风积沙区采煤沉陷地裂缝分布特征与发生发育规律

煤炭开发可能加剧对生态脆弱区环境的损伤,风积沙区地下煤炭开采对地表环境的影响主要是沉陷地裂缝,且目前的研究缺乏对地裂缝从发育到湮灭全过程的研究,笔者通过井上下相结合的空间坐标控制体系和自主研发的动态地裂缝监测方法,对补连塔12406综采工作面地裂缝进行持续动态监测,提出了边缘裂缝的分布规律和动态裂缝的发生发育规律及其与地质采矿条件之间的关系。研究表明:①动态裂缝超前于当前工作面向前发展,裂缝超前距与工作面日进尺量呈现明显的线性正相关,平均的裂缝超前距为10.359 m,超前裂缝角为近似垂直角;②高强度开采动态地裂缝的两侧无明显落差,裂缝的宽度值在采动过程中有显著的周期性变化,呈"M"型双峰波形,且第1个峰值明显大于第2个峰值,峰值比为1.4~3.8;裂缝发育周期T包含两个时长近似相等的"开裂—闭合"过程,约为18 d,在此基础上,结合地质采矿条件,建立了T的通用函数模型,表明动态地裂缝具有快速闭合的自修复特征,不需要人工修复;③边缘裂缝以"带状"、"O"形圈的形态分布在工作面开采边界的内侧,裂缝带宽为46~50 m,裂缝带整体向内收缩,临近工作面采动会减轻原有地裂缝的影响,减轻约40%,开采结束后边缘裂缝仍然存在,是主要地表环境损伤区和重点人工修复区域。     

神南矿区采煤沉陷裂缝对土壤表层含水量的影响

为探究西部风沙区采煤沉陷裂缝对土壤表层含水量(0～20 cm)的影响,以神南柠条塔煤矿某工作面为研究区,使用时域反射仪(TDR)对动态裂缝以及不同宽度的地裂缝进行了土壤的水分含量监测,结果表明：(1)在动态裂缝整个发育周期内,裂缝周边表层含水量呈现处一个先快速下降后缓慢上升的趋势,且相对出塌陷侧的含水量损失量小于相对出露侧;且裂缝相对塌陷侧含水量及含水量恢复速度稍大于相对露出侧;在裂缝相对出露侧的土壤含水量受影响范围在85 cm内,影响周期为13 d;在裂缝相对塌陷侧的土壤含水量受影响范围在55 cm内,影响周期为12 d;在土壤自修复的作用下,土壤的含水量都可以得到基本的恢复;(2)对超充分采动区内不同裂缝宽度条件下(2、5、9、13、17、24、32、35、38 mm)的土壤含水量进行对比分析,发现在宽2、5 mm的裂缝对土壤含水量无显著影响,9 mm及以上的裂缝中,当裂缝宽度相同时,距离裂缝位置越远,土壤含水量越高;在距离裂缝相等时,裂缝宽度越大,土壤含水量越低。     

采动动态地裂缝发育特征监测装置的设计与应用

针对西部风沙区高强度开采动态地裂缝发育特征监测难点以及现有技术存在的问题,开发了一套采动地裂缝发育周期的监测装置,文章详细阐述了装置的组成、使用方法以及数据的处理方法。该装置在补连塔12406工作面进行动态地裂缝监测,监测结果表明,高强度开采动态地裂缝扩展的程度和时间相对较小,在垂直方向上无显著落差,在水平方向上的相对位移呈现两个时长近似"开裂—闭合"的发育周期,地裂缝的发育特征与过程进一步验证了高强度快速开采地表移动变形的特点。     

厚黄土覆盖层下覆岩采动裂缝闭合特征及应用研究

为科学评价老采空区作为新村址的地基稳定性,采用钻孔冲洗液漏失量观测、彩色钻孔电视观测、理论计算方法对厚黄土覆盖层条件下煤层开采16a后覆岩采动裂缝闭合特征进行研究。结果表明:经过多年移动变形,采空区上覆岩层中未发现离层、空洞,采动裂缝已基本闭合,工作面煤柱上方未发现明显裂缝,隔离煤柱有效控制了覆岩裂缝发育。采动裂缝宽度与采空区距离呈现远小近大的特征,距离采空区较近的覆岩裂缝宽度相对较大,距离采空区较远的覆岩裂缝已基本完全闭合,导水裂缝带高度最大减少了21%。分析认为,建筑物附加载荷对老采空区的扰动、残留空隙二次压缩和地表残余变形对新村址影响较小,地基具有较好的稳定性。     

