煤矿开采诱发岩溶地表塌陷的机理分析

为有效预测与防范我国一些岩溶地区由于煤矿开采诱发的岩溶地表塌陷灾害,以江西丰城矿区坪湖煤矿为工程背景,采用数值模拟、地表移动计算等方法,分析了因采动引起的附加应力扰动导致岩溶塌陷发生的机理和影响因素,确定了岩溶塌陷易发性的评价指标。研究结果表明,地下开采会在岩溶地层产生拉应力,形成拉伸破坏区,对于浅埋溶洞,拉伸破坏区易发展至地表,形成岩溶塌陷,经地表移动计算分析可知,当地表拉伸变形达到1.8 mm/m以上时,地表发生岩溶塌陷的可能性较大。为了防范采动区岩溶塌陷,进行采前岩溶探测和采动影响预测分析十分必要。     

岩溶煤矿部分开采合理采高的研究

为了探究岩溶煤矿部分开采方法的合理采高,防止岩溶塌陷,以丰城矿务局某煤矿的地质条件和生产条件为背景,采用FLAC~(3D)数值模拟软件,模拟出了不同采高时上覆溶洞周围塑性区的发育情况,确定了矿井的最合理采高以及岩溶塌陷易发性的评价指标。研究结果表明,地下开采会使岩溶地层和表层产生拉应力,形成拉伸破坏区,对于浅埋溶洞,其周围拉伸破坏区易发展至表层破坏区而导致岩溶塌陷。由数值模拟结果可知,充分开采后上覆溶洞周围塑性区演化至非常接近贯通但又不贯通至表层塑性区时的采高为1.4 m,因此,该矿最合理采高为1.4 m。通过对数值模拟监测数据的计算分析及地表移动的计算分析可知,地表水平拉伸变形量大于1.89 mm/m时,地表可能发生岩溶塌陷。研究结论可为该岩溶煤矿安全、经济、绿色开采及相关研究提供依据。     

丰城矿区坪湖煤矿岩溶塌陷破坏研究

基于坪湖煤矿现场岩溶塌陷情况,阐述了影响岩溶塌陷的岩溶洞隙、覆岩盖层和外界动力等因素;系统分析了导水裂缝带、旱季地下水位下降和采动拉伸开裂等可能致塌原因,揭示了大面积长壁采动铅垂裂缝和水平离层是致使岩溶塌陷的外界动力因素和直接诱因;文中还总结了岩溶塌陷位置的采动影响特点,并利用概率积分法探讨了岩溶塌陷时地表变形初步指标。     

有关岩溶塌陷稳定性评价的分析

通过地貌、堆积物性状、地下水等进行定性分析,依据岩溶溶洞上覆岩土体性状、围岩岩体完整性等,采用经验公式计算半定量、定量确定溶洞、土洞顶板的安全临界厚度,与钻探直接揭露的溶洞、土洞埋深比值来评价分析岩溶塌陷的稳定性.     

非充分采动下浅埋坚硬顶板“两带”高度分析

为研究非充分采动下浅埋坚硬顶板"两带"高度,防止工作面开采过程中出现溃水、溃砂等安全事故,结合赵屋煤矿地质采矿条件,采用地表钻孔冲洗液漏失量现场观测及数值模拟,对赵屋煤矿采空区上覆岩层"两带"高度进行了研究,揭示了非充分采动下浅埋深坚硬顶板"两带"高度及其变化规律。研究结果表明:非充分采动下浅埋深坚硬顶板"两带"高度低于充分采动,采宽26 m时裂采比为7.65;导水裂隙带的高度整体呈阶梯型变化,一个阶段到下一个阶段都以突跳方式进入;非充分采动条件下,"三下采煤规程"中"两带"计算公式及传统经验值18~28倍裂采比在应用时需考虑采动的充分性。     

铁路岩溶路基塌陷机理与注浆加固方法

浅埋隐伏型岩溶塌陷基本特征是地下水水位变化频繁和地层浅部土洞、溶洞发育,岩溶塌陷的形成往往是多种机制综合作用的结果,如地下水位下降形成真空吸蚀作用、地下水潜蚀作用、列车或采石放炮震动作用等,构成铁路安全营运隐患。针对洛湛铁路益娄段岩溶发育特征与规律,利用粘土固化浆液具备施工成本低、工艺简单易行、堵水防渗及抗震性能好等诸多优势,通过试验确定粘土固化浆液的最佳配比为:粘土粉占20%~45%,水泥占10%~30%,水玻璃占3%~5%,固化剂占1%~3%,粘土原浆漏斗粘度值为30s,对洛湛铁路浅埋隐伏型岩溶路基实行溶洞充填注浆和路基水平帷幕注浆并举加固,加固层的厚度一般为5m左右。经多种手段检验,表明注浆加固工程质量得到很好的控制。     

