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。     

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。     

黄土沟壑区特厚煤层开采地表裂缝发育规律研究

黄土沟壑区煤炭大规模开采诱发的地表裂缝加剧了区域生态环境的损伤.以内蒙古大饭铺煤矿６１２０２工作面为研究对象,探究工作面开采导致的地表裂缝的产生机理、发育特征和展布规律,结果表明:(１)在开切眼周围容易产生沿边缘分布的拉伸裂缝和在中心区域呈 O 形分布的沉降坑;工作面中部区域散布着随工作面走向推进的弧形裂缝以及边缘区的拉伸裂缝,停采线范围附近地表裂缝主要以 C 形分布的张开式拉伸裂缝为主;(２)工作面整体以宽度为１０~３０cm 的裂缝为主,大多数裂缝的落差在 ５~２０cm 之间;(３)工作面采动过程中顶板裂隙不断发育贯通地表产生地裂缝,随着工作面的推进,裂缝宽度增加到最大值后开始减小直至趋于闭合;(４)沿工作面倾向方向,在地表沉陷区周边形成环状裂缝分布区,边缘区域裂缝不断发育,在工作面推进位置前方裂缝呈现“发育—闭合”的趋势.研究成果对西部黄土沟壑矿区煤炭开采与区域环境保护协同发展具有重要意义.     

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。     

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...     

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。     

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...     

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。     

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。     

重复采动地表移动变形规律分析

淮南矿区某矿 11123 工作面位于高潜水位矿区，因重复采动影响地表形成了大面积沉陷水域，给地表 移动变形观测站的建立造成较大困难，并且地表移动变形较初采工作面复杂。综合分析了 11123 工作面地表水文 环境和地质采矿条件，建立了重复采动条件下工作面地表移动变形观测站。通过全面观测建立了观测站与矿区的 相对控制网系统，准确获取了观测站控制点的高程和平面坐标，为后期进行日常观测提供了精准的点位三维信息 平差基准。根据日常观测中每一期观测站数据计算了 11123 工作面观测站 3 号倾向观测线的倾斜变形和曲率变 形，从而根据两种变形曲线的特征点获取不同时期的拐点位置。并对日常观测中发现的地表采动裂缝进行了 3 个 阶段的实测，采用钢尺量距法测量裂缝长度和宽度，通过改进前人采用的石灰浆作为追踪剂，采用石灰喷雾作为追 踪剂开挖实测裂缝深度。利用拐点位置动态移动规律验证了地表实际调查裂缝的动态发育规律。研究表明：采用 石灰喷雾作为追踪剂实测裂缝深度，可以防止开挖中石灰浆发生渗透造成测量误差大的问题；根据 3 号倾向观测 线拐点从最初位于 MS59 点附近逐渐转移到 MS56 点，可知 MS56~MS59 点之间的拉伸变形区逐渐变为压缩变形区， 位于先拉伸后压缩变形区间的裂缝也呈现出由产生到发育再到闭合的动态演变过程。     

综放采场支承压力对覆岩裂隙发育规律的影响机理研究

煤体采动后采场原有应力平衡被破坏,工作面前方支承压力动态变化,引起采场上覆岩体失稳变形直至破断,形成采动应力降低区以及采动裂隙场。通过RFPA有限元法再现了综放工作面开采过程中上覆岩层裂隙时空动态演化特点,并得出工作面前方支承压力及裂隙发育高度的量化数据。综合考虑相似模拟实验数据,以期为高位瓦斯抽放巷的合理布置提供参考依据。     

西部高强度采煤区矿山地质灾害现状与防控技术

榆神府矿区是我国重要的原煤产地,高强度、大规模开采导致矿山地质灾害不断涌现。通过高分遥感结合地面调查研究了本区矿山地质灾害现状,结果表明：本区矿山地质灾害主要包括地面塌陷、地裂缝、矿震、地表水体缩减、地下水位下降、土地退化等。地面塌陷可划分为4个区,其中严重区与煤层开采强度相关性高;地裂缝分布空间维数在1.45～1.51,垂直工作面走向的裂缝多于顺工作面走向的裂缝;采空区塌陷引发地震46次,最大震级3.2级;水体灾害包括地表水体面积缩减和地下水位埋深下降,地下水位下降8 m以上的区域面积达33 km2;矸石压占对土地利用结构影响较大,但荒漠化程度总体上呈逆转趋势。开展矿山地质灾害防控技术研发,建立矿山地质灾害、地质环境监测体系,是矿山地质灾害防控的重点。     