采动地裂缝动态发育规律及治理标准探讨

为了研究西部矿区浅埋煤层开采造成的地裂缝灾害,以神东矿区为研究基地,对大柳塔矿22201,52304工作面开采的地裂缝进行了持续动态监测,研究了采动地裂缝的动态发育规律,建立了采动地裂缝发育深度和宽度、落差之间的定量函数关系模型,在此基础上,提出了采动过程中的临时性地裂缝治理标准和依据。研究表明:随着工作面的推进,采动过程中的临时性裂缝呈现"增大-减小-闭合"的动态规律;地裂缝发育深度与宽度之间存在线性增大的正比例关系,深度与落差之间存在对数关系;为保证安全生产,当"由上到下"扩展的地裂缝与"自下而上"发育的导水裂隙带贯通时,临时性裂缝需要治理,治理标准为导水裂隙带高度与地裂缝深度之和大于煤层埋深,治理依据为裂缝最大安全宽度或最大安全落差。     

浅埋厚煤层开采覆岩采动裂缝时空演化规律

为了分析浅埋厚煤层采场覆岩失稳运动对采动裂缝形成的影响以及覆岩采动裂缝的动态发展变化特征,基于串草圪旦煤矿浅埋厚煤层开采为背景,采用相似模拟、理论分析、数值计算相结合,研究了浅埋厚煤层开采覆岩采动裂缝形成机理及其时空演化规律。结果表明:浅埋厚煤层采场覆岩移动变形随承载关键层的失稳运动呈现动态性变化特征,承载关键层的失稳运动导致覆岩产生直通地表的采动裂缝,裂缝的尺度特征亦随承载关键层的失稳运动发生动态性变化;覆岩采动裂缝具有明显的纵向和横向分区特征,纵向分区以承载关键层为界分为两个区域,横向分区将采空区覆岩分为裂缝产生区、裂缝贯通发展区以及裂缝闭合区;6104工作面采空区内裂缝贯通发展区在滞后工作面0～100 m范围内,当在采空区下开采时裂缝贯通发展区减小为0～80 m范围内,该区域内裂缝随滞后工作面距离的增大而趋于闭合。     

降雨条件下风沙区高强度开采对剖面土壤水分的影响

为研究降雨条件下风沙区高强度开采对剖面土壤水分的影响,通过采用中子仪对高强度开采过程中表层土壤水分进行动态监测,分析降雨前后开采对风沙区垂直土壤水分变化的影响。研究表明:开采活动对不同区域土壤含水量的影响不同,正在开采的研究区受影响程度要大于采后的开切眼区,且边缘区大于盆底区;开采活动对不同深度土壤含水量影响程度也不同,对表层土壤的影响大于深层土壤;开采结束后,土壤水分有一定的恢复,且表层土壤恢复较快,深层土壤受影响时间较长。     

风沙区超大工作面开采土地损伤的演变与自修复特征

为揭示超大工作面开采过程中土地损伤的演变规律,以神东矿区的部分典型工作面为研究对象,建立了土地生态环境观测方法,发现地表移动变形、地裂缝以及土壤物理性质等关键要素具有一定的修复能力:① 与传统开采方式对比,超大工作面快速开采条件下,地表的移动变形和下沉总量没有变化,地表的下沉速度明显增大,地表受采动影响的时间缩短50%左右,相对均匀沉陷区的面积一次性达到78%,有效地促进了采后地形向采前状态的自修复;② 地裂缝存在明显的“分区”特性,动态地裂缝扩展程度较弱并快速闭合,发育周期与采矿地质条件有函数关系;边缘地裂缝以“O”型圈分布于开采边界,裂缝角呈近似垂直角,分布范围明显减小,也表现出较强的自修复能力;③ 土壤物理性质的变化与地表移动变形以及地裂缝的分区特征基本吻合,均匀沉陷区的土壤物理性质在采动1 a后趋于采前水平,而非均匀沉陷区由于边缘地裂缝的存在,暂无自然修复现象,需要辅助人工治理。     

