相邻工作面开采地表动态沉陷规律

为研究同煤层老采空区影响下的相邻工作面开采地表移动变形规律,在陕北榆神矿区金鸡滩煤矿建立了GNSS连续变形监测系统,通过对连续监测数据的分析处理,并结合FLAC~(3D)数值模拟,揭示了同煤层相邻工作面重复开采条件下的动态非对称性沉陷规律。研究表明:①受同煤层老采空区影响,相邻工作面在重复开采条件下,工作面中心两侧相同距离监测点的下沉值、下沉速度、水平位移及移动变形持续时间等并不相同,表现出极不对称性;②已破坏的老采空区岩层对重复开采响应快速,其移动变形更加敏感、剧烈,稳定时间较长;③数值模拟分析体现出,相邻工作面开采条件下地表下沉系数增大了5%,倾向方向地表移动变形影响范围增大了35.7%,走向主断面并未经过工作面中心,而是偏向老采空区一侧30 m,老采空区塑性破坏区高度增大了21.4%。分析结果对于相邻工作面重复采动条件下的地表移动变形预计、矿区土地复垦及矿区地面建筑物保护具有一定的参考价值。     

特厚煤层相邻工作面开采覆岩运移规律研究

为了掌握相邻工作面煤层开采后覆岩运移规律,采用FLAC有限元软件模拟某矿相邻工作面先后开采后覆岩应力、位移和塑性破坏特征。结果表明:相邻采空区残余支承压力在中间区段煤柱叠加,煤柱覆岩在极大应力的作用下产生较大的垂直位移和剪切破坏,使得两侧采空区高位覆岩向下同步运动;采空区覆岩随工作面回采呈现"增大-稳定"的拱形破坏,沿倾向形成双拱破坏,其与中间煤柱覆岩较大的剪切耦合形成1个横跨两采空区的破坏拱。最后通过现场钻孔窥视证实覆岩运移破坏特征,并结合经验公式得到相邻工作面开采覆岩"两带"破坏高度取估算上限值更为合理。     

8.8 m大采高工作面覆岩三带分布特征及分层沉降研究

煤层开采后受采动影响,顶板覆岩会形成垮落带、裂隙带、弯曲下沉带。采空区覆岩三带的观测研究对煤矿安全生产至关重要,但目前国内外对覆岩三带的观测研究多限于中、小采高工作面,对一次采全高超大采高工作面仍是空白。针对这一问题,以上湾煤矿首个8.8 m超大采高12401工作面为研究对象,通过钻探、孔内电视、地球物理测井等多种手段综合分析了超大采高工作面采空区覆岩三带分布特征,确定了三带发育高度。同时,本次研究还通过在采前孔安装布置分层沉降监测设备持续对12401工作面覆岩沉降情况进行了监测,综合分析了采空区分层沉降的特征及规律。研究表明:12401工作面垮落带高度为33.20～33.25 m,冒采比为3.91;导水裂隙带高度为118.08～132.83m,裂采比为13.91～15.65;弯曲下沉带距离地表39.17～48.92 m。研究发现:工作面覆岩从下沉到稳定经历了2次快速沉降,覆岩分层沉降相对地表最大下沉量为1.618 m,地表最终下沉量为4.706 m,下沉系数为0.5;随着采空区范围的增大,本区覆岩运动主要受到下部和上部2层关键层共同控制。     

采动覆岩与地表下沉关系模型及离层量估算方法

地下开采可能导致地表沉陷、基础设施损毁、土地破坏或地面积水等，进而诱发生态环境恶化。而采空区固体充填和覆岩离层注浆是控制岩层移动，减小采动损害的有效技术手段。传统的覆岩离层注浆往往采用关键层理论、数值模拟、相似材料模型实验和理论分析手段，因涉及的物理力学参数多、边界条件限制等，计算过程复杂，仅能给出离层层位，难以定量确定离层量。开采沉陷研究表明，采动覆岩与地表移动方向指向采空中心，移动边界可以简化为线性边界，基于下沉盆地主断面上地表下沉与任一覆岩下沉的面积相等和煤系地层的层状特征，构建了采动覆岩与地表下沉的关系模型，较好地反映了覆岩与地表下沉随边界角、工作面宽度、开采深度的发展演化规律。采动覆岩与地表下沉比值随埋藏深度增加而增大，反映了采动下沉效应从顶板向覆岩、地表的传递规律；随着宽深比的增加，同一层位岩层下沉与地表下沉比值减小，地表下沉增大；当边界角减小时，地表下沉范围增大，地表下沉值减小。结合钻孔揭示的覆岩结构与组合，可以逐层计算上覆岩层和地表的下沉值，利用两相邻岩层下沉的非一致性，可以确定各岩层间的离层量，通过计算导水裂隙带高度，剔除导水裂隙带内无法形成封闭充填空间的无效离层，进...     

