煤矿开采地表沉陷UAV-摄影测量监测技术研究

西部矿区开采地表沉陷大多呈变形速度快、损害程度深、波及范围广的特点,常规观测站已无法适应其高强度开采地表损害监测任务。如何快速、准确、全面地监测煤矿高强度大规模开采引起的地表沉陷与环境损害是矿山企业面临解决的一个关键问题。采用无人机(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)摄影测量技术对西部高强度开采的矿区进行地表沉陷监测,给出了基本思路和方法,并以内蒙古鄂尔多斯某煤矿为例进行了应用研究,通过与水准对比评定了UAV摄影测量建立的数字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)和沉陷盆地的精度。研究结果表明：UAV摄影测量技术获取的DEM精度为228 mm,沉陷盆地精度为81 mm,沉陷盆地精度为比DEM高程精度提高了64.5%;反演得到的下沉系数与水准求参结果相比,相对误差为1.4%;UAV摄影测量技术可以快速获得地表丰富的遥感影像数据,并可求出“面状”全盆地沉陷数据和可靠的沉陷参数,为矿区生态环境监测以及后续的生态修复和土地复垦提供支撑,研究成果可以为多数西部煤矿开采地表损害监测提供有效手段。     

黏土体失水引起的地表下沉计算方法研究

为了更加精确地计算厚冲积层矿区的煤矿开采沉陷问题,减小采动损害与环境破坏,基于煤矿开采沉陷计算的概率积分法,探讨了由于黏土体失水引起的地表沉陷计算问题,推导了黏土体失水引起的地表下沉计算公式,并应用于煤矿实际地表沉陷,加以分析论证．研究结果表明黏土体失水对地表沉陷的影响比较大．因此黏土体失水对地表沉陷的影响是不能忽略的．     

淮南矿区的开采沉陷及防治

作者根据淮南矿区开采引起的地表沉陷的研究与实践,对矿区内不同地质及开采条件下的地表沉陷,划分了四种盆地类型,并选用不同的数字模型表述,由机助绘图绘制了矿区三大片的地表沉陷趋势测图:对地表沉陷引起的对淮河堤坝、国家铁路、建筑物、地下管路与输电线路等的损害进行了阐述,对地表形态的破坏变化进行了分析与预测;提出了含预防措施和综合治理二个方面的地表沉陷治理对策。     

基于ArcGIS的开采沉陷预计分析可视化方法

矿山开采引起的地表移动是一个复杂的动态过程,传统的二维线划图不能全面、准确地表达地表的沉陷信息。基于ArcGIS地统计分析模块对开采沉陷中概率积分法的预计结果进行了分析和处理,实现了开采沉陷的三维立体显示及剖面图的生成,有助于更加直观和深入地研究地表移动情况,为研究开采沉陷规律和提高开采沉陷损害防治技术提供了更加直观有效的技术方法。     

彬长矿区开采沉陷损害及对策

针对彬长矿区煤炭开采引起的地表沉陷,介绍了煤矿开采沉陷损害现状,揭示了矿区地表移动变形规律,分别从开采沉陷的预防和综合治理两个方面提出了具体的对策。     

煤矿开采对浅层地下水的影响评价

受采煤影响,长城三号煤矿采空区地表出现了较大范围沉陷区,该沉陷区位于宁夏回族自治区银川市兴庆区月牙湖乡东部的牧民新村一带,属该区域潜水地下水径流的上游区域。针对近年来该采煤沉陷区及下游大部区域出现了水资源枯竭、地下水位持续降低、水质持续恶化的状况,对长城三号矿井采空区域开展了地下水环境调查、水文地质钻探、地下水位统测、水样取样检测等工作,对开采煤层的“两带”高度进行理论分析和计算,对矿井充水因素、浅层地下水流场特征、地下水长观资料、水文动态观测等资料进行了全面系统分析和研究,结合煤矿井下实际揭露资料,分析和评价长城三号煤矿开采及地表沉陷对浅层地下水的影响,并提出了相关建议,为加强当地地下水资源的保护,科学、合理地开发和利用地下水资源,实现地下水资源可持续开发利用提供指导和依据。     