我国采动地裂缝形成机理研究进展

煤矿区采动地裂缝可对岩土工程的稳定及土地生态安全造成严重威胁,研究其形成机理有助于实现矿区资源与环境协调开发。根据采动地裂缝的力学成因进行分类,系统梳理了不同类型采动地裂缝形成机理研究进展,分析了采动地裂缝的影响因素与研究方法,讨论了相关的关键科学问题。分析认为,岩层破断与表土层形变过程尤其是基岩与松散层接触面的应力-应变机制、动态地裂缝多周期形成机理、顾及多因素耦合影响效应的力学模型构建、多技术手段的综合运用、深部开采与生态脆弱矿区高强度开采以及煤炭开采新技术引起的地裂缝形成机理等将是未来研究的难点与发展趋势。     

风沙区采煤沉陷裂缝对表层土壤含水量的影响

为探究西部风沙区采煤沉陷裂缝对周边表层土壤含水量的影响特征,采用TDR对动态裂缝和边缘裂缝两侧不同距离处的含水量进行了动态精细监测。通过统计分析,确定了动态裂缝和边缘裂缝对周边表层含水量的影响范围和周期。结果表明:在动态裂缝整个发育周期内,裂缝周边表层土壤含水量呈现出一个先下降后上升再小幅度下降又上升的趋势,相对出露侧的含水量损失量普遍大于相对塌陷侧;相对于动态裂缝,边缘裂缝的影响范围和周期更大,但在土壤自修复作用下含水量均能得到恢复。采煤沉陷裂缝对表层土壤含水量影响不大,是短暂的,在较短时间内可实现自修复。     

沟谷地形下开采覆岩裂隙发育特征研究

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。     

黄土沟壑区特厚煤层开采地裂缝发育规律研究

黄土沟壑区特厚煤层开采易产生地裂缝,加剧生态环境破坏,危及矿区安全。本文以山西省某矿区104工作面为研究背景,结合现场调查、数值模拟和理论分析等方法,研究了采动地裂缝静态分布特征、动态演化规律及其形成机理。研究表明:地裂缝分为拉伸型、台阶型2种类型与分叉、平行2种组合方式。宽度0～5 cm的裂缝数量占52%,宽度5～10 cm的裂缝数量占28%,宽度10～15 cm的裂缝数量占14%,宽度大于15 cm的裂缝数量占6%,黄土沟壑区采动地裂缝发育程度更强;根据地裂缝分布位置,可以分为动态面内裂缝(工作面内且与开切眼基本平行)及永久边界裂缝(开切眼、停采线及平巷附近)2种类型。动态面内裂缝具有“山峰”活动规律,裂缝宽度呈现“先开后合再稳定”的变化特征,永久边界裂缝宽度呈现“只开不和”的变化特征,裂缝初始宽度与最大宽度满足线性正相关关系;地裂缝的形成是由下至上的动态发育过程,即“采煤—覆岩移动—地表变形—产生地裂缝”。通过构建“井下开采—覆岩移动—地裂缝产生”三维一体模型和地裂缝动态发育模型,定性分析了地裂缝的活动机理。研究成果对黄土沟壑区生态环境修复及采动损害防护具有重要参考价值。     

重复采动对顺层岩质斜坡变形破坏的数值模拟研究

煤层开采过程中顺层岩质斜坡易发生滑坡,且这类滑坡往往规模大,危害性大;以UDEC离散元法为基础,研究地下煤层重复开采对顺层岩质斜坡的影响。研究结果表明:采动影响的下沉量随埋深减少依次递减,岩层在受采动影响后的变形为非连续性变形,与单层开采相比,重复采动会导致斜坡在水平方向的移动变形显著增大;重复采动导致斜坡发育新的裂缝和裂缝群,更容易导致软弱结构层发生破坏,坡体稳定性进一步降低;单层采动时的"变形积累-裂缝产生-扩展-闭合"动态发育过程在重复采动时会演变成"变形积累-裂缝发育扩展-发育稳定"动态发育过程。     