厚黄土下综放高强度开采地表沉陷与覆岩破坏实测

为研究厚黄土下厚煤层综放开采地表沉陷和覆岩破坏规律,通过在工作面地表建立岩移观测站和地面钻孔水文勘探,进行了地表沉陷变形实测和覆岩破坏高度钻探测定。总结研究地表岩移观测站实测资料和覆岩破坏探测钻孔水文观测资料,得出厚黄土综放高强度条件下地表沉陷剧烈,曲线较陡,在下沉盆地边缘沉陷变形曲线收敛较慢,最大下沉速度偏大,采动影响范围偏远;覆岩破坏探测结果显示综放覆岩破坏异常发育,导水裂缝带高度与综放采厚近似成正比,裂高采厚比例系数平均为19.75。研究成果为黄土区综放地表开采损害防治和水体下采煤及顶板水害防治提供技术支撑。     

黄土沟谷区浅埋煤层开采斜坡变形破坏机理

为了分析浅埋煤层开采条件下黄土沟谷两侧斜坡的变形破坏机理，基于隆安煤矿深岩沟区域煤层开采地质条件，采用三维数值模拟计算以及理论分析相结合的研究方法，研究了煤层开采后上覆岩土体的应力分布规律、两侧坡体位移分布规律、变形破坏特征以及失稳破坏过程等。结果表明：沟谷两侧斜坡位移以竖直方向为主，水平方向位移均指向采空区中心。斜坡根据变形特征可分为4个变形区：采空区上方一定高度范围内的覆岩冒落塌陷区|采空区中部的松散土体弯曲沉陷区|松散土体弯曲沉陷区和地表移动边界之间的拉裂-倾倒区|地表移动边界之外的未影响区。斜坡的失稳破坏过程可以分为4个阶段：中部沉陷—两侧及后缘拉裂—剪切变形—失稳破坏。研究成果可以为黄土沟谷区域地质灾害评价、采动边坡变形破坏预测以及地表保护提供借鉴。     

特厚煤层重复开采覆岩与地表移动变形规律研究

为研究大同矿区特厚煤层重复开采覆岩与地表沉陷问题，以塔山煤矿8103和8104工作面的地质采矿条件为工程背景，沿倾向主断面建立了二维相似材料模型。反演分析了仅开采上覆侏罗系煤层时覆岩沉陷规律、两煤层重复开采时覆岩沉陷规律、离层发育规律、煤柱群垮塌规律以及地表塌陷规律，揭示了该地质采矿条件下覆岩与地表沉陷机理。研究结果表明：采用刀柱式采煤法开采侏罗系煤层，上覆岩层未发生显著的破坏和变形；在特厚煤层重复采动影响下，覆岩以一定的角度向上垮落和裂隙发育，当侏罗系煤层采空区受到下组煤开采扰动时，采空区中煤柱群受扰损伤，支撑能力降低，导致其上覆岩层沉陷加剧，在弯曲下沉带上方形成新的导水裂缝带，覆岩沉陷呈现“四带”发育特征。结合实测数据，分析了工作面沿倾向方向地表移动变形规律，基于Origin 8.0平台和概率积分法进行了二次开发，对倾向观测线上山方向实测下沉数据进行了拟合求参，获取了部分概率积分预测参数。研究结果可对大同矿区开采沉陷治理工程提供参考。     

长壁全部充填与条带充填开采沉陷控制效果对比

为了研究不同充填开采方法对地表沉陷的控制作用,采用理论分析和数值模拟方法对比了长壁全部充填和条带充填开采的地表沉陷规律,并对二者差异及原因进行了分析,研究结果表明:在充填率相同的条件下,采用长壁条带充填开采能够形成若干个间隔支撑顶板的"条带充填体",限制顶板和覆岩的下沉量,保证覆岩关键层结构不破坏,使得地表沉陷可控;而采用长壁全部充填开采,充填体被平均分配到整个采空区,导致空顶高度增加、顶板和覆岩的下沉量变大,造成覆岩关键层结构发生破坏、地表下沉加剧,因而沉陷控制效果较条带充填明显变差;在控制相同的地表沉陷效果时,长壁条带充填的充填率较长壁全部充填明显降低;说明一定充填率条件下长壁条带充填开采对地表沉陷的控制效果比长壁全部充填开采更好。     