极端气候与岩溶塌陷

近年来，极端气候事件特别是极端干旱和强降雨事件呈现不断增多增强的趋势，已成为岩溶区诱发大型岩溶塌陷的重要因素。通过对典型极端气候事件诱发岩溶塌陷的分析，岩溶塌陷动力条件对极端气候响应迅速，极端气候导致地表径流灌入式补给岩溶含水层，使下伏地下河系统径流速度、水气压力发生急剧变化，进而导致溶洞及充填物发生突发性失稳破坏，产生水击（气爆）、地震等效应，最后导致溶洞顶板发生大规模垮塌、地面塌陷产生。     

煤层底板含隐伏溶洞滞后突水机理

为了避免华北煤田底板含隐伏溶洞滞后突水事故的发生,以丰沛矿区三河尖矿特大水害为例,通过特殊环境下岩溶溶洞的形成原因与滞后突水的物理过程分析。数值软件模拟与事故现场观测资料对比,综合研究含隐伏溶洞底板的滞后突水机理,结果表明：新构造断裂对原始封闭地下水系统的打破及高温高压高矿化度岩溶水对白云岩的融化剥蚀是溶洞形成并不断扩大的主要原因;受采动应力与高岩溶水压力影响,隐伏溶洞顶部不断形成新岩溶塌陷且破坏隔水层的现象客观存在,是突水通道形成的关键因素;工作面推过隐伏溶洞上方一定距离,受岩溶塌陷持续剥蚀而逐渐变薄的残余隔水层因强度不足以抵抗高岩溶水压力而瞬间破断,致使采动裂隙与岩溶塌陷相互贯通,引发滞后性突水。     

广西合山煤田浅埋煤层采空区塌陷机理数值分析

针对广西合山煤田煤炭资源的枯竭,煤层开采引发的地面塌陷日益增多,地质灾害问题突出的现状,以煤田上塘矿区中南部的4个浅埋采空区为研究对象,在野外调查的基础上,利用离散元法建立三维数值模型,进行采空区顶板和地表的变形与应力分析,探讨了采空塌陷机理模式。分析结果表明:①采空区规模直接决定了地表变形程度,表土层厚度的影响作用是双向的;②地表水平移动极大值向下山方向偏移,下山方向顶板覆岩更易断裂和垮落;③采空区上覆岩层发育"两带",主要破坏形式为拉张破坏和剪切破坏;④浅埋采空塌陷的形成可归纳为开始、发展、贯通和稳定4个阶段,不同阶段均有典型的变形和受力表征。     

钟祥市斑竹垱岩溶地面塌陷成因与治理效果分析

钟祥市斑竹垱岩溶地面塌陷是典型的采矿降水疏干影响区地面塌陷。该岩溶地面塌陷的形成与岩溶发育程度、水文地质条件、人类工程活动密切相关,构造破碎带(断裂)促使地下水富集带发育岩溶,岩溶管道和溶洞为塌陷提供空间条件,采矿降水改变疏干区地下水径流途径诱发塌陷形成。采用注浆加固、回填、河床整治、绿化等工程对斑竹垱岩溶地面塌陷区进行综合治理,取得预期建设效果。     

陷落柱形成的力学机理及数值模拟研究

陷落柱存在是矿井安全的重大威胁,陷落柱形成机理的关键是溶洞顶板的破坏和塌陷机制,运用薄板理论分析了溶洞顶板的应力分布,得到溶洞顶板破坏是由于周边裂纹扩展开始的,并产生岩块分离体.用极限平衡分析法得出了溶洞顶板分离体塌陷的判据.根据这些判据,分析了陷落柱的发生、发展及停止的过程,并用有限元方法验证了以上理论分析.     

陷落柱形成的力学机理及数值模拟研究

陷落柱存在是矿井安全的重大威胁,陷落柱形成机理的关键是溶洞顶板的破坏和塌陷机制,运用薄板理论分析了溶洞顶板的应力分布,得到溶洞顶板破坏是由于周边裂纹扩展开始的,并产生岩块分离体.用极限平衡分析法得出了溶洞顶板分离体塌陷的判据.根据这些判据,分析了陷落柱的发生、发展及停止的过程,并用有限元方法验证了以上理论分析.     

坚硬顶板塌陷机理探讨

大同"两硬"浅埋深煤层开采地表塌陷具有整体一次性切冒特征,其特点是具有明显的滞后性和突发性,塌陷过程时间短、破坏性大、难以预测预防。通过对覆岩活动的力学分析,得出坚硬顶板塌陷原因,在采空区部分煤柱丧失承载能力后,上部覆岩将围岩应力转移到周边仍具有一定承载力的尚未完全失效的煤柱上,使相邻煤柱破坏,产生"多米诺骨牌"连锁破坏效应,造成顶板塌陷。     

浅埋坚硬覆岩下开采地表塌陷机理研究

对浅埋坚硬覆岩下开采地表塌陷机理进行了数值模拟.结果表明，采场上方存在高应力束组成的“复合应力拱”，“外应力拱”承担覆岩及地表土的自重并将其传递至采场两侧实体煤内，“内应力拱”主要承担悬空顶板的重量并传递至煤柱.“复合应力拱”形态随时间推移而不断演化，“内应力拱”不断合并抬升直至与“外应力拱”重合，最终拱肩处岩体受拉压复合应力作用而首先开裂，从而破坏了“复合应力拱”成拱机制而导致采场上方覆岩断裂、地表塌陷.     