浅埋煤层开采地裂缝发育特征研究——以陕西榆家梁煤矿为例

为了研究西部矿区浅埋煤层开采造成的地裂缝发育特征,以陕西榆家梁煤矿为研究基地,对榆家梁煤矿43303-2工作面采动引起的地裂缝进行持续动态监测,对其采动地裂缝进行监测,分析了地裂缝的形态、区域分布情况以及地裂缝形成的影响因素,初步探析了采动地裂缝形成机理及发育规律。结果表明,地裂缝的发育是一个动态过程,随着工作面推进一段距离后,逐渐在地表产生地裂缝;采动过程中的地裂缝的形成主要受深厚比、表土层性质、开采速度以及地形地貌等因素影响。研究结果对于地表建筑物保护和土地整治具有指导意义。     

陕北煤矿区采动地裂缝对土壤微生物和酶活性的影响

采动地裂缝作为黄河流域中游煤矿区重要的采动损害类型,影响土壤特性的规律和机理成为当前的研究热点。为了探究采动地裂缝对土壤微生物特性的影响,本试验以陕北煤矿区宽度为20～40 cm的采动地裂缝为研究对象,采集裂缝周围(水平距离60 cm以内、垂直深度60 cm以浅)土壤样品,分别采用绝对定量PCR方法和酶标仪法测定土壤细菌、放线菌、真菌的数量和蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶、磷酸酶的活性,剖析土壤微生物和酶的空间变化特征,在此基础上结合土壤主要理化特性指标,解译采动地裂缝在小空间尺度上对土壤微生物和酶的影响规律。结果表明:(1)采动地裂缝对土壤微生物和酶活性的负效应主要表现为水平差异特征,且随着水平距离的增加而明显减弱,当水平距离分别超过75,79,91,72,82,89,96 cm时,采动地裂缝对土壤细菌、放线菌、真菌、磷酸酶、蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶的负影响基本消失,土壤微生物特性的损害主要集中在水平距离1 m以内,可作为陕北煤炭开采损害区土壤微生物精准修复的靶向区域;(2)采动地裂缝周围土壤中有机质、铵态氮、有效磷、有效钾、黏粒、含水率、pH的平均降幅依次为9.51%～28.46%,24.31%～29.31%,12.61%～19.86%,4.11%～6.51%,4.93%～6.46%,2.36%～4.26%,1.98%～3.14%,而土壤有机质、黏粒、铵态氮、有效磷等指标与土壤微生物数量、酶活性在小空间尺度上都存在高度的一致性,相关系数分别超过0.8和0.6,均达到极显著正相关水平(P0.01),土壤有机质质量分数也应作为陕北煤矿区采动地裂缝影响土壤微生物和酶活性的重要指示性因素。越靠近采动地裂缝,土壤微生物和养分特性的自我恢复潜力越小,修复时应着重考虑人工方式,反之应着重考虑自然方式。     

黄土沟壑区煤矿开采地表裂缝发育规律

针对黄土沟壑区地形及采矿条件,采用大量野外地质调查手段,研究了黄土沟壑区地裂缝发育规律,研究结果表明:采动地裂缝分为边界裂缝和动态裂缝,其中边界裂缝落差最大,动态裂缝在超前发育阶段落差最大。沟谷处裂缝较少,坡体处裂缝较多,其中下坡方向产生的裂缝明显大于上坡开采,且易形成塌陷槽。     

洛河组砂岩含水层下大采高工作面导水断裂带演化规律

针对旬耀矿区厚煤层大采高工作面上覆洛河组砂岩含水层下的安全采煤问题,采用理论分析、相似材料试验和数值模拟研究了某矿1109大采高工作面覆岩破断及裂隙演化规律。研究表明:上覆岩层经历了直接顶破断、基本顶初次破断与周期破断、亚关键层初次破断与周期破断5个阶段,破断发生引起工作面煤壁上方裂隙密度和开度发生跃变,采空区覆岩裂隙经历孕育、产生、张开、闭合、压实5个动态阶段;从开切眼到充分采动过程中,在裂隙带的上部、工作面煤壁上方及开切眼上方裂隙较为发育,裂隙区近似"抛物线"状,采空区中部覆岩裂隙闭合而边界处裂隙不易闭合;工作面充分采动后,导水断裂带发育高度82~85 m,未导通上覆洛河组砂岩。     

