浅埋煤层高强度开采区地裂缝发育特征——以陕西榆神府矿区为例

通过遥感解译结合实地调查,对榆神府矿区采煤损害进行了分析研究,结果表明：自1993年以来,榆神府矿区塌陷区面积共94.47 km2,地面沉陷区95处,地裂缝1 802条（组）;地裂缝在地表的展布具有明显的分带性,黄土沟壑区高强度开采区,地裂缝密集,地表破坏严重;风积沙地区,高强度采煤地裂缝密集,部分地裂缝自然弥合,地表表象不明显;开采强度对本区地裂缝的发育起决定性作用。本区地裂缝主要分布在石圪台-大柳塔、大昌汗-老高川、榆家梁、锦界、柠条塔煤矿北翼以及大砭窑、麻黄梁一带,均为煤炭高强度开采区。     

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。     

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。     

生态脆弱矿区地表裂缝动态变化对土壤含水量的影响

针对我国西部生态脆弱煤矿区煤炭开采对土地生态环境的损害问题,以陕北生态脆弱矿区某矿为研究区,采用土壤水分速测仪(TDR)现场实测、统计分析相结合的方法,基于已有研究成果,研究分析采空区上方表层土壤含水量的变化与地表采煤沉陷动态地裂缝动态发育规律的关系。结果表明:采空区上方表层土壤含水量的变化与地表动态地裂缝的动态发育规律基本一致,当地表裂缝开始出现并开裂时,裂缝周围表层土壤含水量逐渐减少;当裂缝初次闭合时,表层土壤含水量也随之有小幅度回升;当裂缝再次开裂时,表层含水量也随之下降;随着工作面推进,后方裂缝闭合,表层土壤含水量也随之上升,且动态裂缝对表层土壤含水量有一定的影响范围,影响距离70 cm左右,距离地裂缝距离越近,表层含水量变化越明显,当距离超过70 cm时,表层土壤含水量基本不再变化。采动地裂缝对周围土壤含水量具有一定影响周期,且影响周期与动态地裂缝发育周期基本一致,土壤水分的变化与采动地裂缝的发育过程紧密相关,发现采动地裂缝的开裂与闭合对土壤微结构造成影响,进而影响土壤水分的蒸发与渗透,当采动地裂缝闭合后,土壤含水量将逐步恢复至采前水平。该研究具有开采工作面小尺度精细研究的特征,有助于生态脆弱矿区煤炭开采对土地生态的影响机制研究。     

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。     

水库下厚煤层综放开采安全性及采动影响研究

针对潞安矿区漳村煤矿常隆水库下厚煤层综放开采安全与否问题,采用现场实测、工程类比等方法研究了综放开采导水裂缝带发育规律,计算了水库下采煤防水安全煤岩柱合理尺寸以及文王山南正大断层上盘安全隔离煤柱尺寸,分析了断裂构造对水库下采煤的影响,进行了水库下采煤安全可靠性分析,采用概率积分法和克里格差值法预测了水库下开采区域地表沉陷情况和采后水库区域扩大淹没范围。基于实测地表裂缝临界水平变形,预测了开采地表及水库底部地裂缝极限发育深度,分析了采动后水库渗漏可能性及开采对坝体采动影响。研究结果表明:水库下综放开采留设防水安全煤岩柱尺寸是足够的,采取合理的安全技术措施可实现水库下综放顶水开采,受地表沉陷影响水库淹没范围有一定幅度增加,水库下综放开采地裂缝极限发育深度为7.8 m,不会导致库区渗漏和库内水位骤降,可以达到地表水资源保护和水库下采煤的双重效果。     

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。     

堰塞湖下特厚煤层综放开采安全性及采动影响研究

针对彬长矿区火石咀煤矿七采区地表堰塞湖下特厚煤层综放安全开采问题,采用现场实测、工程类比等方法研究分析了特厚煤层综放导水裂缝带发育高度,验算了水体下采煤防水煤岩柱尺寸,并类比开采案例分析了堰塞湖下采煤安全性。采用概率积分法计算了堰塞湖地表沉陷变形,预测了湿陷性黄土开采地表裂缝极限发育深度和采动扰动坡体稳定性。研究结果表明:彬长矿区特厚煤层综放导水裂缝带发育异常剧烈,裂采比达到20倍;堰塞湖下煤层顶板基岩厚度远大于所需安全防水煤岩柱尺寸,采取合理的技术措施可以实现地表水下安全开采;地表沉陷不会使堰塞湖淹没面积大幅增加。目前堰塞体稳定性良好,短期不会出现湖水漫坝情况。预测地裂缝最大发育深度达12.8 m,受地形影响堰塞体及湖底地裂缝发育受到抑制,不会导致堰塞湖水体渗漏。采动影响会扰动地表特别是东侧塬体的稳定性,地表沉陷和地裂缝会对临空坡体的崩落滑坡产生促进作用。     

