超高水材料覆岩注浆减沉实验研究

通过相似模拟实验技术建立相似比为1∶200的采场及上覆岩层模型,基于岩层的关键层理论对煤层采动过后的岩层移动进行理论分析,得出采煤工作面在推进120 m后,分布在关键层下部的上覆岩层发生离层并随着时间的增加进而影响到地表变形。利用建立的相似模型,模拟由地面向覆岩打钻孔至主要离层空间进行注浆,利用超高水材料良好的流动性、凝固时间可调及三向应力状态下不可压缩的特性,在地表下沉之前对离层裂隙进行充填,来控制由于煤层开采导致的地表沉陷。考虑到超高水材料的流动性、强度及凝固时间须符合注浆充填的要求,通过配比实验确定充填的材料的水灰比为1∶12。     

覆岩离层注浆开采地表下沉预计

本文应用矿山开采沉陷与弹性薄板理论，提出了覆岩离层注浆开采地表下沉预测模型，并对模型参数给出了具体的估计方法。为预测覆岩离层注浆开采地表下沉提供了理论依据。     

综采工作面垮落带注浆充填开采覆岩采动裂隙定量表征试验研究

为定量表征冒落区注浆充填对覆岩采动损伤程度的影响,以任家庄煤矿110903工作面为研究背景,开展垮落法开采和垮落带充填法开采物理相似模拟实验,运用分形理论研究两者覆岩裂隙演化特征,并对其覆岩运移规律进行对比分析。研究结果表明,垮落法开采后采动裂隙分形维数变化规律为迅速上升-缓慢下降-缓慢上升-急剧上升,注浆充填开采后变化规律呈迅速上升-迅速下降-缓慢下降-缓慢上升;将采动裂隙发育网络划分为离层裂隙区、离层压实区、垮落裂隙区、竖向破断裂隙区四个区域,对比垮落法开采和垮落带充填法开采,充填后采场覆岩裂隙不发育,离层压实区范围较小,发育高度仅为21.96 m;注浆充填开采后各关键层下沉量显著减小,关键层2最大下沉量出现在顶板初次破断处,垮落法开采后关键层2最大下沉量出现在采空区中部。垮落带注浆充填开采能有效改善覆岩裂隙损伤、控制覆岩裂隙发育、减缓覆岩下沉,该成果可以为任家庄煤矿充填开采控制地表沉降提供一定的理论依据。     

覆岩离层注浆开采地表下沉预计

本文应用矿山开采沉陷与弹性薄板理论，提出了覆岩离层注浆开采地表下沉预测模型，并对模型参数给出了具体的估计方法。为预测覆岩离层注浆开采地表下沉提供了理论依据。     

煤矿开采沉陷有效控制新途径的探讨

分析了充填开采、条带开采、覆岩离层注浆岩层控制技术和“采-注-采”三步法开采的优缺点,在此基础上提出了“条带开采-注浆充填固结采空区-跳采剩余条带”的新三步法开采沉陷控制的新思路,并比较其优缺点。初步分析表明,采用新三步法可以更好实现对岩层移动和地表沉陷的有效控制,地表下沉系数可控制在0.20以内,煤炭采出率可达到70%~80%,可大幅度减轻对环境的破坏。     

充填开采上覆岩体内部预计参数研究

为了准确预计风井井筒的采动变形,需要获得矿区充填开采岩体内部概率积分法的预计参数。采用数值模拟的研究方法,对充填开采引起的岩体内部移动进行了观测,获得了变形预计参数的变化规律。研究结果表明:充填开采的地表下沉系数、水平移动系数比垮落法开采分别增大了0.62%、10.03%,主要影响角正切值减小了33.86%;充填开采的岩体内部下沉系数随覆岩高度的减小而增大;水平移动系数随覆岩高度的减小呈现先减小后增大的趋势;主要影响角正切值随覆岩高度的减小而减小。充填法与垮落法开采的地表变形预计参数并不相同,岩体内部下沉系数的变化幅度受岩层的岩性和层位影响较大,主要影响角正切值的变化幅度受岩层岩性和层位影响较小。     