陕北煤矿区采动地裂缝对土壤抗蚀性的影响规律研究

采动地裂缝作为黄河流域中游陕北煤矿区最突出且典型的采动损害问题,引发的水土流失效应已经不容忽视。为了研究采动地裂缝发育对周边土壤抗蚀性的影响,以陕北煤矿区内宽度分别为0～10,10～20,20～30 cm的采动地裂缝为研究对象,采集周边水平距离80 cm以内,垂直深度40 cm以浅的土壤,测定了土壤水稳性团聚体、微团聚体、无机黏粒、有机黏粒、物理性质类等14个国内外学者普遍关注的用于量化表征土壤抗蚀性的指标,采用层次分析法、敏感性分析和因子分析相结合的方法甄选出陕北采动地裂缝发育区土壤抗蚀性的重要量化指标,构建了陕北采动地裂缝发育区土壤抗蚀性综合指数模型。结果表明：(1)综合层次分析法、敏感性分析和因子分析,甄选确定>0.25 mm水稳性团聚体含量、平均重量直径、<0.001 mm细黏粒含量、土壤团聚度、土壤有机质含量5个指标作为量化表征陕北采动地裂缝发育区土壤抗蚀性的重要指标;(2)采动地裂缝会降低周围土壤的5个土壤抗蚀性重要指标,其中>0.25 mm水稳性团聚体含量变化最为明显;(3)根据土壤抗蚀性重要指标,基于因子分析原理构建了陕北采动地裂缝发育区土壤抗蚀性综合...     

浅埋薄表土层特厚煤层强制放顶条件下主要地裂缝演化规律实测

黄河流域是我国重要的生态屏障,也是我国重要煤炭基地集中区,生态保护与煤炭开采矛盾在此处异常突出。晋北煤炭基地具有典型浅埋薄表土层特厚煤层坚硬顶板的埋藏条件普遍采用强制放顶技术进行煤炭资源生产,但鲜见相关地理及技术条件下的地表主要裂缝演化规律研究,地表主要裂缝的产生制约着此类矿井生态保护与煤炭开采协同发展。为此,针对该条件下地裂缝的演化规律进行了实测研究,得到：(1)主要裂缝产生于开采边界,表现为先张拉、后上下错动且裂缝上部与下部脱离、上台阶下方会出现空洞。(2)工作面“见方”时,开采各边界主要裂缝发育情况类似,“见方”后,关键层按循环爆破步距(20 m)的3倍周期垮落,两侧巷道上方地表主要裂缝也按60 m“跳跃式”发育。(3)工作面正上方主要裂缝宽度及高差始终小于其他3处开采边界的主要裂缝,且闭合速度每隔一个放顶步距发生一次改变。(4)深(采深)厚(采厚)比较小、表土层薄时易造成对地表破坏最严重的边界不可自修复大裂缝,且裂隙带直达地表,绝大多数主要裂缝处于采场边界内,裂缝闭合周期更短,约9 d。(5) 110和N00工法及错层位等无煤柱开采技术可扩大均匀沉陷区范围,缓解边界台阶裂缝损害...     

多煤层重复采动覆岩破坏高度发育规律研究

为了研究多煤层重复采动下覆岩破坏高度的发育规律,以公乌素煤矿三煤层开采为工程背景,通过现场实测、数值模拟研究方法,得到了单层开采和三层重复开采时16煤1604工作面覆岩导水裂缝带高度,采用3DEC数值模拟研究了单煤层开采及重复采动覆岩的破坏特征,理论分析了重复采动覆岩裂隙发育机理及裂缝带高度的计算方法。结果表明：钻孔冲洗液观测与钻孔窥视结合实测法更准确,公乌素16煤重复采动条件下,裂采比15.14,垮采比3.15|模拟显示采空区两侧裂隙发育明显且为离散裂隙,中部裂隙闭合,裂隙高度与实测较为接近|提出了3种不同程度的重复采动裂缝带发育高度的计算方法,为确定重复采动条件下覆岩裂隙发育高度提供理论依据。