煤炭开采对地表森林植被影响分析

以官地煤矿与天龙山森林公园重叠区采煤工作面地表塌陷区为研究对象,采用现场勘探和统计法对地裂缝发育情况进行统计,用Arc GIS软件将地裂缝展布与采掘工程平面图、地形图叠加,分析地裂缝存在对地表植被覆盖影响。研究表明:煤炭开采后地裂缝主要发育在采面切眼、停采线、护巷煤柱两侧及巷道交汇处,在地表起伏明显区域地裂缝数量明显增加;距地裂缝2 m以内的植被覆盖与地裂缝关联度大,2 m以外则关联度不明显;地裂缝对其附近4 m范围内的植被生长影响明显。     

基于“空天地”一体化技术的岩层采动损伤监测与应用

矿区采动损伤监测是研究地表移动变形规律、开采损害预警、减损设计的重要依据。由于西部特殊开采地质条件、生态损伤累积效应和传统开采沉陷监测技术在观测精度、数据处理、成本投入和监测效率等方面的缺陷,从煤炭开采全生命周期角度出发,提出采动损伤科学内涵并构建矿区“空天地”一体化监测技术体系。以神东矿区上湾煤矿12401工作面为研究背景,利用BDS+GPS进行控制测量,为地表形变监测提供高精度空间三维坐标;基于InSAR技术探究地表沉降量和形变速率的时空演化规律;采用无人机与现场实测方法厘清地裂缝发育规律与工作面推进速度、来压步距的对应关系;运用固定站式三维激光扫描精确获得地表下沉量;通过高密度电法和探地雷达揭示地下深层隐伏裂缝的发育趋势与部分岩层的离层现象。研究成果发现开采后地表存在抬升现象,在抬升与下沉交界处容易形成地裂缝。中部动态裂缝宽度变化存在“单峰裂隙”与“双峰裂隙”演化规律,前峰裂缝宽度约为后峰的1.5倍,前后峰值间隔10 d左右。通过InSAR精细观测区、GNSS控制点与三维激光扫描结果进行多源数据融合,得到工作面地表沉降云图和采动损伤数据信息,厘清基本顶周期来压、主关键层破断与地表...     

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。     

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。     

大柳塔煤矿多煤层开采覆岩变形破坏模拟研究

针对大柳塔煤矿远距离多煤层开采冒裂带发育及采动影响问题,通过相似模拟和数值模拟计算,系统研究了2个主采煤层开采过程中覆岩垮落、裂隙发育及地表沉陷规律。研究结果表明：浅部2-2煤覆岩主关键层破断后,顶板基岩会发生直达地表的整体切落现象,5-2煤一次采全高长壁开采冒裂带连通上部采空区,形成工作面涌水的导水通道;重复采动岩层与地表移动和变形值增大,非连续性破坏增加;采空区上覆岩体依据主应力分布可划分为双向拉应力区、拉压应力区和压应力区3个区,主应力状态对采动裂隙的形成、发育起着控制作用;采动影响与工作面几何参数密切相关,地表沉陷随着工作面斜长或采厚的降低而减小。研究成果对大柳塔及类似条件下的煤矿安全开采与设计有指导意义。     

关键层理论在开采沉陷中的应用现状与进展

在简述关键层理论的产生背景、发展历程与应用现状的基础上,分析了关键层理论应用于开采沉陷研究的必要性,重点介绍了关键层理论在开采沉陷研究(关键层对地表沉陷的影响、开采沉陷预计、采动地裂缝、地表减沉与采空区稳定性评价等)中的应用现状与进展.分析表明,将关键层理论应用于开采沉陷有助于研究地表沉陷动态过程与采动地裂缝形成机理,并提高沉陷预计精度及地表减沉效果.同时,还讨论了现有研究的不足,进而提出今后的研究方向与待解决的问题.     

黄土丘陵区高压输电线塔下压煤安全开采

晋西黄土丘陵地区地形复杂,冲沟发育,黄土层地表受煤炭开采影响后地表移动变形剧烈,地表移动变形十分复杂,容易引发地裂缝、崩塌、滑坡等地质灾害。为确保地面高压输电线塔安全使用,通过对黄土丘陵区地表采动变形及损坏特征及地表高压输电线塔抗采动变形能力分析,文中提出了高压输电线塔保护性开采方案,并对高压线塔采取安全保护措施,实践表明采后未影响高压线塔的安全使用。     

