弱胶结地层重复采动条件下地表最大沉降模型研究及应用

弱胶结地层重复采动条件下的地表沉降特征对西部弱胶结矿区煤炭资源安全高效开采与生态修复具有十分重要的意义。采用理论分析、相似模拟、数值模拟及现场监测等方法，对弱胶结地层矿区重复采动条件下的覆岩运移规律及地表沉降模型进行了研究，并进行了工程应用。通过理论分析探讨了弱胶结岩石的碎胀性特征及重复采动覆岩运移对地表沉降的影响机制，建立了“弱胶结地层重复采动条件下地表最大沉降模型”，其中弱胶结岩石的碎胀系数、下层煤的采厚均与弱胶结地层重复采动地表最大下沉值之间呈线性关系。通过相似模拟、数值模拟分析了弱胶结地层重复采动覆岩与地表沉降特征。研究结果表明：弱胶结地层初次采动和重复采动覆岩离层高度发育规律基本一致，均呈现阶梯状上升；重复采动地表下沉曲线呈非对称性分布，最大下沉值偏于开切眼侧的规律；并给出了初次采动和重复采动后的覆岩最高发育高度、地表最大下沉值和地表下沉系数。采用已建立的地表最大沉降模型对现场地表最大下沉值进行预测，地表最大沉降模型预计值与工作面回采过程中现场实测值相近，验证了“弱胶结地层重复采动条件下地表最大沉降模型”的合理性，同时工作面回采结束后的地表最大下沉预计值可为现场实际工作提供参...     

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。     

横向重复采动对煤矿区地表沉陷影响的数值模拟

采用FLAC3D软件对非充分采动和充分采动两类模型分别做数值模拟,试验结果表明:在非充分采动条件下,横向重复开采加大了地表最大下沉量,加剧了地表沉陷,改变了下沉盆地的范围;充分采动条件下,横向重复采动不会增加地表最大下沉量,与初次开采相比下沉系数不变,仅改变下沉盆地的范围和形状。     

重复采动条件下地表移动变形规律实测研究

为了揭示重复采动条件下地表沉陷变形规律,凤凰山煤矿在154309工作面上方建立了地表移动观测站。通过对岩移观测资料的分析研究,给出了重复开采时地表沉降曲线,获得了该地质采矿条件下地表移动变形预计参数和岩移角值,探讨了重复采动条件下地表移动变形特征。研究认为,重复采动条件下地表沉陷变形剧烈,下沉盆地陡峭,变形分布集中,地表下沉系数大,采动影响范围大。地表动态变形剧烈,下沉速度快,最大下沉速度为143.4mm/d,地表移动持续时间较短,活跃期约占地表移动持续时间的30.7%,其下沉量占地表总沉降量的96.3%。     

喀斯特山区重复采动下地表沉陷预测研究

为保护矿区地表生态环境,提高喀斯特山区重复采动下地表沉陷变形的预测精度,首先理论分析了煤层采出后上覆岩层运移碎胀特征以及地表滑移机理,确定煤层采动引起山区地表移动变形的影响因素;在原有平地重复采动地表最大下沉值预测模型的基础上,考虑地表滑移对地表最大下沉值的叠加影响,构建了山区重复采动下地表最大下沉值预测模型,并结合数值模拟的方法,研究不同地面坡度下煤层采动对地表沉陷变形的影响;最后分别利用平地、山区重复采动下地表最大下沉值预测模型对采空区地表沉陷变形进行概率积分法预测,将预测结果与实测值进行对比分析.研究结果表明:基于山区重复采动下地表最大下沉值预测模型对采空区地表下沉值的预测精度较原有预测模型提高了1.4个百分点,水平移动值的测精度提高了4.3个百点分,表明山区重复采动下地表最大下沉值预测模型具有实用性,可为类似矿区的地表沉陷研究提供参考.     

厚松散层下下沉系数与采动程度关系研究

采动程度对控制地表移动变形起着关键作用,而地表下沉系数取值的准确性决定了地表移动变形的预计精度.为了探讨厚松散层开采条件下采动程度与下沉系数之间的关系,在分析矿区厚松散层地表移动观测站实测资料的基础上,研究了松散层厚度对充分采动影响的程度,揭示了传统方法评价采动程度不合理性的原因,分析了厚松散层下开采引起的覆岩应力分布与移动机理.给出了应将松散层与基岩作为开采深度的不同介质评定采动程度的标准,通过计算分析,提出了厚松散层开采条件下充分采动的临界宽度,得到了厚松散层下的下沉系数.通过与实测资料相比,下沉系数较为符合现场实际,为矿区厚松散层下“三下”采煤提供了科学依据.     

