采动地裂缝动态发育规律及治理标准探讨

为了研究西部矿区浅埋煤层开采造成的地裂缝灾害,以神东矿区为研究基地,对大柳塔矿22201,52304工作面开采的地裂缝进行了持续动态监测,研究了采动地裂缝的动态发育规律,建立了采动地裂缝发育深度和宽度、落差之间的定量函数关系模型,在此基础上,提出了采动过程中的临时性地裂缝治理标准和依据。研究表明:随着工作面的推进,采动过程中的临时性裂缝呈现"增大-减小-闭合"的动态规律;地裂缝发育深度与宽度之间存在线性增大的正比例关系,深度与落差之间存在对数关系;为保证安全生产,当"由上到下"扩展的地裂缝与"自下而上"发育的导水裂隙带贯通时,临时性裂缝需要治理,治理标准为导水裂隙带高度与地裂缝深度之和大于煤层埋深,治理依据为裂缝最大安全宽度或最大安全落差。     

黄土沟壑区特厚煤层开采地表裂缝发育规律研究

黄土沟壑区煤炭大规模开采诱发的地表裂缝加剧了区域生态环境的损伤.以内蒙古大饭铺煤矿６１２０２工作面为研究对象,探究工作面开采导致的地表裂缝的产生机理、发育特征和展布规律,结果表明:(１)在开切眼周围容易产生沿边缘分布的拉伸裂缝和在中心区域呈 O 形分布的沉降坑;工作面中部区域散布着随工作面走向推进的弧形裂缝以及边缘区的拉伸裂缝,停采线范围附近地表裂缝主要以 C 形分布的张开式拉伸裂缝为主;(２)工作面整体以宽度为１０~３０cm 的裂缝为主,大多数裂缝的落差在 ５~２０cm 之间;(３)工作面采动过程中顶板裂隙不断发育贯通地表产生地裂缝,随着工作面的推进,裂缝宽度增加到最大值后开始减小直至趋于闭合;(４)沿工作面倾向方向,在地表沉陷区周边形成环状裂缝分布区,边缘区域裂缝不断发育,在工作面推进位置前方裂缝呈现“发育—闭合”的趋势.研究成果对西部黄土沟壑矿区煤炭开采与区域环境保护协同发展具有重要意义.     

黄土沟壑区特厚煤层开采地裂缝发育规律研究

黄土沟壑区特厚煤层开采易产生地裂缝,加剧生态环境破坏,危及矿区安全。本文以山西省某矿区104工作面为研究背景,结合现场调查、数值模拟和理论分析等方法,研究了采动地裂缝静态分布特征、动态演化规律及其形成机理。研究表明:地裂缝分为拉伸型、台阶型2种类型与分叉、平行2种组合方式。宽度0～5 cm的裂缝数量占52%,宽度5～10 cm的裂缝数量占28%,宽度10～15 cm的裂缝数量占14%,宽度大于15 cm的裂缝数量占6%,黄土沟壑区采动地裂缝发育程度更强;根据地裂缝分布位置,可以分为动态面内裂缝(工作面内且与开切眼基本平行)及永久边界裂缝(开切眼、停采线及平巷附近)2种类型。动态面内裂缝具有“山峰”活动规律,裂缝宽度呈现“先开后合再稳定”的变化特征,永久边界裂缝宽度呈现“只开不和”的变化特征,裂缝初始宽度与最大宽度满足线性正相关关系;地裂缝的形成是由下至上的动态发育过程,即“采煤—覆岩移动—地表变形—产生地裂缝”。通过构建“井下开采—覆岩移动—地裂缝产生”三维一体模型和地裂缝动态发育模型,定性分析了地裂缝的活动机理。研究成果对黄土沟壑区生态环境修复及采动损害防护具有重要参考价值。     

