开采沉陷若干理论与技术问题研究

简要介绍了多年来中国矿业大学北京校区在开采沉陷理论与技术方面的主要研究成果：矿区地表移动规律；巨厚松散层条件下开采地表移动规律；块段开采条件下覆岩移动机理及地表移动变形计算；极不充分开采地表移动变形预计方法；基于倾角变化的开采沉陷模型研究；曲面分布形式煤层开采地表移动预计方法；覆岩离层注浆减缓地表沉降机理及减沉效果评价方法。开采沉陷预测分析系统的开发研究等。     

西部近河采煤沉陷区河流积水影响分析

为合理布局规划开采,保证西部干旱矿区水资源充分利用,以西部某矿采煤沉陷区为研究对象,以ArcGIS软件为处理平台,通过概率积分法对开采沉陷进行预计后建立矿区开采后DEM,后通过水文分析对开采沉陷模型与数字流域模型之间建立联系,发现当选择河流左右两侧工作面开采,地表最大下沉为2.5 m时,河流干流与各支流偏移程度最小,最大的积水区域河流干流与1号河流的交汇处;矿区河流及支流共存在6处潜在积水区;矿区盆地内共存在1处潜在积水区,积水面积约1.15 km²。     

矿区原始地形对采煤沉陷区地形特征的影响分析

采煤塌陷地预测对于矿区土地复垦具有重要意义,是矿区损毁土地复垦工作的基础,对于确保土地复垦方案科学性、准确性及合理性起决定性作用。采煤塌陷地预测一般仅考虑开采计划和地质特点,未考虑矿区原始地形的影响,预测结果往往无法准确反映矿区地表沉陷情况。以我国东部某煤矿为研究对象,通过对矿区原始地形、采煤沉陷区DEM进行融合,获得考虑原始地形的采煤沉陷区,通过计算并提取坡度、地表起伏度、积水面积地形因子,分析矿区原始地形对采煤沉陷区地形特征的影响。研究表明:考虑矿区原始地形后的采煤沉陷区地形特征发生了明显变化,沉陷区地形坡度、地表起伏度明显增大,积水面积明显减少,采煤沉陷区损毁土地地形特征更加准确、真实。分析结果可为矿区开采沉陷预测和损毁土地复垦治理提供可靠依据。     

大佛寺矿沉陷区变形预计及危险性分区

以大佛寺煤矿30201工作面为例,首先分析了矿区地形地貌、工程地质条件及开采情况,结合矿区实际调查结果总结出地层岩性、地形坡度、断层构造、降雨作用、人类工程活动等5类矿山开采沉陷影响因子,并对各因子的影响能力进行了定量化分级;然后利用逻辑回归分析软件SPSS对矿区样本数据进行反演,构建了矿山开采沉陷危险性系数计算模型;最后结合Arc GIS软件构建了物元模型,对矿区沉陷区变形进行了预计,在此基础上以5个开采沉陷影响因子为变量,以10 m×10 m正方形网格为最小评价单元,分别得出各影响因子危险性分布情况作为基础图件,结合概率分析法计算出各模型的关联度与重要性程度,将矿区开采沉陷危险区划分为高危区、中危区、低危区和极低区4类。研究表明:大佛寺煤矿30201工作面地表沉陷范围由北部向东南部倾斜,沉陷预计值为300~650 mm,预计误差为1.7%~7.8%,表明该矿区开采沉陷预计及危险性分区结果基本符合矿区地表沉陷变形规律,对于该矿区安全开采及沉陷区治理有一定的参考价值。     

薄基岩下浅埋煤层开采地表沉陷预测方法

综合分析榆神府矿区薄基岩下浅埋煤层综采工作面上覆基岩的断裂下沉机理,以及基岩控制层破断与工作面周期来压及地表沉陷之间的动态关系。根据基岩控制层破断下沉的分布函数,利用随机介质理论导出此类条件下地表沉陷的预计模型,并提出参数的确定方法。该模型直接建立起工作面周期来压步距与地表移动分布的数学关系,适用于榆神府矿区薄基岩下浅埋煤层开采的地表沉陷预计。     

皖北矿区开采地表沉陷动静态参数及条带开采应用研究

研究分析了皖北矿区煤矿开采地表沉陷动静态参数、预测参数与地质采矿条件之间的系列关系;进行了条带开采技术试验和应用研究,获得了厚冲积层、单一煤层条带开采地表移动及预测参数变化规律。     