利用差分干涉测量技术监测煤矿区开采沉陷变形的初步研究

近年来,差分干涉测量技术（D-InSAR）越来越多地被应用于地表沉陷变形监测方面,如地震、地下水过度开采等造成的地表形变,地下煤炭资源开采所造成的地表形变具有影响空间范围小、沉降速度缓慢的特点,而差分干涉测量的精度又易受大气、时间和空间基线等因素的影响,因此,利用D-InSAR对煤炭资源开采沉陷所造成的形变进行监测,具有更大的难度。为了验证D-InSAR技术对于该类沉陷的监测能力,选择了地表观测记录资料较为翔实、沉陷灾害比较严重的山西潞安矿区作为研究区域。结果表明,利用D-InSAR技术可以比较容易地确定地表沉陷的位置和分布范围,具备监测采煤沉陷地表变形的能力。下一步的研究,是希望建立基于D-InSAR技术的稳健、经济、高效的煤矿区开采沉陷变形监测系统。     

承压含水层自身性质对地表沉陷的影响规律

为了确定28采区继续回采对地表建筑物的影响,以9#煤层28采区上覆第四纪承压含水层为研究目标,综合采用理论分析、数值模拟等手段,运用岩层移动、地下水动力学相关知识,研究了含水层自身性质对地表沉陷的影响,研究结果表明:在28采区条件下,地表沉陷与含水层压力、渗透系数成正比关系;含水层厚度对地表沉陷的影响呈抛物线状态,在厚度为30 m时,对应的地表沉陷最大;28采区继续回采地表沉陷最大值较以往将会不断的减小,不会对建筑物造成进一步的破坏。     

基于Knothe时间函数的开采沉陷预计研究

开采沉陷对矿山正常安全的采煤工序和地面建筑物有严重影响,为减少沉陷带来的损害,根据矿山实际生产情况,采用Knothe时间函数结合概率积分法,建立地表沉陷预计模型及公式,并运用Matlab软件编辑M文件将预测结果可视化,确定矿山开采过程中地表的沉陷量及沉陷范围,最终完成对地表的沉陷预计。结果表明:工作面在推进至148.8~186 m时达到最大下沉量,与预测结果基本吻合;随着工作面的继续推进,地表塌陷波及范围会不断加大,采取加大回采长度,保证地表的相对平整性;地表塌陷走势大致沿着走向方向呈台阶依次下沉,最大下沉处约1.6 m。方法可监测地表沉陷范围及下沉量变化,为减少沉陷损害提供指导依据。     

浅议矿山开采沉陷学研究内容之延拓

本文从目前矿山开采沉陷学研究的内容和范围出发,分析了石油开采、地下水的汲取、城市沉降与环境、城市浅地表开挖工程等与矿山开采沉陷之间的关系,提出了矿山开采沉陷学研究可拓展的领域.     

膏体充填条带开采技术

为了解决煤矿采空区全部充填开采成本相对偏高的问题,同时有效地控制煤矿开采地表沉陷和保证承压水上采煤的安全性,提出了煤矿膏体充填的条带开采技术,该技术以煤层顶板(关键层)、受承压水影响的底板极限垮落步距和条带煤柱留设的理论为原则,设计了膏体条带充填的充填宽度和留设宽度,并对影响条带充填体稳定的充填体尺寸、物料的配比、充填体空间的围岩岩性、地质构造和充填体侧向应力等因素进行分析。理论分析证明该技术构成的"煤层底板—充填条带—上覆岩层—主关键层"的结构体系能够有效控制地表下沉和减少底板破坏深度,达到承压水上建(构)筑下安全采煤的需求并最大程度地减少充填开采成本。     

高等级公路在开采影响下的破坏现象探讨

根据地下开采引起的地表破坏现象,借鉴建筑物下、水体下、铁路下采煤,结合高等级公路自身属于带状建筑物的特点,分别讨论了地下开采引起的地表下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形对高等级公路的破坏现象。地下煤炭被采出并达到一定规模后将引起采空区上覆岩层冒落破坏,继续开采,破坏现象将影响到地表,引起地表移动变形,导致地表建筑物、构筑物受到不同程度的破坏。对于高等级公路,地下开采影响到路基路面后,将使高等级公路产生路面移动盆地、路面台阶和裂缝、路面塌陷坑和塌陷槽、路基高路堤沉陷以及边坡坍方等破坏现象。     