相邻工作面开采下的矿区地表沉陷InSAR监测与分析

针对相邻工作面重复开采条件下地表形变复杂和常规D-InSAR方法易受时间去相关和大气延迟等因素影响的问题，以东滩煤矿为研究对象，采用SBAS-InSAR方法对40景Sentinel-1A数据进行时序处理，获取了研究区域的年均沉降速率和时序累计沉降量，并对形变特征进行了分析。结果表明：6303相邻工作面的采动对已采工作面影响效果显著，相邻工作面开采条件下地表沉陷速率快、范围广、沉陷盆地形状不规则，6303工作面在走向和倾向上的沉降量差异明显，表现出非对称性特征；InSAR技术能够效监测到矿区相邻工作面开采的地表沉陷现象，可为类似复杂开采条件下的矿区地表形变分析提供技术参考。     

浅埋高强度开采地表及覆岩破坏特征--以神东矿区为例

采用现场实测与理论分析的方法对神东矿区地表非连续变形及地表移动持续时间进行了研究。阐释了高强度开采的内涵,并提出以地表最大下沉速度、采动损害程度及工作面来压强度作为判断指标。总结了神东矿区基岩全厚切落式和基岩部分破坏式2种岩层移动类型。分析总结了神东矿区地表移动以伴随非连续变形为主要特征的高强度开采规律:地表最大下沉速度达700mm/d,非连续变形以裂缝与台阶为主;采动裂缝以裂缝带形式发育,主裂缝间距与工作面周期来压步距基本一致,最前裂缝带内主裂缝滞后角约79.8°,地表最宽裂缝滞后角58.2°;裂缝发育条数及宽度与表土性质密切相关,风积沙区裂缝宽度一般小于30mm,黏性表土区一般大于50mm,裂缝宽深近似线性相关。本文可为类似开采条件下采动损害控制、地表环境治理、开采设计提供参考。     

浅埋高强度开采地表破坏特征:以神东矿区为例

采用现场实测与理论分析的方法对神东矿区地表非连续变形及地表移动持续时间进行了研究。阐释了高强度开采的内涵,并提出以地表最大下沉速度、采动损害程度及工作面来压强度作为判断指标。总结了神东矿区基岩全厚切落式和基岩部分破坏式2种岩层移动类型。分析总结了神东矿区地表移动以伴随非连续变形为主要特征的高强度开采规律:地表最大下沉速度达700mm/d,非连续变形以裂缝与台阶为主;采动裂缝以裂缝带形式发育,主裂缝间距与工作面周期来压步距基本一致,最前裂缝带内主裂缝滞后角约79.8°,地表最宽裂缝滞后角58.2°;裂缝发育条数及宽度与表土性质密切相关,风积沙区裂缝宽度一般小于30mm,黏性表土区一般大于50mm,裂缝宽深近似线性相关。本文可为类似开采条件下采动损害控制、地表环境治理、开采设计提供参考。     

风沙区超大工作面开采土地损伤的演变与自修复特征

为揭示超大工作面开采过程中土地损伤的演变规律,以神东矿区的部分典型工作面为研究对象,建立了土地生态环境观测方法,发现地表移动变形、地裂缝以及土壤物理性质等关键要素具有一定的修复能力:① 与传统开采方式对比,超大工作面快速开采条件下,地表的移动变形和下沉总量没有变化,地表的下沉速度明显增大,地表受采动影响的时间缩短50%左右,相对均匀沉陷区的面积一次性达到78%,有效地促进了采后地形向采前状态的自修复;② 地裂缝存在明显的“分区”特性,动态地裂缝扩展程度较弱并快速闭合,发育周期与采矿地质条件有函数关系;边缘地裂缝以“O”型圈分布于开采边界,裂缝角呈近似垂直角,分布范围明显减小,也表现出较强的自修复能力;③ 土壤物理性质的变化与地表移动变形以及地裂缝的分区特征基本吻合,均匀沉陷区的土壤物理性质在采动1 a后趋于采前水平,而非均匀沉陷区由于边缘地裂缝的存在,暂无自然修复现象,需要辅助人工治理。     