金属矿山开采过程上覆岩层应力与变形特征

采用数值分析方法, 研究了动态开采过程中金属矿山采空区覆岩在拉应力、垂直应力作用下的位移及变形破坏特征。研究发现拉应力对覆岩造成的破坏较其它应力显著, 是覆岩垮落的主导因素。分析覆岩内部垂直应力发现: 开采初期覆岩内部压应力显著, 随着开采进行, 在采空区的正上方, 压应力逐渐向拉应力过渡; 垂直应力呈“凹”形分布在采空区两端部, 其形状和应力值随采空区的增大而增大。随着工作面的推进, 覆岩下沉范围和下沉量均逐渐增大; 下沉曲线的最大下沉点, 向工作面推进方向逐渐移动; 下沉曲线的光滑程度体现了监测点在覆岩所属区域是弹性区、塑性区还是垮落区。研究结果可为矿山围岩支护提供一定参考依据。     

深埋厚冲积层薄基岩煤层开采地表沉降特征与预测方法

煤炭地下开采导致上覆岩层的破断和运动，岩层运动传递至地表引发地表沉陷，改变地表形态，破坏地表连续性和生态环境。为降低采矿活动的负外部性，以赵固二矿为工程背景，综合运用室内试验、理论分析和现场实测等方法研究深埋厚冲积层薄基岩煤层开采地表沉陷与覆岩运动的关系、地表沉陷演化特征和地表沉陷预测方法。结果表明：深埋薄基岩厚煤层开采覆岩运动存在关键层控制和厚冲积层主导2个阶段，第1阶段薄基岩呈现层状破断特征，关键层下缘离层现象明显，厚冲积层保持稳定；第2阶段采动裂隙萌生于高位厚冲积层，下行扩展导致薄基岩全厚破断，层间离层现象消失；得到了工作面推进过程中不同层位覆岩沉降曲线动态演化特征，发现厚冲积层对覆岩运动和地表沉陷具有强烈控制作用，冒落拱失稳导致覆岩沉降曲线呈现周期性突变现象；薄基岩全厚破断后整体下沉，厚冲积层冒落体下向压实，采动裂隙快速闭合，导致采空区上方垮落带和裂隙带岩层破坏后的碎胀系数小，地表下沉速度快，沉降系数高，最大下沉量达到开采厚度；将地表沉陷区划分为直接沉降和间接沉降2个区域，深埋厚冲积层薄基岩赋存条件下间接沉降区范围增大，构建了地表沉陷分区预测模型；对赵固二矿地表沉陷特征进行了预...     

厚煤层综放开采工作面地表岩移实测分析

随工作面向前推进,采空区范围逐渐增大,上覆岩层因失去支撑而垮落下沉,沉降逐层传递,直至地表造成岩层移动。为研究掌握厚煤层综放开采条件下的地表岩移规律,本文以小峪煤矿8202工作面为例,结合理论、实测等方式,对厚煤层综放工作面上方地表岩层移动进行实测分析,为厚煤层采动影响下的地表沉陷控制提供数据支撑。     

特厚煤层重复开采覆岩与地表移动变形规律研究

为研究大同矿区特厚煤层重复开采覆岩与地表沉陷问题,以塔山煤矿8103和8104工作面的地质采矿条件为工程背景,沿倾向主断面建立了二维相似材料模型。反演分析了仅开采上覆侏罗系煤层时覆岩沉陷规律、两煤层重复开采时覆岩沉陷规律、离层发育规律、煤柱群垮塌规律以及地表塌陷规律,揭示了该地质采矿条件下覆岩与地表沉陷机理。研究结果表明:采用刀柱式采煤法开采侏罗系煤层,上覆岩层未发生显著的破坏和变形;在特厚煤层重复采动影响下,覆岩以一定的角度向上垮落和裂隙发育,当侏罗系煤层采空区受到下组煤开采扰动时,采空区中煤柱群受扰损伤,支撑能力降低,导致其上覆岩层沉陷加剧,在弯曲下沉带上方形成新的导水裂缝带,覆岩沉陷呈现“四带”发育特征。结合实测数据,分析了工作面沿倾向方向地表移动变形规律,基于Origin 8.0平台和概率积分法进行了二次开发,对倾向观测线上山方向实测下沉数据进行了拟合求参,获取了部分概率积分预测参数。研究结果可对大同矿区开采沉陷治理工程提供参考。     

