者 谢党虎 《煤炭工程》 北大核心 2021年第4期99-104,共6页

为了研究沟谷地形条件下薄基岩浅埋煤层覆岩采动裂缝发育规律,以神府矿区为研究基地,对安山煤矿5^(-2)煤开采工作面的覆岩采动裂缝发育特征进行分析,建立弱强度覆盖层作用下的基本顶受力模型,即"非均布载荷梁"结构模型。通过... 为了研究沟谷地形条件下薄基岩浅埋煤层覆岩采动裂缝发育规律,以神府矿区为研究基地,对安山煤矿5^(-2)煤开采工作面的覆岩采动裂缝发育特征进行分析,建立弱强度覆盖层作用下的基本顶受力模型,即"非均布载荷梁"结构模型。通过对非均布载荷梁结构的力学分析,推导基岩承载结构稳定性的判别条件,确定了基本顶两端压力、剪力及垮距等参数的计算公式,揭示了弱强度覆盖层厚度及坡度变化对覆岩采动裂缝间距的影响规律。实践表明,依据非均布载荷梁模型确定的覆岩采动裂缝间距与周期来压步距近似相等;覆岩采动裂缝随基岩破断失稳而呈周期性动态发育演化特征,工作面上方地表附近塌陷型和台阶型采动裂缝较为发育,采空区上方地表裂缝逐渐演化成错动量及张开量较小的闭合型地表裂缝。 展开更多

关键词 沟谷地形 浅埋煤层 上覆岩层 采动裂缝 岩层移动

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富水顶板大变形破坏特征及分区动态支护技术研究

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作者 任建慧 杨森 +3 位作者 李宣良 姚士茂 宋小飞 刘耀辉 《中国矿业》 2023年第11期152-159,共8页

富水顶板对回采巷道开挖及服务期间均具有较强影响,巷道顶板吸水或失水过程都将弱化其完整性,造成巷道发生大变形,影响工作面安全高效生产。以布尔台煤矿22204工作面为研究对象,采用理论分析、现场探测、数值模拟综合研究方法明确了不... 富水顶板对回采巷道开挖及服务期间均具有较强影响,巷道顶板吸水或失水过程都将弱化其完整性,造成巷道发生大变形,影响工作面安全高效生产。以布尔台煤矿22204工作面为研究对象,采用理论分析、现场探测、数值模拟综合研究方法明确了不同区段巷道塑性区分布特征,认为无支护条件下含水区段塑性区发育范围约为5 m,明显大于正常区段塑性区范围2 m,且塑性区均呈明显非对称分布形态,同时提高支护强度可显著控制含水巷道塑性区半径。在此基础上提出了对顶板富水区段巷道进行“锚索+钢带”补强支护的分区动态支护方案,并进行了工业性实践,围岩控制效果显著。 展开更多

关键词 富水顶板 塑性区分布形态 矿压显现特征 分区动态支护技术 工业性实践

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