基于三维激光扫描的矿区建筑物变形监测与采动损害评估

针对传统测量方法提取矿区地表形变存在获取数据是离散、低密度,不能完整有效地对建筑物损坏等级进行评价等问题。拟提出基于三维激光扫描技术(3DLS)的矿区建筑物形变监测及采动损害评估方法研究。首先介绍了基于三维激光的建筑物变形监测精度设计方法及建筑物采动损害评估方法。其次构建了基于量子粒子群(QPSO)的三维激光标靶球拟合方法,并进行了精度分析。随后对淮南某矿区地表建筑物进行了多时段实时观测,并对矿区开采沉陷盆地建筑物的特征点进行形变信息提取。最后依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设现压煤开采规程》对房屋的损坏等级进行了评价。结果表明：(1)QPSO算法应用于标靶球拟合具有一定的稳定性且其结果精度较高。(2)矿区地表建筑物的损坏等级与距开切眼的距离成正比,离开切眼越近,建筑物的损坏等级越高,同时其与工作面的掘进进度有关,随着工作面开采强度的提高,地表建筑物的损坏程度也随之提高。综上,应用三维激光扫描技术监测矿区地表建筑物的采动损害对矿区安全生产及评估有着指导性的意义,研究成果对附近矿区的地质环境灾害评估与防治具有重要的参考价值。     

浅埋深厚煤层高强度开采地表沉陷规律研究

以西部神东矿区大柳塔煤矿为工程背景，选取典型的浅埋深高强度开采工作面52307工作面为研究对象，设立地表岩移观测站，并结合RTK观测技术与三维激光扫描技术进行实时监测，基于关键层理论和CISPM综合地表沉陷预计模型软件，综合分析在浅埋深高强度开采条件影响下，地表移动变形特征、地表岩移角值参数变化以及地裂缝发育等问题。研究结果表明：在工作面从开切眼向前推进过程中，地表下沉值在开切眼位置较小，之后突然迅速增大，下沉曲线急剧变陡，当达到最大下沉值时，下沉速度开始变缓；地表移动变形主要集中在工作面中部，工作面四周下沉变形较小，地表移动影响范围较小；大柳塔矿区地表岩移角值参数偏大，基岩移动角和边界角分别达到了87.7°和84.1°。开采引起的地裂缝整体呈“C”字型主要分布在工作面中部；随着工作面的不断推进，地裂缝从开切眼位置开始继续向回风巷一侧缓慢延伸、发育并逐渐闭合，最终形成连续包围“漏斗”型形状；地裂缝总是滞后于工作面出现，地裂缝滞后距与工作面推进速度呈线性增大的关系。根据地表沉陷规律及地裂缝发育分析结果得出，在浅埋深厚煤层高强度开采条件下，由于工作面开采强度大、推进速度快、关键层结构单一且...     

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...     

超大综采工作面采动覆岩结构损伤研究

针对现代煤炭开采中地下水和地表生态保护问题,选择神东矿区补连塔矿的超大综采工作面,研究了风积沙区采动覆岩破坏规律和减损途径。研究表明：在相同开采环境下,工作面宽度和推进速度,是控制覆岩破坏程度的关键。首次采用相对损伤系数比较发现,增加工作面和推进速度,可降低采动覆岩结构相对损伤程度。这对减小采动裂隙带高度,促进采后地表生态修复都有重要作用。     