强富水灰岩区下矿体绿色开采理念与实践

针对吴庄铁矿井下涌水量大,地表有村庄,农田不允许塌陷,尾矿库已饱和等复杂的开采环境,提出了适合该矿的绿色开采理念及技术措施。采取“地表井下联合以帷幕注浆为主的外截内排”的防治水方案,即在地表灌溉渠浇筑、锚喷以阻断地表水体对井下的间接补给,地面帷幕注浆封堵富水断层,阻断水源通道,以及井下浇筑堵水墙防止注浆液从突水点涌出、流失的地面井下联合防治水措施。选用分段空场采矿嗣后充填法,利用尾砂胶结料及时对空区进行充填,为空区顶板和注浆帷幕的稳定性提供了保障,避免了地表塌陷。 研制了一种适合2种进料方式的地表充填站,取自尾矿库的干料采用自卸汽车运输至充填站,由大倾角皮带机输送至砂仓,而选厂排放的尾砂,直接经管道泵送。项目实施后,井下正常涌水量由原来的1 260 m3/h减少到300 m3/h,降低了76%,节省了排水费用,并且保护了地下水资源;采用的充填采矿法避免了地表塌陷,减少了征地及迁村的费用,同时将回采率由原来的67%提高到89%;而选用尾砂作为充填料,又有效解决了尾砂堆放的问题。     

孟巴矿厚松散含水层下协调保水开采模式

孟巴矿的地质采矿条件具有近地表松散富含水层厚、煤层顶板厚、煤层厚的"三厚"特征,开采煤层覆岩中含有多个含水层组,矿井水害是威胁矿井安全生产的主要因素。在覆岩多水体条件下,为了有效防止近地表厚松散UDT含水层进入井下,导致淹井灾害发生,提出上保下疏的开采水害防治模式。一分层安全开采的关键技术是控制复合关键层的结构稳定,应用初始后屈曲理论解析其稳定性,得出结构关键层的极限破坏长度,通过线性回归给出分层开采覆岩导水裂缝带发育高度预计计算公式,分析确定了一分层开采工作面宽度不超过150 m,限高开采3 m;依据对UDT含水层防护的安全煤岩柱高度确定二分层开采高度,二分层开采后覆岩结构关键层发生破坏,既能够有效疏放LDT隔水层以下含水层水,又能够保证LDT隔水层的完整性,达到UDT水体不发生下泄的目的,保障了矿井安全开采;根据工作面协调减损开采原理,确定开采分层合理错距约为82 m,下分层的巷道布置在上分层开采采空区下的厚煤层分层错距协调限高开采布置模式,实现有效降低了覆岩应力的叠加效应,减轻LDT隔水层的变形破坏程度。开采结果表明:厚煤层分层协调布置开采方法,有效减轻了UDT含水层下LDT隔水层应力叠加损伤程度,保护了隔水层的完整性;一分层限高综采,二分层限高综放开采分次疏放了煤层顶板至LDT底板2个含水层组,解决了矿井排水能力较小条件下的水害防治问题;分层工作面错距协调布置开采方法,有效降低了开采边界导水裂缝带发育高度,减小了LDT变形破坏程度,同时释放了一分层区段煤柱应力,实现了覆岩整体下沉,不但有效地降低了覆岩破坏高度,而且减小了冲击矿压冲击强度,开采期间UDT水位变化幅度稳定保持在一定范围内,实现了多水体条件下上保下疏的厚煤层分层安全开采模式。     

崩落法深部开采岩移及地表塌陷规律分析研究

大红山铁矿为国内规模最大的地下开采矿山之一,其主采区无底柱分段崩落法结构参数为国内领先,大规模深部开采导致各采区之间应力较为复杂。针对大红山铁矿硐室爆破冒落上覆岩层后,崩落法深部开采引发的岩层移动及地表塌陷规律展开研究,总结地表塌陷区沉降及其裂缝的发展过程,系统分析了深部开采对地表沉降及开裂的影响,得出了岩移导致的陷落角。通过地表沉降及相关井下地压监测数据分析,得到了硐室爆破后,塌陷区地表及井下岩层趋于稳定的结论,表明崩落法上覆岩层冒落对于缓解深部开采高应力、保证足够覆盖岩层厚度、控制岩层移动具有重要作用。     

