山东某煤矿老采空区上方大型工程建设案例

以山东某采煤塌陷地为例,开展了煤矿采空区上方大型工程建设研究和实践。通过调查与测绘,高密度电法、大地电磁法、瞬变电磁法等多种地球物理勘查方法和钻探相结合的方法对老采空区进行了精细勘查,获得了4,9,10-2煤3层采空区分布位置、重叠关系、采出率、积水性等参数,揭示了老采空区赋存特征。从地表残余变形对建筑物稳定性影响以及建筑荷载对采空地层稳定性影响2个方面分析了拟建大跨度数据处理中心、4栋高层等建筑物场地稳定性,研究范围内地表因老采空区活化导致的附加变形中附加下沉值为260 mm,超过了拟建建筑修建和使用期间的地基变形要求;9煤层采空区裂缝带与上方高层建筑荷载附加应力影响范围在研究区西部存在重叠区域,部分区域的建筑物地基稳定性差,需要进行采空地层加固治理。采用垂直剖面法确定治理水平治理范围、根据采空覆岩运动特征确定垂直治理范围,依据各煤层采空区间距划分2个注浆层位,注浆钻孔在地面东西走向间距为25 m,南北走向间距为20 m,帷幕孔间距均为15 m,帷幕、注浆孔均一次成孔。采用“无压自流+加压扩散”注浆技术与工艺进行采空地层加固治理,一个注浆层位采用一次注浆工艺,多个注浆层位采用上行式注...     

长壁开采老采空区带状注浆设计方法

在分析老采空区残余沉降机理的基础上,结合开采沉陷理论,对控制老采空区残余沉降的注浆充填的技术方法进行了研究.得到如下结论：控制老采空区残余移动变形的关键是控制垮落带和断裂带内岩体的变形.在一定开采深度下,老采空区注浆充填可采用带状注浆充填.当开采深度小于导水断裂带高度和地面建筑载荷作用深度时,注浆孔间距为2倍的浆液扩散半径;当开采深度大于导水断裂带高度和地面建筑载荷作用深度时,给出了带状注浆充填注浆孔间距计算公式及注浆孔布设原则.注浆孔首先应布置在距离工作面边缘内20 m范围内、急倾斜煤层上山方向和断层发育区域,以充填采空区边缘的空洞和欠压密区.     

黄土覆盖下开采沉陷影响研究分析

通过运用相似模拟实验和FLAC3D数值模拟对我国北方由于黄土覆盖区域下的煤层开采造成的地表沉陷进行研究。数值模拟实验研究得出:由于煤层开采时受开采推力和上覆岩层自重的影响,位于采空区上部的覆岩会不断发生向采空区方向的垮落,在覆岩垮落达到一定程度时会逐步使地表发生沉降,且沉降是随采掘长度不断增加而加大。相似模拟实验研究得出:工作面向前推进时,位于采空区上方的顶板发生初次垮落长度为280mm(56m),来压长度210mm(42m),垮落高度16mm(3.2m),即初次来压。相似模拟实验中,在水平推力和开采扰动的影响下,黄土覆盖地表沉降和数值模拟基本相似,当开采终止后,其最大沉降值为36.48mm(7.296m),共发生9次来压,平均来压步距为131mm(26.2m)。     

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。     

采空区上覆岩层破坏高度的预测

煤矿开采后采空区上覆岩层由上而下依次形成垮落带、裂缝带和弯曲下沉带。采用井下钻孔的方法对大佛寺煤矿采空区上覆岩层现场观测,得出了垮落带和裂缝带的发育高度,并理论推算出了其发展规律的二次预测模型。预测结果表明:从距回风巷10m的位置处起,垮落带开始发育,其最大高度距煤层顶板约为0～1.3m,裂缝带最大高度距离煤层顶板27.6m,该模型的获取为大佛寺40106工作面煤的自燃防治及高抽巷瓦斯抽放提供了重要的理论依据。     

坚硬顶板综放面覆岩垮落及导水裂隙研究

以北辛窑煤矿2#煤首采面开采为背景,采用物理相似模拟的方法,运用全站仪与钻孔电视研究了坚硬顶板综放面覆岩垮落特征及导水裂隙带发育高度。结果表明:8103首采面来压步距大,煤层回采后覆岩表面导水裂隙带高度为115～135 m;关键层发生破断时覆岩表面位移变化明显,煤层回采后距开切眼240 m处地表沉降达到5 m以上;通过对煤层回采后1#钻孔内部裂隙分析,认为中下部和下部垮落覆岩是储水和导水的主要空间,对1#和2#钻孔不同回采距离下内部裂隙发育高度分析可得,导水裂隙带高度最终稳定在125.2～128.2 m,这对工作面两带高度确定和防治水措施的制定,具有重要的指导意义。     