五阳矿综采放顶煤地表移动与变形特点

以五阳矿实测数据为基础,系统分析了综采放顶煤条件下地表的移动规律及特点。综放开采与分层综采相比,地表下沉系数与初次采动相同,主要影响角正切、拐点偏移系数介于初次采动与重复采动之间,动态地表移动变形值偏大,地表的裂缝与破坏明显减轻。     

重复采动地表下沉规律的研究

本文从理论上给出计算重复采动活化系数和煤层群自然分层重复采动地表最大下沉值的计算公式,并与实测资料进行对比,其结果很好。     

云驾岭矿厚煤层综采地表沉陷时空演化规律研究

为了研究云驾岭煤矿厚煤层综采地表沉陷的时空演化规律,基于现场实测数据,分析了矿井三采区开采监测数据的时空相关性以及地表动态沉陷和超前影响的演化规律,得出了地表移动的延续时间,构建了顾及三维空间及时间效应的地表任意点最大下沉速度表达式,并给出了达到最大下沉速度的时间。建立了利用采动程度系数、覆岩岩性系数、采深等多因子来表达云驾岭煤矿非充分采动地表移动延续时间的经验公式。结果表明:井下采出空间由极不充分开采过渡到非充分开采,地表下沉量显著增加;超前影响距平均值为388 m,超前影响角平均值为56°;12303和12305工作面开采地表最大下沉速度滞后距平均值分别为146 m和143 m,最大下沉速度滞后角平均值分别为76°和77°;基于正态分布时间函数能够计算地表任意点的最大下沉速度;理论值和实测值对比结果表明,采用包括采动程度系数、开采深度和覆岩岩性系数等多因子来表达地表移动的延续时间更符合工程实际。     

赵固矿区厚松散层下开采地表移动特征实测研究

为了掌握赵固矿区厚松散层条件下地表移动特征,以相邻的赵固一矿和赵固二矿地表移动观测站实测数据为基础,通过数据拟合方法,得到厚松散层下开采地表概论积分法参数;总结分析了厚松散层下开采地表移动特征,以及造成上述特有规律的地质原因和开采技术原因;以实测和拟合数据得出了赵固矿区走向地表移动各角量参数。研究表明:由于采动后地表含水层失水固结,造成采动附加下沉,导致下沉系数较大,主要影响角正切值偏小,且覆岩中松散层厚度占比越大,其下沉系数越大;煤层顶板基岩较薄,顶板悬臂效应大大减小,另外在采动压力作用下应力拱轴线位置土体固结压缩,造成拐点偏移距减小或者为负值,地表下沉盆地边缘收敛过慢;由于覆岩中松散层厚度占比较大,造成赵固一矿地表移动各角量参数均小于赵固二矿参数。     

基于岩体破裂规律的下沉系数变化

采动岩体是一个运动变化的过程,根据其结构演化特征,建立了岩体运动破坏模型。而后根据采动岩体的运动破断规律,研究了岩体下沉系数衰减指数与单位长度断裂块数间的相互关系,并进一步根据现场矿压观测资料,回归出了不同岩性岩体垮落步距与采深之间的函数关系,进而通过推导得出了下沉系数与采深和岩性影响系数间的关系式。计算结果表明：下沉系数随着采深的增大而减小,近似呈负对数关系;不同岩性条件下沉系数也不相同,岩性越硬,下沉系数越小,岩性越软,下沉系数越大。     

条带开采下沉系数经验公式的适应性分析

列举出5个计算条带开采下沉系数的经验公式。分析了采深、采厚、采出率、采宽/留宽的变化对条带开采下沉系数的影响,以及5个条带开采下沉系数经验公式的表达特征。对比分析表明,地质采矿条件的多样性、实测资料的有限性、统计分析方法的局限性,使得5个公式均存在一定的不足,发现了具有普适性的经验公式。对条带开采下沉系数计算公式的选择应十分谨慎,根据地质采矿条件分析因素在地表变形中的作用,选择合理的计算公式。     