基于MSPS系统和FLAC3D软件的地下开采地表沉陷预测分析

地下开采可能诱发地面建(构)筑物变形及地表环境破坏,造成巨大损失。为研究地下开采后能否消除对地表建(构)筑物的安全影响,以拟采用充填采矿法开采的某金矿为工程背景,依据地下开采地表沉陷理论,运用MSPS和FLAC_^3D相结合的方法,对充填开采后地表沉陷进行预测分析与对比印证,确定矿区充填开采后地面沉陷范围与大小。预测分析结果表明：该矿采用充填法开采,并采取合理的安全对策后,由地下开采所诱发的地面沉陷变量均未超过地面保护对象的地表允许变形值,满足建(构)筑物保护等级的要求;MSPS系统预测的地表最大下沉值偏大,而FLAC_^3D软件预测的地表最大下沉值较小,可能与数值模拟岩体力学参数取值有关,两种方法预测的地表最大下沉值都在允许变形范围内。分析结果对该矿安全设施设计以及类似矿山地表稳定性分析具有参考价值。     

半解析方法用于房柱式开采沉陷的三维计算

半解析数值方法具有降低维数、节省内存、建模工作量小等特点，用于三维开采沉陷计算和应力分析具有明显的优越性。基于半解析方法中的层单元和棱柱单元推导计算方法，在Visual Fortran 6.5环境下编写了可用于全采、条采和房柱式开采的三维沉陷计算和应力分析程序。以兖州矿业集团南屯煤矿房柱式开采的地质采矿条件为基础，应用三维半解析数值方法，分别对房柱式和条带式开采条件下的地表沉陷进行了三维对比模拟计算，获得了房柱式和条带式开采的控制地表沉陷的对比结果。     

绿色开采的概念与技术体系

阐述了煤矿绿色开采概念的提出、内涵及绿色开采技术体系。绿色开采技术的主要内容应包括：保水开采，建筑物下采煤与离层注浆减沉，条带与充填开采，煤与瓦斯共采，煤巷支护与部分矸石的井下处理，煤炭地下气化等。岩层控制的关键层理论为绿色开采研究提供了一个理论平台。     

单一采区工作面不同开采顺序地表沉陷模拟与复垦对策分析

煤炭地下开采导致地面沉陷问题的出现,我国煤炭地下开采多以长臂开采,垮落式管理顶板的方式进行,地面土地损伤严重。地下工作面在不同开采顺序下虽然最终的沉陷形态一致,但是地面沉陷的过程及规律有所不同。对于井工煤矿边采边复而言,由于要在沉陷过程中采取复垦措施,因而对其动态沉陷过程进行模拟与分析很有必要。本文采用室内模拟方法,对单一采区的7个规则工作面在5种不同开采顺序下的地面沉陷过程与规律进行了分析,就5种开采顺序下的地面沉陷特征及复垦利弊进行了讨论。在此基础上,拓展分析总结得出了3类地质条件下的地下开采-地面复垦的耦合方案。     

金属矿床开采地表破坏机理及防控方法

矿山的开采会使岩层发生连续的移动变形和非连续的开裂冒落,进而引起地表的下沉、塌陷等破坏。针对金属矿山开采时可能造成地表破坏的形式、成因及危害状况进行了分析,认为地表破坏的主要原因是地下开采时形成的采空区、开挖的巷道及其他地下工程所形成的地下硐室和空区,而矿区岩体中断层、节理等地质结构为岩体破坏提供了基础,爆破震动以及地下水的压力强化和发展了岩体的变形与破坏。在整理总结国内部分矿山企业控制和监测地表移动、沉降、塌陷的方法和工程实践基础上,从系统的角度提出了采空区处理、注浆减沉、塌陷区治理等综合减轻地面破坏的措施,指出地表塌陷破坏是复杂因素耦合作用的结果,需从工程类比、监控分析、数值计算等多方面进行预测预防。