风积沙区采煤沉陷地裂缝分布特征与发生发育规律

煤炭开发可能加剧对生态脆弱区环境的损伤,风积沙区地下煤炭开采对地表环境的影响主要是沉陷地裂缝,且目前的研究缺乏对地裂缝从发育到湮灭全过程的研究,笔者通过井上下相结合的空间坐标控制体系和自主研发的动态地裂缝监测方法,对补连塔12406综采工作面地裂缝进行持续动态监测,提出了边缘裂缝的分布规律和动态裂缝的发生发育规律及其与地质采矿条件之间的关系。研究表明:①动态裂缝超前于当前工作面向前发展,裂缝超前距与工作面日进尺量呈现明显的线性正相关,平均的裂缝超前距为10.359 m,超前裂缝角为近似垂直角;②高强度开采动态地裂缝的两侧无明显落差,裂缝的宽度值在采动过程中有显著的周期性变化,呈"M"型双峰波形,且第1个峰值明显大于第2个峰值,峰值比为1.4~3.8;裂缝发育周期T包含两个时长近似相等的"开裂—闭合"过程,约为18 d,在此基础上,结合地质采矿条件,建立了T的通用函数模型,表明动态地裂缝具有快速闭合的自修复特征,不需要人工修复;③边缘裂缝以"带状"、"O"形圈的形态分布在工作面开采边界的内侧,裂缝带宽为46~50 m,裂缝带整体向内收缩,临近工作面采动会减轻原有地裂缝的影响,减轻约40%,开采结束后边缘裂缝仍然存在,是主要地表环境损伤区和重点人工修复区域。     

阜生煤业1106综放工作面地表下沉量观测与结果分析

综放工作面的开采将导致地表发生严重的沉降和大规模的裂缝。为掌握工作面对应地表的移动变形规律,阜生煤业对1106综放工作面地表移动变形情况进行了监测。结果表明,阜生煤业1106综放工作面为走向充分而倾向非充分采动工作面,地表下沉系数为0.82,而水平移动系数为0.31,地表最大下沉速度为141.9 mm/d,工作面对应地表移动持续时间为205 d,其中地表移动活跃期达总时间的68%,活跃期时间相对较长,表明综放开采地表沉降极为活跃。     

基于DS-InSAR的西部矿区地表时序沉降监测与分析

针对常规时序合成孔径雷达干涉测量（Interferometric Synthetic Aperture Radar ,InSAR）技术在西部矿区受高原堆积型沙丘地貌的影响难以获取足够数量的监测点,无法完整提取矿区地表形变信息的问题,以西部矿区内蒙古石拉乌素煤矿为例,基于覆盖研究区域的52景Sentinel 1A数据,利用一种针对西部矿区高原堆积型沙丘地貌的基于分布式目标InSAR（Distributed Target InSAR ,DS InSAR）的时序地表形变监测方法,获取了2016—2018年研究区域采动引起的地表形变时空分布信息。研究结果表明：在监测时段内矿区地表出现了2处明显的下沉盆地,盆地内垂直方向最大累计沉降超过400 mm;与常规时序InSAR方法相比,该方法可在研究区域内获取更多数量空间分布均匀的监测点,从而更加准确地提取研究区域的面状地表形变信息。与水准实测数据对比结果显示,二者相关系数为0.97,二者间绝对误差较小且误差整体分布合理,表明该方法具有较高的可靠性,能够很好地应用于西部矿区高原堆积型沙丘地貌特征下非充分采动时的地表形变监测。     

浅埋煤层群覆岩与地表裂隙发育规律和形成机理研究

浅埋煤层群高强度开采对地表的损害严重。为了研究煤层群开采裂隙(缝)发育规律和形成机理,以陕北典型浅埋煤层群开采为工程背景,采用物理模拟、数值计算和现场实测相结合的方法,得出覆岩裂隙主要为采空区边缘向上发育的上行裂隙和垮落区内的离层裂隙。地表裂隙(缝)主要为开切眼和停采线永久边界裂隙、随工作面推进周期性出现的平行裂缝、沿工作面间的煤柱边界裂隙。沿工作面间的煤柱边界裂隙的分布长度最大,是地表裂隙控制的主要对象。煤层群下煤层工作面来压步增大18%～30%,下煤层开采地表下沉系数有所减小。煤层群重复采动后边界裂隙最发育,且受上下煤柱位置的显著影响。通过合理布置煤柱,可以降低煤柱导致的应力集中,减轻不均匀沉降和地表裂缝发育。     