高强度开采覆岩地表破坏及防控技术现状与进展

随着我国煤矿开采技术与装备水平的提升,煤矿生产集约化、智能化程度越来越高,以综采放顶煤、大采高支架为代表的高强度开采工作面日趋增多,研究高强度开采覆岩与地表破坏等负外部影响及其防控技术对于实现矿区资源开发与生态环境协调发展具有重要意义。在分析了煤矿高强度开采定义及其主要技术特征的基础上,阐述了长壁高强度开采引起的覆岩破坏规律研究现状及其进展,包括覆岩破坏高度理论分析、覆岩破坏充分采动及其判据、覆岩破坏高度计算方法以及覆岩"两带"破坏模式及其形成机理等,主要研究了覆岩破坏传递过程,提出了基于覆岩破坏传递过程的覆岩破坏充分采动程度判据及其高度计算方法,揭示了高强度开采覆岩"两带"破坏模式的形成机制。其次,基于大量高强度开采工作面地表岩移实测资料,从高强度开采地表裂缝特征及地表移动变形特征等方面总结了我国煤矿高强度开采引起的地表变形破坏规律及其研究进展,阐述了高强度开采对覆岩与地表水资源、土地资源、地表生态环境、建(构)筑物等方面的负外部影响;基于高强度开采诱发的负外部影响,分析了我国高强度开采覆岩与地表破坏预防和控制技术及其进展,提出了煤矿高强度开采采动损坏的防控思路。研究认为我国煤炭高强度开采矿区将以开采的负外部影响一体化规律与防治、生态环境监测及保护技术研究为主,高强度开采条件下矿区生态环境原位保护将是未来的发展方向。     

薄基岩浅埋煤层工作面地表动态移动规律研究

为了有效控制和治理采动薄基岩浅埋深煤层地表动态移动,以神府东胜矿区上湾煤矿51101工作面为例,通过为期6个月的现场地表移动监测,深入研究了薄基岩浅埋深煤层下开采地表动态移动特征,对开采引起的地表裂缝形态及闭合的原因进行了分析,得出起动距、超前影响角、地表最大下沉速度及最大下沉速度滞后角等岩层移动参数。研究结果表明:薄基岩浅埋深煤层下综放开采具有地表移动剧烈、持续时间短、地表下沉速度大、起动距偏大等特点,且地表动态移动表现出初始期、活跃期短而衰退期较长等特点,地表裂缝发育的平面几何形态呈椭圆形,采空区外受开采影响的范围约60 m。     

榆神府矿区开采沉陷的灰色关联分析及其回归预计

根据陕西榆神府矿区15个典型矿点的煤炭地质赋存条件和开采设计以及地表岩移观测数据,采用灰色关联分析法研究了地表最大下沉系数与其影响因素之间的关系,分析结果表明:覆岩综合普氏硬度、扰动系数、深厚比、采高等是影响该矿区开采沉陷的关键影响因子;用逐步回归分析方法,建立了开采沉陷回归方程,对煤矿区开采沉陷的采前预计提供了科学依据。     

浅埋深厚煤层高强度开采地表沉陷规律研究

以西部神东矿区大柳塔煤矿为工程背景，选取典型的浅埋深高强度开采工作面52307工作面为研究对象，设立地表岩移观测站，并结合RTK观测技术与三维激光扫描技术进行实时监测，基于关键层理论和CISPM综合地表沉陷预计模型软件，综合分析在浅埋深高强度开采条件影响下，地表移动变形特征、地表岩移角值参数变化以及地裂缝发育等问题。研究结果表明：在工作面从开切眼向前推进过程中，地表下沉值在开切眼位置较小，之后突然迅速增大，下沉曲线急剧变陡，当达到最大下沉值时，下沉速度开始变缓；地表移动变形主要集中在工作面中部，工作面四周下沉变形较小，地表移动影响范围较小；大柳塔矿区地表岩移角值参数偏大，基岩移动角和边界角分别达到了87.7°和84.1°。开采引起的地裂缝整体呈“C”字型主要分布在工作面中部；随着工作面的不断推进，地裂缝从开切眼位置开始继续向回风巷一侧缓慢延伸、发育并逐渐闭合，最终形成连续包围“漏斗”型形状；地裂缝总是滞后于工作面出现，地裂缝滞后距与工作面推进速度呈线性增大的关系。根据地表沉陷规律及地裂缝发育分析结果得出，在浅埋深厚煤层高强度开采条件下，由于工作面开采强度大、推进速度快、关键层结构单一且...     

麻家梁煤矿采空塌陷后地表水对矿井安全的影响评价

麻家梁煤矿4号煤层一、二、五采区已开采的工作面上部地表已出现地表塌陷及地裂缝,地表水有可能由地裂缝及塌陷区沿导水裂隙带进入矿井,影响煤矿的安全生产工作。针对这一情况,分析了可能造成地表水由地裂缝及塌陷区进入矿井的相关因素,结合井下实际观测成果,评价了麻家梁矿井采空塌陷后地表水对矿井安全生产的影响程度。