矿山地表沉降机理的初步分析与研究

根据多个矿区的实际地面沉陷观测资料，总结出了新的地表沉陷量估算公式，指出了地表沉陷量与采空区平均净高，空采区平均长宽比、留设矿柱布局、采空区平面积、采空区平均距地高度、覆岩平均弹性模量、采空区形状因子、平均切岩角、采心距间的关系。     

衡山石膏矿老采空区地表沉陷的 ANFIS 预测

采用FLAC3D对已塌陷的衡山县石膏矿的地表沉陷进行了模拟,对该矿不同采场结构参数的采空区地表沉陷进行了模拟,分析了影响采空区地表沉陷的因素;建立了采空区地表沉陷预测的ANFIS模型,分析了其拟合性能和预测性能,对衡山某石膏矿的采空区地表沉陷进行了预测,同时还对其进行了实测.研究结果表明:FLAC3D对已塌陷的衡山县石膏矿地表沉陷的模拟精度达到97％以上;在矿岩力学参数不变的条件下,矿柱跨度、矿房跨度及采空区高度是影响采空区地表沉陷的关键因素;所建立的采空区地表沉陷预测的ANFIS模型的拟合精度和预测精度分别达96％和97％以上;采用该模型预测的衡山某石膏矿的采空区地表沉陷值与实测结果吻合良好;矿房跨度为10,矿柱跨度为4m是该地区石膏矿最合理的采场结构参数.     

基于栅格柱体单元的开采沉陷算法

基于栅格柱体单元技术和概率积分法,建立了采空区沉陷预测模型。预测模型把曲面分布采空区和曲面分布的地表栅格化后组成栅格柱体,充分考虑采空区在开采深度、开采厚度、煤层倾角、倾向的空间变化,同时基于C#和ArcGIS Objects技术编制了相应的控制软件,预测每一个栅格柱体单元的地表沉陷量,基于概率加法,所有栅格柱体单元在地表任意点的沉陷量之和为该点的地表沉陷量。在禹州采空区,常规模型预测结果、新模型预测结果与监测结果对比显示,地表沉陷量受地形条件影响明显。     

相邻采空区影响下厚黄土矿区采煤沉陷规律研究

为研究相邻采空区厚黄土层采煤地表移动变形规律,以燕家河煤矿8211工作面地表移动变形实测数据为基础,分析研究了静态和动态地表沉陷变形特征、移动角参数、动态参数和预计参数。结果表明:由于相邻采空区残余变形和厚黄土层荷载作用,地表下沉量大,移动影响范围广,最大下沉速度系数为1.638,最大下沉速度为31.8mm/d。在地表移动持续时间中,活跃阶段约占总时间的38.7%,地表沉陷量约占最大下沉量的95.9%,受厚黄土层影响,衰退阶段持续时间较长;工作面启动距为100m;工作面最大下沉速度滞后距为224.3m,滞后角为67°46′;走向和倾向拐点偏移距分别为-92.5m和197.2m。     

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。     

锦丘煤矿膏体充填开采技术研究

为解决锦丘煤矿建筑物下采煤地表沉陷控制问题，理论分析了膏体充填开采地表沉陷曲线及关键影响因素，并提出了覆岩稳定性判据。通过数值模拟，研究了膏体充填开采对地表开采沉陷的控制效果，提出了膏体充填开采工艺，最终进行了地表沉陷观测检验充填开采对地表开采沉陷的控制效果。现场监测数据表明，采用膏体充填时，地表最大沉陷量为96 mm,位于距离切眼493 m的采空区中心位置。研究成果可为建筑物下煤层充填开采提供借鉴。     

地表沉陷预测的改进BP神经网络模型

为了更加准确地预测地表沉陷变形,基于Adaboost算法采用多网络共同计算策略改进了BP神经网络,通过实际沉降数据对Adaboost算法改进后的神经网络进行训练,预测地表最大下沉量、影响角正切和拐点偏移距,将预测的3个参数代入概率积分法中,建立了地表沉陷公式,对改进效果和地表沉陷公式分别进行了验证。结果表明:(1)通过对比改进前后BP神经网络的计算精度,未经过Adaboost算法改进的BP神经网络误差明显大于改进后的BP神经网络,说明基于Adaboost修正后的BP神经网络计算精度得到了有效提升;(2)基于BP神经网络对最大下沉量、影响角正切和拐点偏移距3个参数进行预测,结合概率分析法,能够实现稳沉后采空区主断面上方地表沉降规律的准确描述。以鲁西南地区某矿3301采空区地表为例,利用改进BP神经网络预测了地表最大下沉量、影响角正切和拐点偏移距,进而给出了地表沉陷曲线,与现场实测结果对比显示:改进BP神经网络的最大误差小于0.105 m,最大相对误差为4.3%,证明了所提计算方法的可靠性。     