华丰煤矿成功应用地表斑裂下沉控制技术

山东新汶矿业集团华丰煤矿针对开采水平不断延伸，地表斑裂下沉造成的影响越来越大，影响地面村庄安全的问题，与山东科技大学合作进行了“地表斑裂下沉控制技术”科技攻关，开发了三维半解析有限元岩层及地表移动计算程序。通过实施“地面钻孔覆岩离层高压注浆充填”减沉工程，     

淮北矿区注浆充填开采地面沉降规律及分析研究

地下采煤引起岩层移动及地表沉陷,会对房屋建筑等设施造成严重损害。淮北矿业自2009年以来在杨庄、临涣、刘店等煤矿多个采煤工作面进行了采动离层注浆充填开采试验,同时进行实时地表移动与沉降观测。文中结合注浆充填开采工作面地质采矿条件、上覆岩层以及工作面参数等数据,采用注浆充填方式使地表减沉控制技术得以很好利用。     

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。     

覆岩离层注浆充填保护地面高压线路试验研究

采用覆岩离层充填控制地表沉陷技术对济宁二号煤矿4302工作面开采保护地面高压线路进行了试验研究。针对工作面地质和采矿技术条件,设计了合理的覆岩离层充填实施方案,包括注浆站、注浆井、注浆管路、注浆运行系统及工艺流程。通过对地表及高压线杆移动观测站数据进行分析,得出覆岩离层充填后的地表下沉曲线、地表减沉率以及高压线杆的下沉与偏斜值。试验结果表明,覆岩离层充填后地表减沉效果明显,高压线杆偏斜均未超过其允许限差,高压线路正常运行。     

采动覆岩卸荷膨胀累积效应

地下煤层开采引起的岩层运动是一系列安全和环境问题的根源,研究采动岩层运动规律是安全、高效、绿色开采的重要基础。通过对岩层运动过程的研究,揭示了采动覆岩卸荷膨胀累积效应及其对岩层运动规律的影响机制。研究表明:采动覆岩经历了卸荷膨胀与再压实的动态过程。受关键层结构控制,上覆岩层由下向上成组破断运动,关键层破断前,阻断了上覆载荷向下方岩层的传递,导致其因卸荷而产生膨胀,包括碎胀与弹性膨胀。随着关键层破断高度增加,覆岩卸荷高度同步增大,因卸荷而膨胀的岩层总厚度不断增大;同时卸荷煤岩也受到已破断关键层载荷的压实作用,从而造成覆岩卸荷膨胀总量的不断变化。将这种覆岩卸荷膨胀总量随覆岩卸荷高度动态变化的现象定义为采动覆岩卸荷膨胀累积效应,进而建立了理论模型,并通过淮北海孜煤矿巨厚火成岩下采煤覆岩裂隙实测进行了验证。结果表明,采动覆岩卸荷膨胀累积效应对采动岩层运动规律产生了重要影响,如影响覆岩关键层下离层量,影响覆岩关键层贯通破断的高度,影响不同开采条件的地表下沉系数等。采动覆岩卸荷膨胀累积效应改变了对离层存在形式的传统认识,该效应的存在导致关键层下最大离层量一般小于采高的10%,覆岩可注浆充填空间并非传统认识上的“离层区”,而主要是注浆充填压力“压实”作用下将覆岩卸荷累积膨胀所转化出的那部分空间,该发现指导了覆岩隔离注浆充填绿色开采技术的创新研发及其在建筑物压煤开采中的成功实践。     

煤矿开采地表移动与变形规律常规化研究模式

根据煤矿地下工作面回采引发开采沉陷的研究现状,探讨了矿山开采沉陷的地表移动和变形规律常规化研究模式,即综合应用岩移观测站实测数据的图解法、数值模型的模拟计算法、变形预计的拟合验证法和已有研究成果的参比法等,就能较科学地确定合理的地表移动变形预计参数与岩层移动角值,也可利用相似材料试验模拟覆岩采动的裂隙发育特征,钻孔观测工作面采动后覆岩离层发生的位置,以及三维激光扫描获取地表沉陷盆地的扩展规律。     

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...     