浅埋高强度开采覆岩结构演化及地表损伤研究

为掌握浅埋高强度开采覆岩结构演化规律及不同开采条件下地表损伤规律与损伤机理,采用数值模拟、现场实测、理论分析等手段以神东矿区典型工作面为工程背景开展研究。首先以采空区峰值应力为指标分析了覆岩结构演化规律;其次探究了地表下沉系数和宽深比之间的关系;最后在实测地表裂缝发育特点的基础上开展了工作面中部地表裂缝发育机理研究。结果表明:①工作面从开切眼至超充分开采状态时上覆岩层大体经历了3个阶段,第Ⅰ阶段:无压力拱阶段;第Ⅱ阶段:单压力拱阶段;第Ⅲ阶段:双压力拱阶段,其又分为Ⅲ₁(采空区单拱脚阶段)和Ⅲ₂(采空区双拱脚阶段)2个阶段。②宽深比在0.4～2.0的14个方案研究得出的地表下沉系数和宽深比近似成抛物线关系,选取神东矿区7个工作面的下沉系数实测值和预测值进行对比验证,误差分别为7.6%,14.5%,4.4%,7.5%,9.7%,9.7%,15.3%,其中5个工作面的误差在10%以内,且误差整体较小。③工作面中部地表裂缝动态发育具有"双周期+稳定期"的特点,包括5个发育阶段,即裂缝宽度增大阶段、裂缝宽度减小阶段、裂缝宽度稳定阶段、裂缝宽度再增大阶...     

西部黄土高原矿区采煤沉陷多源遥感监测技术进展与展望

西部黄土覆盖区是我国重要的煤炭生产基地,地貌及地质采矿条件复杂,黄土层厚度巨大,开采沉陷具有不同于其它矿区的特殊性,地表下沉速度大,起动距偏小,采动裂缝等非连续破坏更为严重,地表沉陷盆地形状和沉陷变形分布特征更为复杂多变。在当前技术条件下开展地表沉陷的高效监测和定量评价仍面临一定困难。近年来,合成孔径雷达干涉测量(InSAR)、无人机摄影测量(UAV photogrammetry)、激光雷达(LiDAR)等多源遥感技术迅速发展,其具备的非接触式观测、大范围覆盖、高时空分辨率等特点,能够实现地表沉陷连续性、动态性和全面性监测,通过多源观测数据的融合处理,可为西部矿区开采沉陷高效监测提供新的技术途径。综述了多源遥感技术在矿区沉陷监测中的应用进展;通过现场试验探索了InSAR、UAV photogrammetry、LiDAR用于黄土高原矿区沉陷监测的实际效果,发现在地貌复杂、地形起伏和植被覆盖及地表大梯度形变条件下,InSAR干涉失相关和大气延迟等各种误差过大;无人机航测影像构建的三维模型受植被和地形影响导致地面模型的高程精度不足;无人机激光扫描受地形坡度、点云密度和地表点水平移动的综合影响...     

浅埋煤层开采地裂缝发育特征研究——以陕西榆家梁煤矿为例

为了研究西部矿区浅埋煤层开采造成的地裂缝发育特征,以陕西榆家梁煤矿为研究基地,对榆家梁煤矿43303-2工作面采动引起的地裂缝进行持续动态监测,对其采动地裂缝进行监测,分析了地裂缝的形态、区域分布情况以及地裂缝形成的影响因素,初步探析了采动地裂缝形成机理及发育规律。结果表明,地裂缝的发育是一个动态过程,随着工作面推进一段距离后,逐渐在地表产生地裂缝;采动过程中的地裂缝的形成主要受深厚比、表土层性质、开采速度以及地形地貌等因素影响。研究结果对于地表建筑物保护和土地整治具有指导意义。     

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。     

岩层采动裂隙演化规律与生态治理技术研究进展

岩层采动裂隙是破坏覆岩含水层威胁井下安全生产的直接原因,也是工作面推过后,地表持续下沉变形及生态累积影响的根源.为了解当前覆岩裂隙发生机制、演变规律、研究方法及生态影响与治理进展,实现资源开发与矿区环境的协调、可持续发展,阐述了采动裂隙演化规律与生态治理技术发展现状.介绍了煤矿采动裂隙的形成过程、裂隙类型、研究方法、监...