中深埋煤层多工作面开采地表沉陷特征研究

为研究中深埋煤层多工作面开采的地表沉陷特征，采用FLAC3D模拟小保当一号井112201工作面及两侧相邻工作面先后开采的覆岩破坏、应力变化和地表移动特征。研究表明：112201工作面单独开采，覆岩塑性破坏表现为中间低、两侧高的“凹”形，覆岩最大破坏高度达165m, 112202工作面的开采使老采空区覆岩二次破坏高度增大6.67%,112207工作面开采使老采空区覆岩三次破坏高度增大10.91%;相邻工作面的开采使112201工作面覆岩应力变化经历“稳定—打破—初步稳定—二次打破—再稳定—三次打破—终稳定”的复杂过程；112201工作面开采形成的地表移动盆地范围受相邻两侧工作面开采的影响而变大，且沉陷中心向两侧扩大，相邻工作面的沉陷中心则偏向112201工作面老采空区一侧；岩移观测资料显示，单工作面倾向地表下沉曲线表现为“V”形，相邻工作面的开采使其地表最大下沉量增大了6.08%,地表下沉曲线最终表现为“W”形。     

哈密红海矿区地表移动规律及土地破坏状况研究

以红海矿区11031工作面为研究区域,通过对其设置地表移动变形观测站,实地观测得到数据资料,然后对数据资料进行分析处理,求得了各种角量参数（边界角、移动角、裂缝角）、动态参数（起动距、超前影响角、超前影响距等）、预计参数（下沉系数q、主要影响角正切tanβ、拐点移动距S、开采影响传播角θ）。结合岩移参数,采用概率积分法进行了地表沉陷预计,得到了动态预计参数和下沉盆地预计的可视化模型。在此基础上,分析出其主要造成了塌陷地和地表裂缝等土地破坏现象。为采空区下降区地表恢复提供指导。     

不均匀上覆荷载对露天矿采空区沉陷的影响规律研究

为了研究不均匀上覆载荷对露天矿采空区沉陷的影响规律,基于开采沉陷理论与技术,建立采空区沉陷模型,通过Rhino-FLAC~(3D)建模进行数值模拟,分析了排土场堆载过程中产生的不均匀载荷对采空区、不同外排土场形状对采空区的地表沉陷过程中的应力分布形态及变形规律,总结分析了露天矿排土场下覆采空区沉陷的影响规律。研究结果表明:随着排土场连续堆载高度加大,采空区上覆不均匀载荷随之增大,地表下沉位移量不断增大,竖直方向的压应力随埋深增加到最大值后递减为零后变为拉剪应力;采空区水平距离排土场300 m以上,排土场的堆载对采空区变形影响较小;采空区最顶部未堆载排弃物,地表沉降量约为采空区顶板累计沉降量的2倍;方形排土场下的地表下沉位移量比圆形排土场的大,2种排土场结构下的采空区长度上的下沉位移曲线呈V型对称,应力位移曲线呈M型,圆形排土场对下伏岩层中采空区变形影响更小,更有利于露天矿排土场的稳定性。     

二道河铁矿地下开采顶板下沉和地表沉降监测控制标准探讨

地下开采破坏了采场上覆岩层的应力平衡状态,引起岩层移动和地表沉降,影响到地表建筑物的安全使用与保护。针对二道河地表工程设施,从地层围岩稳定、经验公式和相关规范的角度探讨地表沉降和顶板下沉控制标准。通过计算分析得知:二道河地下开采过程中对地表建筑物及管线的沉降控制标准确定为12 cm;采场顶板下沉的控制标准确定为17 cm。给出了在目前工程条件下地表沉降和顶板下沉控制值,这对指导地下采矿工程的施工有十分重要的意义。     

大采高大倾角工作面矿压显现规律研究

根据某地下矿1304工作面现场条件,利用FLAC3D数值模拟软件模拟大倾角大采高条件下三维应力场演化规律。研究大采高采场的围岩应力变化特征,以及矿壁破坏、片帮分析利用数值模拟软件模拟,展开大倾角大采高条件下的矿壁稳定性研究,分析岩层倾角、采场高度与矿壁片帮之间的关系。     

关键层理论在采场底板突水危险性评价中的应用

基于岩层控制中的关键层理论,采用砌体梁理论对底板关键层破断块体的稳定性进行了分析,从而对采场底板突水危险性做出评价。结果表明,底板关键层破断岩块的高长比越小,其形成的砌体梁结构抗滑落失稳的能力越大;关键层破断后互相咬合中间上浮量达△时,就形成了岩块结构的变形失稳。所以根据底板关键层破断岩块的高长比及岩块间咬合中间上浮量,可以判断采场底板突水的危险性。     

采场顶板结构预裂切割对围岩控制的影响

根据关键层预裂切割对巷道围岩大结构和采场顶板结构影响的分析,得出了预裂缝将采场顶板围岩的固定边界变为了铰接边界,缩短了顶板边界条件的转化过程。预裂缝破坏了采场围岩基本顶的连续性,降低了采场顺槽侧向煤体支承应力。短悬臂梁将上覆岩层部分载荷转移到了煤体深部,减小了顺槽围岩塑性屈服范围。因此,对顶板预裂切割能有效起到减弱顶板边界约束和控制围岩破断的作用。     