河下综放开采覆岩破坏发育特征实测及模拟研究

下沟煤矿位于泾河下的煤炭资源,采用综放开采,现有的导水断裂带高度计算方法不能满足水体下采煤安全评价的要求。为了掌握泾河下特厚煤层大面积综放开采的覆岩破坏发育特征,实现水体下安全回采,在研究区工作面不同位置布置了5个采后“两带”孔,进行了钻孔冲洗液漏失量和彩色电视观测,并通过物理模拟进一步研究了在各工作面间留设一定宽度隔离煤柱的开采方式的覆岩破坏过程。观测和模拟结果表明：隔离煤柱有效地控制了覆岩破坏发育高度,成为泾河下压煤安全回采的关键。根据得出的单工作面最大裂采比,并通过最小防水安全煤岩柱垂高的计算,认为地质条件满足泾河下安全回采的要求。     

基于UDEC数值模拟的滑动型地裂缝发育规律

为了研究西部黄土沟壑矿区煤炭资源开采引起的滑动型地裂缝发育规律,首先给出了滑动型地裂缝的定义和基本特征,提出了滑动型裂缝距和裂缝角的概念;采用UDEC数值模拟软件,分别建立了滑动型地裂缝动态发育模型、沟谷坡度模型、沟谷位置模型,分析了开采引起滑动型裂缝的动态发育规律,研究了滑动型地裂缝发育位置与沟谷之间的关系,并以大柳塔煤矿52304工作面为例,验证了模型的可靠性。研究表明：① 滑动型地裂缝的发育分为累积期、形成期、动态发展期、稳定期4个阶段;② 滑动型地裂缝发育位置与沟谷之间的关系模型为：滑动型裂缝角与沟谷坡度之间存在二次多项式关系,与沟谷位置之间存在线性关系;③ 工程实例表明,裂缝角的计算值与实测值之间的最大相对误差为3.4%,使用该模型进行滑动型地裂缝发育位置进行预测是可行的。     

矿区采空塌陷与地裂缝灾害探析

采空塌陷与地裂缝灾害是由采煤所引发的地质灾害之一,对矿区的生态环境和经济发展产生了重大影响。分析了矿区采空塌陷与地裂缝地质灾害的形成原因与影响因素,探讨了采空塌陷与地裂缝的危害,并对采空塌陷与地裂缝进行了分级评价。从建立地质灾害信息系统和管理两个角度,提出了采空塌陷与地裂缝灾害防治建议。     

深埋特厚煤层综放开采覆岩导水裂缝带发育特征

以大佛寺煤矿为试验矿井,采用钻孔电视系统和钻孔简易水文观测法,探测深埋特厚煤层综放开采顶板导水裂缝带发育高度,并对导水裂缝带演化特征进行相似模拟和数值模拟试验研究。研究分析表明:大佛寺煤矿深埋特厚煤层综放开采顶板导水裂缝带发育高度为170.80~192.12 m;裂缝带区域内,裂隙数量自上而下逐渐增多,近煤层区域裂隙异常发育;钻孔砂岩区域,受拉伸作用,形成了纵横交错的裂隙,裂隙尺寸、角度较大;工作面回采距离与顶板导水缝隙带发育高度曲线呈"台阶"型。     

厚黄土区大采高一次采全高地表移动变形规律

厚松散层下大采高一次采全高工作面开采强度大,回采率高,地表沉陷变形和岩移参数有其自身特点和规律。为研究大采高工作面地表移动变形规律,在王庄煤矿8101工作面上方设置了地表移动观测站。通过对观测资料的分析研究,揭示了厚黄土覆盖区、厚煤层一次采全高条件下地表沉陷变形特征,获得了该地质采矿条件下地表岩移预计参数和各种角值参数,分析了地表裂缝的发育、分布特征、裂缝宽度和深度等规律。与综放开采条件下的观测成果相比,大采高一次采全高工作面地表移动变形更加剧烈,沉陷过程在空间上和时间上更加集中,对地面建构筑物的影响更为显著。     

采空区上覆岩层导水裂隙发育高度研究

基于毛家庄矿3煤层80203工作面地质赋存情况,通过理论分析计算采空区上覆岩层裂隙发育高度,并采用钻孔返水损失量的测试方法分析采空区上覆岩层实际裂隙情况。经理论分析与现场实测结果的对比发现:采用理论分析法中的标准公式较经验计算公式计算结果更好反应现场实测采空区覆岩裂隙发育情况,经验公式计算结果偏小于实际情况;钻孔返水损失量分析法可用于煤矿井下采空区冒落带高度测定及冒落带上方导水裂隙分布高度测定,是一种简单可靠的现场实测方法。