杭来湾煤矿近浅埋煤层开采覆岩运动及地表移动规律研究

针对陕西榆林杭来湾煤矿首采面大采高近浅埋煤层地质条件,通过现场实测和理论分析,对综采面覆岩运动和地表移动规律进行了实证研究。将开采过程划分为初采阶段、正常周期阶段和末采阶段,设计并实施了采场顶板运动和地表移动的不同区域全方位监测。结果表明:(1)初采阶段,第3岩梁的断裂使得初采阶段内基本顶矿压显现最为剧烈,其根本原因在于基岩+松散层的特殊地层结构和完整且强度不高的复合结构体岩层;(2)工作面推进到320 m,即大约工作面宽度位置时,地表形成θ形沉降圈,标志着完成初采阶段向正常周期开采阶段过渡;(3)正常周期开采阶段,地表移动无超前影响,采动裂隙滞后工作面约42 m,动态塌陷滞后76 m,但对基岩能够产生动态载荷传递作用;(4)风积沙中、厚基岩条件下采动引起基岩与松散层相互共同运动,顶板运动结构表现为"两带"或不稳定"三带"特征,构成的复合结构体影响采场矿压的显现,顶板运动特征符合近浅埋煤层顶板运动规律。研究成果指导了30101工作面顶板矿压灾害防治的实践,并为后续工作面的设计提供了理论和技术保障。     

山体浅埋煤层采场顶板支护设计研究

采用理论分析、数值模拟分析相结合的方法,研究了振兴煤矿山体浅埋煤层覆岩应力分布特征及采场顶板支护问题,确定了山体浅埋煤层采场顶板支护参数,为类似条件下山体浅埋煤层工作面的安全开采提供了科学借鉴.     

浅埋岩溶地区地面塌陷的注浆治理技术

分析了浅埋岩溶地区地面塌陷的形成机理及各种可能的致塌因素,并介绍了钻孔注浆法治理地面塌陷的工艺流程.该方法具有效率高、成本低、治理后塌陷复活率低等特点.     

福建永安大湖岩溶塌陷形成机制与塌陷模式研究

为探讨大湖岩溶盆地岩溶塌陷形成机制及塌陷模式,通过实地调查和实测地质剖面,采用野外钻探、取样、室内试验分析,对研究区的岩溶塌陷成因及机制进行综合分析,提出区内岩溶塌陷机制模型。研究表明,大湖镇坑源村塌陷主要是因区内矿坑涌排水,使塌陷区的地下水水位降低和改变流向,地下水原有的浮托作用减弱直至产生失托,并产生冲蚀及土体流变,在有地下溶洞发育且上覆土层较薄处发生地面岩溶塌陷。在对大湖镇坑源村发生的多起地面塌陷成因详细分析的基础上,提出"失托—土体流变效应"的致塌模式。     

采动影响下松藻矿区近地表溶洞的变形破坏规律

针对松藻矿区地质采矿条件，从弹性力学和随机介质理论出发．导出了采动地表溶洞顶板拉裂及稳定性计算模型，建立了溶洞跨距、埋藏深度及开采移动变形之问的数学关系’分析了在松藻矿区基岩裸露条件下，浅地表溶洞受采动影响的’‘变形破坏规律。     

不同土层结构下覆盖型岩溶塌陷试验研究

以武汉市蔡甸区四海湾村湖北工建机电科技产业园建设项目岩溶发育区为研究对象,在现场工程勘查的基础上,结合研究区地质环境特征和工程地质资料,设计了物理试验装置。以项目现场的砂土和黏土为试验土体,开展了室内物理模型试验,研究了不同土层条件下的岩溶塌陷形态,以及演化过程中层内土体水平向应变、竖向应变、地表沉降随时间的变化规律。结果表明：不同土层结构下最终的岩溶塌陷形式各不相同,呈现出漏斗形、空腔形、直筒形等形式;层内土体水平向应变和竖向应变的变化与水位的升降、维持稳定的过程在时间上保持一致性,通过各个测点的应变变化可以判断出土层内部岩溶土洞的发育情况;岩溶塌陷对不同土层地表沉降的影响范围不同,黏土层地表塌陷坑直径较大,但对距离溶洞中心较远的地表沉降影响较小,砂土层地表的塌陷坑直径较小,但可以影响到距离中心溶洞较远的地表;塌陷演化过程中,层内土洞的发育同时向上部及水平方向扩展,根据地表沉降和层内各测点的监测数据,可以判断出岩溶塌陷经历了层内土体流失、土洞形成发育和地表塌陷3个演化阶段。研究结果对岩溶塌陷的防治具有实际意义和参考价值。