矿区开采沉陷预计的Geomagic法

利用三维激光扫描技术监测矿区开采沉陷,效率较高,但观测点云数量大、处理困难,目前缺乏成熟的软件进行矿区点云数据分析。为有效处理沉陷区的点云数据并实现沉陷区3D比较、剖面分析和开采沉陷预计参数求取,提出了一种矿区开采沉陷预计的Geomagic法。以某矿为例,首先利用Geomagic Studio软件建立了矿区数字地面模型(Digital terrain model,DTM);其次研究了开采沉陷发生前后的矿区数字地面模型3D对比方法,利用Geomagic Qualify软件分析得到沉陷区地表下沉三维视图;然后对地表下沉三维视图进行了剖面分析,提取走向方向与倾向方向的剖面点下沉值;最后利用剖面点下沉值求取了开采沉陷预计参数,并计算了剖面点的下沉预计值,将下沉预计值与提取的下沉值进行了对比分析,可知下沉拟合准确度达到92%,表明计算出的开采沉陷预计参数具有较高的精度,对于进一步推动三维激光扫描技术在矿区开采沉陷监测预计方面的应用有一定的参考价值。     

开采沉陷预计在矿区土地复垦中的应用

依照安徽某矿区逐年开采计划,利用自主开发的沉陷预计软件MSPS对开采工作面进行预计,分析未来5年内该矿区沉陷区、积水区范围和地物破坏情况,并计算出塌陷地复垦应投入的资金量,为该矿区制定塌陷地复垦远景规划和投入资金提供依据,对其他矿区塌陷地治理有一定的借鉴意义。     

基于SBAS-DInSAR的大宁矿区多工作面开采地表沉陷规律研究

针对常规DInSAR监测方法对多工作面开采沉陷预计难度较大的问题,以大宁矿区为例,利用小基线集技术对研究区9景PALSAR数据进行时序处理,去除轨道误差、残余数字高程模型误差和大气延迟误差,得到研究区沉降速率图、时序累计沉降图,并利用实测数据对SBAS-DInSAR的反演结果进行验证。首先分析了2007年1月—2008年7月的矿区地表沉降速率;其次选择了沉降范围较大的研究区东部P101、P102、P103工作面作为研究对象,分析正在开采的工作面对已采工作面的影响;最后讨论了开采工作面走向和倾向方向观测点的累计沉降特征,总结了矿区多工作面开采沉陷规律。研究表明:矿区开采工作面上方地表发生的沉降范围广、速率快,在多工作面开采作业条件下,相邻工作面的开采会使已采工作面上方的地表移动衰退期延长,且随着时间的推移,地表累计沉降值增加,矿区沉降总体趋势体现出下沉盆地特征;SBAS-DInSAR技术可以有效监测矿区多工作面开采地表沉陷,可为类似矿区开采沉陷高精度监测提供参考。     

多煤层重复开采地表下沉系数演变研究

以太原西山矿区杜儿坪煤矿南三盘区为研究区,采用FLAC^3D软件建立数值模型,分析矿区2^#、3^#煤层重复开采后的地表下沉系数演变规律。数值模拟实验结果表明：沉陷预计结果与原有成果、PS-InSAR监测结果均吻合较好,下沉系数随重复采动次数增加呈现增大趋势,表现为2^#煤层分层开采时的下沉系数是一次采全高的1.1倍,继续开采下部3^#煤层时下沉系数是2^#煤层分层开采时的1.27倍。研究结果为多煤层重复开采下的地表沉陷防控和地物保护提供了依据,也为开展重复采动生态损伤及恢复治理等研究提供了基础参考。     

MSDFVS系统在开采沉陷预测中的应用

为准确预计煤矿回采工作面的开采沉陷值,合理布置采区,减小由地下煤炭开采引起的地表移动破坏,对基于MapInfo的MSDFVS(矿区地表变形预测预计与可视化系统)在预计原理、预计模型编程、算法方面做了详细介绍。通过实例验证了该系统的正确性及合理性,结果表明,该系统不仅实现了单个工作面、多个工作面的静态和动态沉陷预计,还实现了预计结果的二维、三维以及动态可视化,其预计结果更是在地表沉陷预测及控制、"三下"采煤等方面具有一定的指导意义。     

深部开采的地表沉陷预测研究

我国煤炭资源的开采已向深部延伸,深部开采将带来新技术上的难题,地表沉陷预测就是技术难题之一,浅部开采和深部开采引起的地表沉陷特点是不同的．结合实例以及力学分析,对深部开采引起的地表沉陷问题进行了研究,论述了深部开采的地表沉陷规律及特点,深部开采工作面的覆岩破坏,具有均匀、整体压缩、移动、变形的特点,地表移动变形连续、缓慢、周期长;提出参数修正的概率积分预测模型,来预测深部开采的地表沉陷,以指导我国的深部“三下”压煤的开粟．     