淄博某采空区场地建筑适宜性评价研究

根据研究区岩土层结构和地下煤层的赋存特征及煤炭开采背景,运用概率积分法,预测拟建场地多层采空区条件下的地表残余变形,并计算拟建场地浅部2煤采空区的垮落断裂带发育高度及建筑荷载作用下的地基附加应力影响深度。结果表明:拟建场地残余变形中最大沉降量为130 mm,最大倾斜值为1. 8 mm/m,均小于规范规定的建筑物地基变形允许值;拟建建筑地基附加应力最大影响深度为地下58. 3 m,小于2煤采空区垮落断裂带顶部的埋深,地基附加应力不足以引发采空区的"活化";在建筑基础刚度、地基处理等方面满足规范要求的前提下,拟建场地作为建筑场地是适宜的。     

近距离多煤层开采覆岩破坏高度与特征研究

以新强煤矿为试验矿井,采用钻孔冲洗液漏失量观测和钻孔彩色电视系统探测了近距离多煤层开采覆岩破坏高度。研究结果表明,通过钻孔冲洗液漏失量观测和钻孔彩色电视系统探测综合分析,得到新强煤矿近距离煤层群开采垮落带高度约为80m,导水裂缝带高度为133.75m,裂采比为31.1～40.5。与新强煤矿导水裂缝带高度经验值较吻合,观测到的垮落带高度已与传统意义上的垮落带有所区别,应该属于导水裂缝带的严重开裂范围之内。     

巷道式采空区上行开采安全性分析

根据山西某煤矿8#煤层的开采情况,采用理论分析法对其巷道式采空区煤柱的稳定性,垮落带及裂隙带的高度进行分析。结果表明,8#煤层的煤柱虽然变形较大但不会整体坍塌,且5#煤层位于8#煤层裂隙带内;采用UDEC软件模拟计算了5#煤层顶板在不同条件下的变形情况,煤层总的沉降值较小,引起的倾斜也较小。根据上述研究成果,成功地进行了巷道式采空区上部5#煤层的回采。     

老采空区地基稳定性评价

以平顶山矿务局阿庄住宅小区为实例，系统地研究了老采空区上方地基稳定性的评价方法，提出了以建筑物荷载影响深度，采空区冒落裂缝带发育高度不相互重叠来确定建筑物的层数，指出在建筑物设计时要适当考虑老采空区活化可能产生的地表残余变形。     

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。     

浅埋厚煤层大采高工作面顶板岩层断裂演化规律的模拟研究

根据神东矿区上湾矿1 - 2 煤层的赋存条件,运用1∶50的大比例相似模拟试验,研究了 5.5 m 大采高综采工作面顶板垮落特征、顶板断裂位置及顶板垮落带和裂缝带“两带”高度等。研究结果表明：① 直接顶岩层分层垮落形成松散块体,难以充满采空区;② 由于一次采出的煤层厚度大幅度增加,原有直接顶远不能充填满采空区,基本顶的下位岩层分层垮落后,不能形成铰结结构,采高的增大使得直接顶的范围变大;③ 周期来压前,顶板的断裂位置一般超前工作面 7.65 m ;④ 顶板垮落带和裂缝带“两带”的高度呈现台阶式上升。     

房柱式采空区下综采覆岩运动规律研究

从地表向采空区打213 m钻孔,并在指定不同层位安设5个岩层位移传感器,对房柱式采空区下综采的覆岩运动规律进行了实时动态监测。通过4个月的观测结果可以看出:2~#煤层房采采空区的顶板滞后于3~#煤层综采的顶板运动,并由下逐渐向上发展。2~#煤层上方6m的顶板滞后3~#煤层30d开始运动,且呈明显的垮落带特征。滞后40d后2#煤层顶板上方12m的顶板开始运动,呈现明显的弯曲下沉带特征。结合井下钻孔及窥视仪观测结果,得出房柱式采空区下综采工作面的垮落带高度为采高的2.5倍,弯曲影响范围为采高的15倍。     

和善煤矿“两带”高度数值模拟及实测研究北大核心

为探究上位煤层采动影响对下位煤层垮落带及导水裂隙带发育规律的影响,在理论分析的基础上,运用UDEC数值模拟软件,模拟了不同层间距上位煤层底板断裂带深度与下位煤层覆岩“两带”高度变化规律,并以实际工作面为背景,采用双端堵水器对覆岩“两带”高度进行实测。结果表明:9+10号煤垮落带高度为10.6 m,导水裂隙带高度为45.79 m,上位煤层开采对下位煤层导水裂隙带的发育高度存在一定影响,且基本呈负相关趋势,上下两煤层导水裂隙带存在贯通的可能性。     

