摘要：为了揭示煤矿开采引起的厚松散层承压含水层失水增大地表移动变形量的机理,采用专门设计的模拟实验装置,开展松散层承压水失水沉降模拟实验,结合理论分析了松散层承压水失水对地表下沉的影响机理。实验结果表明:土体在未加压与加压的情况下,都会因为失水产生固结沉降,造成含水层的固结压缩变形;在相同条件下,细粒径土质比粗粒径土质产生的变形量更大。

摘要：煤炭地下气化是我国先进能源领域重要的研究方向之一,也是我国煤炭资源“流态化”开采技术体系的重要组成部分。目前已完成的煤炭地下气化工业性实验由于实验规模较小没有引起显著的裂隙发育和明显的地表沉降发生。但随着煤炭地下气化实验规模的扩大及推广应用,如何面向不同地质条件进行地下气化生产设计控制裂隙发育及地表沉降是目前亟待解决的瓶颈问题,极大的限制了煤炭地下气化的选址及规模化生产。为了解决这个难题,利用数值模拟方法研究了无井式煤炭地下气化岩层与地表移动规律以及导水裂隙发育高度与气化炉参数的关系,同时利用理论方法提出了“双曲线”型焦化隔离煤柱稳定性评价方法。研究得出:①无井式煤炭地下气化岩层和地表移动曲线与常规条带开采岩层和地表移动曲线形态相似,可参考条带开采地表沉陷预测方法进行无井式煤炭地下气化岩层和地表沉陷计算,但预测参数需修正;②“双曲线”型煤柱评价可分为弯曲和矩形两部分进行,并在此基础上建立了“双曲线”型煤柱稳定性评价方法,可为不同地质条件下地下气化生产设计提供技术支撑;③无井式煤炭地下气化引起的导水裂隙发育高度与气化炉参数直接相关。当气化炉高度一定且隔离煤柱稳定时,气化炉宽度与导水裂隙发育高度呈线性正相关;当气化炉宽度和隔离煤柱宽度一定时,气化炉高度与导水裂隙发育高度也呈线性正相关,故在覆岩含水层下进行地下气化生产时,要兼顾导水裂隙与气化炉参数的关系。

摘要：为研究覆岩离层注浆开采条件下关键层变形特征及地表沉陷控制效应,准确预计地表移动变形值,对离层注浆开采关键层变形进行了力学分析,将关键层下方离层注浆充填体和煤岩体的组合视为弹性地基,并将之划分为压实区、欠压实区和实体煤区3种不同的区段,基于弹性地基梁理论,给出了关键层挠度方程和弹性地基系数计算方法;采用“两步法”,通过分层模拟的方式开展了离层注浆开采关键层变形与地表沉陷数值模拟,研究了不同工作面宽度条件下离层发育和关键层破断特征,以及不同注采比条件下地表移动变形特征;借鉴等价采高理论,将离层注浆开采条件下关键层弯曲下沉空间等效视为开采空间,结合概率积分法,建立了适用于离层注浆开采的地表沉陷预计模型。以淮北矿区袁店二矿7221离层注浆开采工作面为例进行了验证,结果表明:该地质条件下,离层注浆开采工作面宽度宜设计在90~120 m;采用提出的预计模型和方法能够对离层注浆开采条件下的地表沉陷进行有效预计,预计值与实测值平均误差9 mm,在允许误差范围内;离层注浆开采地表沉陷控制效果显著,减沉率约83%。

摘要：煤炭地下气化是煤炭资源绿色开采、清洁利用的重要技术手段之一。但目前仍处于开发研究的早期阶段,大规模推广应用仍然存在诸多问题需要进一步研究。本文针对煤炭地下气化过程中气化燃空区围岩的高温烧变特征及其移动破坏规律、煤炭地下气化采场气化炉–隔离煤柱的设计方法、地表沉陷的预计方法展开了系统的研究,取得了以下成果:(1)研究总结了煤系地层常见的泥岩–砂岩高温烧变特征,并对煤炭进行了高温–冷却环境下力学实验,实验结果为:在100℃以下煤炭表现出脆性;当温度达到200℃及以上后,煤炭表现出延性,当压力达到抗压强度的极限后,煤炭呈屈服流动状态。煤炭的力学参数随着温度的升高整体表现出增强–急剧减弱–稳定3个阶段的变化特征。(2)建立了温度–热学参数耦合变化的煤炭地下气化围岩内部温度场的扩散模型,基于乌兰察布煤炭地下气化实验区条件,计算煤炭地下气化过程中温度场在顶板内部的传播范围为11.4 m,底板内部传播范围为9.3 m,两侧煤壁的传播范围为9.6 m。基于煤岩力学特性随温度变化规律的研究成果,建立了基于动态参数的燃空区烧变围岩移动破坏的数值模拟方法,为研究煤炭地下气化围岩移动破坏机理打下了坚实的基础。(3)利用FLAC3D进行数值模拟发现,改变煤炭地下气化围岩移动破坏特征的主要原因是高温引起的煤岩力学特性变化,热应力在整个过程中影响较小。通过3DEC离散元模拟发现,气化开采时顶板垮落带高度与裂隙带高度及顶板的下沉量都大于传统开采。气化炉稳定条件下,随着采区气化面数目的增多,覆岩破坏高度及煤柱塑性区域的宽度都有所增加,但变化较小;同一采区内,采出率接近50%后,气化采场稳定性快速衰减,极易造成顶板失稳。气化炉宽度大于24 m时,基本顶开始破断。因此,气化炉宽度设置在16~24 m范围,采出率为40%~50%时较为合理。(4)基于大板裂隙理论及极限平衡原理分析了隔离煤柱内部的应力分布,建立了隔离煤柱屈服区的计算方法。在此基础上结合煤炭地下气化特殊的隔离煤柱形态及高温烧变特征,推导了梯形高温烧变煤柱的屈服区宽度的计算模型,提出了基于屈服破坏区宽度及基于极限承载的隔离煤柱稳定性评价模型。(5)将基于微分求积法的状态空间方程解法应用于煤炭地下气化高温烧变顶板移动变形研究,解决了煤炭地下气化烧变厚板变形的求解问题。建立了固支、简支状态下高温烧变顶板极限跨距的计算方法。计算结果显示:随着顶板厚度的增加,烧变顶板与非烧变顶板的极限跨距都随之增加,顶板厚度相同时简支条件下非烧变顶板极限跨距小于高温烧变顶板,且随着顶板厚度的增大烧变顶板极限跨距的增长速率小于非烧变顶板;固支条件下高温烧变顶板的极限跨距大于非烧变顶板,且随着顶板厚度的增大烧变顶板极限跨距的增长速率大于非烧变顶板。(6)基于地下气化采区围岩协同变形思想,将多条带气化面顶板变形看作燃空区顶板变形与煤柱应力集中造成的煤柱及顶底板压缩量的总和,建立了基于燃空区围岩协同变形的顶板下沉模型。基于该模型建立了基于顶板下沉空间与等价采高的地表沉陷预计方法,通过数值模拟及实地测量显示该方法能够很好的应用于煤炭地下气化地表沉陷预计中。