浅埋深煤层开采沉陷预测方法应用及研究

煤炭资源开采引起的地表沉陷问题一直是绿色开采亟待解决的关键技术问题之一。为了弄清近浅埋条件下工作面回采覆岩垮断及地表沉陷规律,以店坪煤矿5号煤层开采面临的实际问题为研究背景,采用理论计算、数值模拟与现场实测相结合的方法,对5-210工作面回采条件下地表沉陷规律及其对地表保护区内建筑物的影响进行研究。基于采空区岩体应力-碎胀系数关系和开采沉陷基本原理,建立了地表下沉移动轨迹模型,理论预测工作面开采后的地表下沉规律,其最大下沉量为2.604 m。利用FLAC~(3D)数值模拟软件,建立了工作面回采地表沉陷数值计算模型,并利用Tecplot软件进行模拟结果的后期处理,模拟得出的地表沉陷最大值为2.78 m,最大下沉位于工作面中心位置。依据地表沉陷控制基准,利用几何关系计算得出地表沉陷影响范围及工作面布置的合理边界,将5-210工作面布置在+830 m水平南翼,西与830南翼运输巷相通,东至井田边界。并对回采期间地表运移沉陷规律进行了现场实测,利用GPS接收机进行RTK实时动态观测收集数据,监测结果显示,地表最大下沉量2.69 m,采空区地表沉陷区域没有影响工业广场上的建筑物的安全。基于理论计算和数值模拟相结合的方法,设计了5-210工作面合理位置和空间布局,取得了良好的实践效果,为类似地质条件的采空区地表沉陷预测提供了可靠的依据。     

风蚀地貌区浅埋厚煤层采动漏风规律研究

为研究风蚀地貌矿区浅埋厚煤层开采采空区漏风规律，以榆树岭矿井110501工作面为工程背景，通过相似模拟、数值模拟、现场实测相结合的方法对采空区漏风情况进行研究。研究结果表明：110501工作面开采后，裂隙发育至地表，地表漏风裂隙平均间距约为15 m,竖直方向上，距离煤层越近，覆岩下沉位移越大，最大下沉位移量约为8 m;裂隙贯通地表条件下，采空区自燃“三带”范围增大，地表风流为主要风源，风流路径为地表裂隙→采空区→工作面；工作面后方150 m采空区内为主要漏风区域，平均漏风强度为2.29 m³/s,采空区上覆岩层裂隙是主要漏风通道，靠近采空区回风巷侧裂隙漏风能力最强。研究结果可为风蚀地貌矿区浅埋厚煤层开采时工作面通风和采空区自燃危险区域判定提供参考。     

榆神府矿区双煤层开采覆岩破坏及地面沉降特征研究北大核心

为研究双煤层开采条件下浅埋煤层覆岩破坏特征及地表沉降规律,以榆神府矿区典型浅埋煤层地质条件为基础,采用数值模拟方法,分析了6种不同工况下双煤层开采时覆岩破坏与地表沉降特征,并用物理相似模拟实验加以验证。结果表明:浅埋煤层覆岩破坏方式为全厚切落,留煤柱开采时隔水层中采动破坏呈现“泥盖效应”,不留煤柱开采时采空区两侧形成离层裂隙发育区,裂隙沿采空区两侧上方呈约45°发展;煤层开采时地表呈台阶式下沉,随着工作面推进,地表沉降中心不断前移,隔水层重量对地面沉降的影响逐渐减小,煤层厚度与地表沉降值呈正相关性;煤层开采过程中存在应力集中现象,上覆岩层中垂直应力沿煤层开采方向依次出现应力集中区、应力卸压区和应力集中区。     