采煤塌陷区土地建筑利用技术与工程应用

我国采煤塌陷区土地量大面广利用率低,加大对采煤塌陷区土地利用具有重要意义。为科学评估采煤塌陷区土地建筑利用的可行性和适宜性,采用理论计算和工程验证方法研究了塌陷区建筑地基的稳定性。在充分分析研究区下方老采空区特征和分布情况的基础上,采用概率积分法并选择合理的残余沉陷预计参数计算了该区地表后期的残余沉陷变形。采用地基附加应力法计算了新建建筑荷载在采空区上方地层中的影响深度,通过对比其与垮落裂隙带高度的空间位置关系来定量评价老采空区地基稳定性,并综合考虑地表倾斜变形指标确定建筑物高度。为确保建筑物安全使用,提出了基于地表残余沉陷变形的建筑物抗变形措施。研究表明：研究区后期将承受Ⅰ级残余沉陷变形,新建建筑荷载影响深度不会波及到垮落裂隙带范围,不会导致老采空区“活化”,实践效果验证了评价结论的可靠性;对采煤塌陷区进行工程建设利用和商业开发具有可行性,可以有效利用塌陷区废弃土地资源,生态效益和社会效益良好。     

采煤塌陷区土地建筑利用技术与工程应用

我国采煤塌陷区土地量大面广利用率低,加大对采煤塌陷区土地利用具有重要意义。为科学评估采煤塌陷区土地建筑利用的可行性和适宜性,采用理论计算和工程验证方法研究了塌陷区建筑地基的稳定性。在充分分析研究区下方老采空区特征和分布情况的基础上,采用概率积分法并选择合理的残余沉陷预计参数计算了该区地表后期的残余沉陷变形。采用地基附加应力法计算了新建建筑荷载在采空区上方地层中的影响深度,通过对比其与垮落裂隙带高度的空间位置关系来定量评价老采空区地基稳定性,并综合考虑地表倾斜变形指标确定建筑物高度。为确保建筑物安全使用,提出了基于地表残余沉陷变形的建筑物抗变形措施。研究表明：研究区后期将承受Ⅰ级残余沉陷变形,新建建筑荷载影响深度不会波及到垮落裂隙带范围,不会导致老采空区“活化”,实践效果验证了评价结论的可靠性;对采煤塌陷区进行工程建设利用和商业开发具有可行性,可以有效利用塌陷区废弃土地资源,生态效益和社会效益良好。     

老采空区地表残余沉降预计与应用

为了对长壁垮落法开采老采空区"活化"引起的地表残余沉降进行估计,从老采空区的覆岩形态结构出发,提出把长壁垮落法开采老采空区分成2个区进行预计:边界的欠压密区和中部的压密区,给出了欠压密区和压密区的尺寸.针对边界"活化"空间的分布特征和突发性"活化"特点,提出等价成变采高的小工作面开采来预计边界"活化"引起的地表残余沉降...     

青龙寺煤矿高强度综采覆岩破坏特征实测研究

为探索青龙寺煤矿地质采矿条件下的垮落带和导水裂缝带发育高度，采用现场地面钻探、钻孔漏失量观测法、彩色钻孔电视成像技术、经验公式、类比分析综合研究方法，对5-20101与5-20105工作面覆岩垮落带、导水裂缝带高度进行实测及特殊性分析。结果表明：青龙寺煤矿地质采矿条件下垮落带最大高度为9.7～17.0 m,垮采比为4.1～7.4;导水裂缝带发育最大高度为41.47～46.87 m,裂采比为17.4～20.4;工作面推进速度可影响上覆岩层的回转角度及稳定结构的形成，高强度快速推进综采工作面地质采矿条件下的“两带”发育高度具有垮落带、导水裂缝带发育高度大的特点。     

浅埋煤层分层开采“两带”高度预测

为了合理留设安全煤岩柱,以5303浅埋煤层分层开采工作面为背景,对工作面第一分层"两带"高度进行实测,得出垮落带和导水裂缝带高度分别为11.4,24.2 m。以此为基础,采用《"三下"开采规程》和兖州矿区经验公式对第二分层及第三分层的"两带"高度进行预测,结合数值模拟方法对其进行验证,综合得出第二分层垮落带和导水裂缝带预测高度为12.2~15.3 m、38.2~42.9 m,第三分层垮落带和导水裂缝带预测高度为14.4~16.3 m、39.0~43.8 m。预测结果可为类似地质条件下的河下开采的煤岩柱合理留设提供依据。     

规划区内水体下采煤可行性

通过垮落带与导水裂缝带高度的计算,并列举了国内水体下采煤成功案例,对红海子煤矿水体下采煤的可行性进行了分析和研究,得出导水裂缝带高度为38.43m,远小于地表水体与煤层的间距,开采具有可行性,既保证了煤矿的安全生产,又对推动煤矿安全评价技术的发展起到了促进作用。