特厚急倾斜煤层水平分层开采地表移动预计方法

特厚急倾斜煤层水平分层开采具有重复开采、沉陷影响累积的特点,其岩层移动模式和地表移动形态需要建立新的预测模型来描述。在实测分析和相似模型试验的基础上,根据急倾斜煤层开采覆岩与地表的移动的变形机理和传播方向变化特征,建立了基于开采影响传播角变化的特厚煤层水平分层开采地表移动的预计模型,提出了分层充分与非充分开采条件下沉系数与煤厚、采深、煤层倾角的波兹曼拟合关系式,提出了预计参数的确定方法。通过实例验证分析表明,预测模型能较好地反映实际规律,预计参数物理意义明确,易于确定。     

基于GIS的沉陷预计分析系统及可视化研究

文中以概率积分法和皮尔逊Ⅲ型公式法为基础,基于Longruan GIS平台开发了基于GIS的沉陷预计分析系统.利用空间数据库对倾斜、急倾斜煤层工作面数据统一管理,实现了倾斜、急倾斜煤层开采沉陷预计和计算结果的可视化分析,可快速绘制开采损害等级云图、计算损害区域影响范围等工作.研究成果可用于倾斜、急倾斜煤层开采引起的地表...     

大同矿区“三硬”条件地表沉陷数值模拟

针对大同矿区“三硬”条件马脊梁矿2号402盘区刀柱开采引发的井下工作面顶板大面积突然垮落和地表整体塌陷，采用三维有限差分法FLAC^3D软件进行采场力学行为模拟分析.从煤层的开挖到地表的塌陷，全面分析了开采历史过程的应力场、位移场和破坏场的分布与变化，以及采场内煤柱的稳定性.提出了采场内煤柱失稳破坏引起采场应力重新分布，出现煤柱群连续失稳破坏的多米诺效应，从而导致采空区顶板大面积突然垮落和地表整体塌陷.     

基于FLAC~(3D)的煤矿开采沉陷预计及与概率积分法的对比分析

经典概率积分法作为常用沉陷预计方法自有其优越性,但其不能表现地层内部的岩体的移动变形情况,且关键参数必须由实地观测方可确定,这给开采沉陷预计工作造成了一定的难度。文章通过对数值模拟法进行研究,同时与概率积分法进行对比,得出两者处理开采沉陷预计工作中的优劣。研究表明:无需确定复杂参数的数值模拟法不仅能有效的表现地表的移动变形情况,更能表现岩体内部的移动变形情况。     

基于Matlab的概率积分法开采沉陷预计参数解算

通过在开采工作面地表建立观测站获取地表变形数据解算概率积分法开采沉陷预计参数,从而预计工作面周边或相似开采条件下工作面的开采沉陷并评估和指导开采作业,其前提是精确获取概率积分法开采沉陷预计参数。为此,基于Matlab软件,采用最小二乘法拟合观测点变形数据解算概率积分法开采沉陷预计参数,并结合Matlab软件绘图工具开发了集数据载入、坐标转换、参数解算、结果输出、开采沉陷预计及反演为一体的可视化开采沉陷预计系统。以淮南谢桥煤矿11316工作面为例,根据地表移动观测点位移数据解算开采沉陷预计参数并与实测值进行对比分析,结果表明,该系统解算出的开采沉陷预计参数符合两淮矿区开采沉陷的基本规律,反演结果与实测值基本吻合,该系统对于实现矿区开采沉陷高精度预计和反演具有一定的参考价值。     

厚火成岩下采煤地表移动规律研究

在厚火成岩下采煤,因火成岩硬度大,不易冒落而容易诱发冲击性地质灾害。为了研究火成岩下开采沉陷规律,解决火成岩下开采地面破坏及建筑物保护问题,建立了地表移动观测站。根据火成岩厚度分布情况,结合数值模拟计算,确定了煤层开采后火成岩随下伏岩层呈整体下沉。利用岩移预计软件计算无火成岩条件下地表变形,与实际观测结果对比,分析火成岩下采煤地表移动规律。     

倾角50°左右煤层开采沉陷预计模型选择研究

为能够更准确地预计倾角50°左右煤层开采引起的地表沉陷,通过相似材料实验获取大量的实验数据,实验数据处理后得到地表静态下沉和水平移动曲线。分别基于概率积分法和皮尔森Ⅲ型函数法预计模型拟合地表静态下沉和水平移动曲线,分析拟合的参数、误差相关性以及中误差的情况,对比得出皮尔森Ⅲ型函数法更适合于倾角50°左右煤层开采沉陷预计。