厚松散层矿区采动岩土体移动规律模拟试验研究

为揭示厚松散层矿区采动影响下上覆岩土体双层介质移动机理,对厚松散层下采煤岩土体的沉陷规律进行了模拟研究,并用实测资料进行验证。试验得出了厚松散层矿区采动影响下岩土体沉陷规律,并与一般条件下开采沉陷规律进行比较,指出松散土体沉陷规律有其特殊性。通过对岩土体沉陷值和采动程度的比较,表明了基岩体对地表沉陷的控制作用,阐述了基岩面移动盆地和地表移动盆地的差异性,揭示了采动影响下岩土体移动机理,为厚松散层矿区沉陷预计、受护物防护及矿井安全高效开采提供一定的参考依据。     

厚松散层大采高开采地表移动变形规律研究

针对神东矿区工程地质条件,构建了上湾煤矿地表移动观测站,选取了该矿12401工作面近1年地表移动观测数据,根据解析法计算工作面岩层移动角值参数,并运用FLAC3D对地表下沉及水平移动进行数值模拟。结果表明:地表下沉量与覆岩岩性成正比,下沉速度与覆岩岩性成反比,在厚松散层工程地质条件下,基岩离层被压密,岩体结构被破坏,造成地表下沉量和下沉速度增大,地表移动变形对矿区建筑物造成影响和损坏,衍生为地质灾害的诱导因子,当开采综合边界角为60°时,可减少地表移动范围,降低矿区地质灾害发生。     

SURFACE SUBSIDENCE ANALYSES BASED ON THE PRINCIPLE OF EXPANSION AND RECONSOLIDATION OF THE BROKEN ROCK STRATA

The results of experimental studies about the characteristics of broken rock expansion and reconsolidation were briefly introduced in this paper, and the surface subsidence coefficient under critical mining conditions was also analysed based on the principle of expansion and reconsolidation of the broken rock strata, a equation to calculate the corresponding surface subsidence was finally produced. This calculation method can be used to calculate more accurately the convergence quantity of consolidated rocks in the broken zone of the working face. In addition, case analyses by using the introduced calculation method were conducted and satisfactory results were obtained.     

基于长壁采空区覆岩稳定性的地表残余下沉系数计算方法

为确定地表建(构)筑物荷载作用下长壁采空区地表残余下沉系数,基于长壁采空区覆岩稳定性分析方法,提出了采空区中央和边界两个区域的地表下沉系数确定原则和计算方法。采用概率积分法对荷载作用下长壁采空区地表残余沉陷预测时,地表下沉系数的选取应充分考虑地表荷载大小和作用位置、垮落带岩体的压密,以及裂缝带破断岩体结构的稳定性,按照垮落带垮落岩体压密区(采空区中央)和裂缝带破断岩体结构可能失稳区(采空区边界)两个区域分区计算,推导了荷载作用下长壁采空区垮落岩体压密区、采空区覆岩结构滑落失稳和回转失稳时地表残余下沉系数计算公式。     

长壁老采空区残余沉降计算方法研究

在深入分析老采空区残余沉降机理的基础上,认为采动破裂岩体空隙是老采空区残余沉降的主要诱因,采用国内外得到的有关破裂岩体应力应变关系及采动破裂岩体高度计算方法,建立了老采空区残余下沉系数计算方法,分析了残余下沉系数与覆岩岩性、开采厚度、开采深度及建筑物载荷的关系。研究表明:①当开采厚度相同时,开采深度越小,残余下沉系数越大,说明后期可能产生的地表残余沉降越大;当开采深度相同时,开采厚度越大,残余下沉系数越小;②在建筑载荷与原岩应力比相同情况下,开采深度越小,下沉系数增加量越大,对老采空区的影响越大。     

矿山开采沉陷的完备预计模型

针对厚表土层沉陷的复杂性,研究了土体受直接开采沉陷后引起的失水固结和排水固结的计算方法,沉陷土体产生流动的条件和计算方法及地表裂缝发育演化的规律等。通过研究获得了一个完备的开采沉陷预计模型,即地表沉陷=开采直接影响模型+附加固结沉陷模型+附加流动沉陷模型;获得了地表裂缝深度和宽度的估算公式。所获得的成果可以全面解释厚表土层条件下所体现出来的各种特殊规律,比较准确地预报地表的移动变形和裂缝情况,实践证明可以有效地应用于生产实际。     

条带开采地表移动参数研究

分析了条带开采地表移动参数的影响因素，并在此基础上，结合现场观测站实测数据和理论分析，建立了条带开采地表移动预计参数新的计算公式.这些计算公式考虑的因素较为全面，并且其中的参数均容易确定，计算方便，可操作性强.通过现场应用对比，这些计算公式得出的条带开采地表移动和变形预计参数预测地表沉陷更接近于现场实际，可以作为条带开采地表移动和变形预计参数确定的依据.