煤层群开采覆岩运移规律及“三带”高度确定

为研究煤层群开采条件下覆岩移动规律及“三带”分布范围，基于神东布尔台煤矿42106工作面概况，采用相似模型物理实验方法模拟了2^-2煤及4^-2煤2层煤先后开采的覆岩移动变化特征，分别就覆岩垮落特征、应力变化、岩层下沉量3个方面进行了对比分析。结果表明：上煤层工作面开采结束后，覆岩破坏程度整体较低，应力峰值主要存在工作面超前影响区域，存在块体铰接等现象；下层煤开采后裂隙带与上层煤采空区沟通，导致复合煤层采空区的断裂带远大于上煤采后的断裂带，应力相比上煤层整体较大，且顶板下沉量显著增大，覆岩历经离层、离层增大，最终闭合3个阶段。通过观测点数据测量确定了42106工作面“三带”高度，并在现场进行钻孔监测，验证了相似物理模拟结果的合理性。     

基于覆岩剩余自由空间高度的地表最大下沉值确定方法

针对待采综放工作面的地表最大下沉值难以精准确定的问题,依据采空区覆岩移动、变形、破坏特点和矿压显现规律,提出覆岩剩余自由空间高度等于地表最大下沉值的观点,通过分析覆岩剩余自由空间高度与采高、垮落带高度和垮落岩体残余碎胀高度之间的空间转变关系,构建了待采工作面地表最大下沉值的计算模型。以大平矿S2S2工作面为例,利用计算模型得到的地表最大下沉值为11.17 m,通过现场实测得到的最大下沉值为11.07 m,计算结果与实测结果的相对误差为0.10 m,误差率仅为0.90%。     

双煤柱工作面开采覆岩运动及地表沉降规律研究

针对葫芦素煤矿回采期间因缩面而产生的双煤柱结构问题,以葫芦素煤矿21102和21201工作面为工程背景,对双煤柱工作面煤层开采覆岩运动及地表沉降规律进行研究.结果表明:2-1煤层上覆第2岩层为主关键层并形成砌体梁结构,对采场矿压显现及覆岩运动起到最主要的控制作用;地表监测数据表明21102工作面已完全进入开采沉陷稳定期,回采21201工作面时,地表下沉速度及时、稳定,覆岩随采随动,危险性较小.相似模拟试验结果表明,随着模型开挖,横向裂隙逐渐向上覆岩层扩展,离层间距亦逐步扩大,并产生失稳垮落,21102工作面左侧方覆岩破断角为58°,右侧方覆岩破断角为62°,21201工作面左侧方覆岩破断角为56°,右侧方覆岩破断角为59°.工作面开挖后,覆岩依次垮落或下沉移动,与地表监测结果基本一致.研究成果可为深埋双煤柱工作面的安全回采提供借鉴.     

采空区充水活化及覆岩变形规律试验研究

为了研究充水情况下老采空区“活化”机理及覆岩运动规律,基于相似理论制作了采空区相似材料模型,通过人工注水的方式模拟采空区垮落带浸水状态,进行了煤层开采及充水条件下覆岩沉降变形观测,对采空区充水后上覆岩层变形规律、覆岩破坏形式进行研究。结果表明,煤层被开采后,自下而上会产生垮落带、断裂带和弯曲下沉带,采动破坏岩石会支撑上覆岩体,使得采空区边界存在空洞区域;煤层开采后的老采空区存在大量空洞、空隙,充水后采空区覆岩会发生“活化”,垮落带破碎岩石进一步压实,离层裂隙中间区域的压密程度高于两侧,随着充水时间延长,覆岩裂隙逐渐拓展,且采空区充水第一次观测时沉降量较大,之后岩层沉降量变化有减小趋势;采空区充水后垮落带上方岩层沉降量最大,覆岩越靠近地表,采空区充水对覆岩影响程度越小。     

浅埋煤层大采高开采地表裂缝破坏机理研究

矿井开采引起地表沉陷裂缝以平行开采工作面倾向为特征,在采空区边缘地表拉伸区未见明显的裂缝,而裂缝主要集中出现在对应采空区中央区域。文章以韩家湾煤矿2304工作面开采为研究对象,通过分析地质采矿条件,应用岩梁断裂理论和UDEC离散元计算模拟方法,分析了大采高开采覆岩移动变形的运移过程,揭示了地表裂缝分布形态与覆岩断裂结构演化的内在关系,给出了影响采空区地表裂缝形式的主要因素以及形成这种特殊裂缝分布形态的机理。