千枚岩采场支护结构相似模拟试验研究

针对千枚岩采场围岩严重片帮问题,建立相似材料模型,对千枚岩采场稳定性进行模拟。模拟试验结果表明,预留原生点柱可以有效降低采场中部拉应力。回采过程中,在距底柱16m和28m处保留原生点柱对采场围岩进行支护,在很大程度上改善了地压作用对采矿作业造成的危害。研究表明矿柱断面为4m×4m是合理的,预留矿柱的矿量远远小于因上采高度增加而多回采的矿量,且大大提高了矿石的回采率。该模拟结果在实际应用中已经取得了良好的效果。     

深井硬岩矿山采场结构参数优化的数值模拟研究

本文利用有限元数值分析软件对深井硬岩矿山采场高度为80m,跨度分别为15m、20m、25m、30m四种工况下的采场稳定性进行了优化数值模拟研究,定量地计算和分析不同跨度下采场围岩的应力、位移和拉应力区的分布状况,确定了有利于采场稳定的结构参数。研究结果表明:在深井硬岩矿山中,当采场高度为80m,采场跨度为20m时,采场围岩的受力状态与整体稳定性较好。研究结果给深井硬岩矿山采场设计提供了新的思路和方法。     

白音呼布金属矿采场跨度优选与围岩稳定性分析

白音呼布矿区井下开采已经进入深部,矿体多处于构造破碎带中,节理发育、地压作用显著,围岩等级差异较大,直接影响采场的稳定性。为了探究合理的采场跨度,确保井下矿产资源高效、安全开采,采用数值模拟方法对白音呼布矿区300m中段采场进路跨度及围岩稳定性进行研究,分析了不同采场跨度对围岩位移场与应力场变化及塑性区扩展规律的影响。根据数值模拟计算结果,以采场进路监测点位移曲线、应力变化和塑性区是否贯通为依据,确定井下Ⅲ级围岩采场安全跨度。研究结果表明:Ⅲ级围岩采场进路跨度超过6m后,顶板竖向位移和两帮水平位移显著增加,采场两进路塑性区完全贯通,确定Ⅲ级围岩采场进路的最优跨度为6m。     

基于FLAC3D的二步采场结构参数优化及工程应用

为了保证三山岛金矿二步采场的生产能力和开采安全性, 采用三维有限元方法对不同结构参数的二步采场开采稳定性进行分析,优选安全合理的采场参数。通过计算和分析不同结构参数的二步采场在开采过程中顶板和上盘围岩的应力、位移变化特征,得出不同参数的采场稳定情况。结果表明：当采场高度为12 m时,顶板和上盘围岩的拉应力和位移都较大,采场的稳定性较差;当采场宽度大于10 m时,顶板和上盘围岩的拉应力和位移的变化率呈增长趋势,采场稳定性逐渐变差。因此,建议二步采场宽度为10 m,高度10 m。将优化结果应用于工程实践,表明该参数安全合理,保证了矿山安全高效开采。     

安徽和睦山铁矿楔形体地压控制方法研究

在破碎难采铁矿床地下开采中，掌控采场地压活动规律，采取有效措施控制地压活动，是实现安全高效开采的重要保障。和睦山铁矿后和睦山矿区矿体与下盘近矿围岩破碎，应用无底柱分段崩落法开采， 随着回采工作面的下降与采场结构参数的改变，在-250 m阶段的第一分段开采中，发生了大规模地压活动，下盘进路联巷与上盘侧回采进路遭到严重破坏，巷道两帮内挤、折断或碎裂片落，底板鼓起，顶板下沉，使 巷道无法修复，严重影响了矿山安全生产。基于地压活动特点与巷道破坏原因的分析，揭示了复杂地压的机理，提出巷道破坏力主要来源于顶板围岩发生断裂而又滞后冒落所形成的楔形体压力，并创建了楔形体附加 应力数学模型。计算结果表明：楔形体尖部压应力大于矿体抗压强度的平均值，是致使上盘侧采准巷道快速破坏的主要原因；而楔翼活动压力引起矿体下盘断裂构造面的滑移，是造成下盘采准工程破坏的直接原因。 根据上述分析，采用楔尖部位局部卸压开采、控制下盘地质构造面滑移破坏、增大进路间距与改进巷道支护形式相结合的综合方法，有效控制了复杂楔形体地压危害，保障了-250 m中段的安全开采。     

下向嗣后充填采场高度优化及充填配比参数设计

喀拉通克矿在350~405 m水平的矿体采用下向小分段空场嗣后充填法开采,目前采场跨度8 m,高度8 m时,采场稳定性较好。为提高矿山生产能力,增加经济效益,对采场结构参数进行优化。本文采用数值模拟手段,基于室内岩石力学试验结果,结合现场工程地质调查研究成果,制定3种模拟方案获得极限采场高度,并依据本矿山相关充填体研究成果进行优化采场充填配比参数初设。结果表明,在采场跨度8 m工况下,采场高度为14 m时,采场塑性区范围较大,位移突变较大,在采场高度12 m时,采场塑性区范围较小较为稳定,采场结构参数的优化可为矿山提高经济效益,安全防护提供可靠性的依据。