华丰煤矿成功应用地表斑裂下沉控制技术

华丰煤矿针对开采水平不断延伸，地表斑裂下沉造成的影响越来越大，影响地面村庄安全的问题，进行了“地表斑裂下沉控制技术”研究，开发了三维半解析有限元岩层及地表移动计算程序。通过实施“地面钻孔覆岩离层高压注浆充填”减沉工程，对地面斑裂采取浅层注浆的方法进行封堵治理，减少地表下沉和地面斑裂，增强土层的完整性和坚固性，保护了地面房屋设施。[第一段]     

控制采动区桥梁移动变形方法研究

为研究采动区桥梁移动变形规律,根据地表及桥梁移动变形观测数据,采用概率积分法预测地表沉降,获得地表移动预计值.结合大平矿采矿地质条件和观测数据以及地表移动预测数据,设计采用覆岩离层多层位注浆法控制采动区地表下沉,并对覆岩层的变形规律、离层的动态发育与离层注浆减沉机理进行了分析,设计了注浆钻孔的间距、孔位、注浆层位、终孔...     

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。     

离层注浆开采关键层变形特征及地表沉陷控制效应

为研究覆岩离层注浆开采条件下关键层变形特征及地表沉陷控制效应，准确预计地表移动变形值，对离层注浆开采关键层变形进行了力学分析，将关键层下方离层注浆充填体和煤岩体的组合视为弹性地基，并将之划分为压实区、欠压实区和实体煤区3种不同的区段，基于弹性地基梁理论，给出了关键层挠度方程和弹性地基系数计算方法；采用“两步法”,通过分层模拟的方式开展了离层注浆开采关键层变形与地表沉陷数值模拟，研究了不同工作面宽度条件下离层发育和关键层破断特征，以及不同注采比条件下地表移动变形特征；借鉴等价采高理论，将离层注浆开采条件下关键层弯曲下沉空间等效视为开采空间，结合概率积分法，建立了适用于离层注浆开采的地表沉陷预计模型。以淮北矿区袁店二矿7221离层注浆开采工作面为例进行了验证，结果表明：该地质条件下，离层注浆开采工作面宽度宜设计在90～120 m;采用提出的预计模型和方法能够对离层注浆开采条件下的地表沉陷进行有效预计，预计值与实测值平均误差9 mm,在允许误差范围内；离层注浆开采地表沉陷控制效果显著，减沉率约83%。     

对采动覆岩离层注浆减沉技术的再认识

在肯定采动覆岩离层注浆减沉技术思想的前提下，深入讨论了该技术的理论实质；通过对采动覆岩离层发生、发展时空规律的物理模拟和分析，认为可注浆离层即“潜在下沉”的空间体积总量很小，即使注入充填物，最大限度地保持其离层状态，减沉效果也有限；在对极不充分开采条件下的下沉系数进行修正后，经重新计算得出已进行的现场试验的实际减沉效果应为15％－20％左右而不会更高。     

云驾岭煤矿采动覆岩裂隙场分布特征模拟研究

为了研究云驾岭煤矿采动覆岩裂隙场分布及其演化规律，通过相似模拟试验和UDEC数值模拟方法探究了采动后上覆岩层的下沉曲线与裂隙场分布特征，计算覆岩离层率空间分布情况。结果表明：随着开挖工作的不断推进，采动覆岩裂隙场呈梯形分布特征，逐步向较高层位和推进方向发育，其中下部裂隙被压实，两端裂隙较为发育，整体上裂隙密度逐步减小，经历裂隙产生、扩展和压实三个阶段，而覆岩离层率先后经历“单峰”和“双峰”两个分布形态。采空区中部与煤壁后方和开切眼附近区域采动裂隙演化规律截然不同，采空区中部区域的采动裂隙随着垮落岩层被上覆岩层压实，采动裂隙逐渐减小，煤壁后方和开切眼附近区域，边界煤柱和垮落岩层形成三角形的采动裂隙区域。采动覆岩位移场影响区随着工作面推进向高层位和推进方向发育，开采初期呈现矩形分布，而后随工作面的推进，采动覆岩位移场影响区则呈现梯形分布，中部的位移矢量箭头垂直于底板，开切眼和工作面端位移矢量分别呈逆时针和顺时针偏转。     

煤矿开采上覆岩层内部离层分布研究

本文从理论上分析了煤矿开采上覆岩层内部产生离层的基本条件、离层分布规律，建立了采动覆岩内部结构模型，为指导“离层注浆减缓开采沉陷”提供了理论依据。