覆岩离层产生的机理及离层计算方法的探讨

利用岩层的物理力学性质和结构条件，对覆岩离层产生的力学结构及力学条件进行了理论探讨，分析了采动覆岩离层可能出现的位置，并提出了计算最大离层的方法，对现场更好地应用覆岩离层注浆减沉技术具有一定的指导意义。     

覆岩离层产生的机理及离层计算方法的探讨

利用岩层的物理力学性质和结构条件,对覆岩离层产生的力学结构及力学条件进行了理论探讨,分析了采动覆岩离层可能出现的位置,并提出了计算最大离层的方法,对现场更好地应用覆岩离层注浆减沉技术具有一定的指导意义.     

采动覆岩离层的数值模拟研究

采动覆岩移动及其导致的离层分布是一个受多种因素影响的极其复杂的问题，具有极强的不可视、不可触等特点，因此，理论分析和现场观测都是十分困难的。对矿区采动覆岩的破坏过程进行了数值模拟仿真研究，重点分析了覆岩中离层的发展高度变化规律、离层区域范围的确定以及煤层采出厚度的影响作用等。数值模拟再现了采动覆岩运移及离层产生的全过程，揭示了离层高度与工作面推进距离、离层区域发生范围和煤层开采厚度之间的关系。数值模拟结果确定了覆岩离层产生的位置、离层大小等，从而为采用离层充填注浆控制地表沉陷等提供了重要的理论基础和依据。     

水平及缓倾斜煤层开采条件下离层值的计算

煤层开采诱发岩层与地表移动和变形所导致的地表沉陷对地表建筑物产生很大的影响和破坏。覆岩离层充填技术作为矿区开采沉陷控制的新方法，在我国一些矿区的应用实践证明，其控制效果和经济效益均很显著，但在减沉机理方面的研究还有待进一步深入，其中离层充填减缓地表沉陷技术在应用中的一个关键任务之一就是确定离层产生的位置及其大小，目前仍处于经验判定阶段，尚没有完善和准确的理论计算方法。根据薄板小挠度力学理论的基本思想，分析了采用薄板小挠度理论计算采动覆岩中离层产生位置及其大小的可行性及边界条件确定的合理性，探讨了水平及缓倾斜煤层开采条件下离层产生位置及离层值大小（薄板挠曲度）的理论确定方法，并给出了相应的计算公式。这些结果对于现场在应用离层充填技术减缓地表沉陷过程中确定离层产生的位置具有理论上的指导意义。     

华丰煤矿覆岩离层注浆减沉技术研究

基于华丰煤矿4#煤层开采的覆岩离层注浆钻孔布置,采用理论分析、区域动力规划与室内相似模拟试验3种方法,分析现有技术受工作面长度短、留设煤柱与巨厚砾岩断裂步距判定有误等因素造成减沉效率低的问题,提出采用覆岩离层连续一体化注浆技术布置倾向注浆钻孔,区域动力规划划分断裂的基础上布置走向注浆钻孔。通过相似模拟试验发现,采用覆岩离层连续一体化注浆技术可改善覆岩采动不充分、煤柱失效造成采空区活化以及砾岩下方受工作面倾斜长度影响难以出现离层等现状。最后,提出在华丰矿巨厚砾岩下方沿倾斜方向布置连续一体化注浆钻孔,在工作面上巷外侧80 m沿走向布置6个注浆钻孔于断裂位置处,并对其进行分析认为,离层区下方岩层的采动程度充分,注浆减沉效率可达到44.6%,多回收煤炭资源9.4×107 kg及沿倾斜方向减少钻孔工程量930 m。     

充填弱化坚硬覆岩冲击地压灾害机制研究

坚硬覆岩作为诱发冲击地压的主要因素之一，已经严重威胁煤矿安全高效开采。通过分析坚硬覆岩条件下冲击地压灾害的灾变过程及诱冲关键层能量的关键控制因素，给出诱冲关键层的判定方法，提出利用采空区充填和离层注浆充填弱化诱冲关键层致灾能量的思路，以2个典型煤矿坚硬覆岩下工作面采矿地质条件为背景，研究不同充填条件下诱冲关键层变形规律及致灾能量演化规律，揭示充填弱化坚硬覆岩致灾能量作用机制并给出相应的工程设计方法，最后通过现场实测分析进行验证。研究结果表明，坚硬覆岩形成的诱冲关键层变形产生的能量积聚、释放和传递是诱发冲击地压灾害的关键，采空区充填和离层注浆充填能够有效控制诱冲关键层变形，降低致灾能量的积聚程度和释放速度，同时，充填体可吸收部分能量并降低致灾能量的传递效率，进而实现弱化坚硬覆岩诱发冲击地压灾害危险性的目的。     

地下大空间开挖引起覆岩离层的空间模型

地下大空间开挖以后,上覆岩层发生离层,各岩层层板之间发生相互作用,而且岩板又可以看作薄板来考虑,因此就可以采用经典弹性力学建立三维叠合板模型并研究地下大空间的上覆岩层的分布规律,计算出多层叠合板岩层的挠度及其离层量的大小.     

覆岩运动的时空过程

上覆岩层的运动是一个复杂的时空过程。根据流变力学理论和控制板梁组合运动理论，研究了覆岩运动及离层发展的时空过程，推导出了控制岩层弯曲变形及离层裂缝宽度的计算公式。     

矸石-粉煤灰充填采煤覆岩结构与变形规律

矸石-粉煤灰充填采煤可解决“三下”压煤和固体废弃物排放造成的环境污染问题。根据充填采煤工作面覆岩移动规律,提出矸石-粉煤灰充填采煤覆岩存在3类结构;在弹性地基薄板理论基础上,建立了基本顶力学模型,推导出了基本顶弯曲下沉的理论公式,给出了基本顶破断的临界条件;据此,分析了基本顶变形影响因素,并进行了工程实践。结果表明,基本顶最大下沉量理论计算值与实测值基本一致,各因素对基本顶弯曲下沉影响大小依次为:基本顶弹性模量、覆岩载荷、直接顶弹性模量、充填体弹性模量。邢台矿7606工作面采空区基本顶的最大下沉量为234 mm,沿专用铁路线地表最大下沉量为16 mm,仅直接顶产生了局部裂隙和离层,基本顶完整性较好,覆岩属于第II类结构,地表变形得到了有效控制。     

离层注浆条件下覆岩变形破坏特征的连续探测

覆岩破坏的发育高度及其分布形态是合理确定开采边界及留设防水煤岩柱的基础。为了探讨覆岩离层注浆条件对导水裂隙带形态的影响,采用前端泄露式多回路注(放)水系统,应用井下仰孔分段注水法对东滩煤矿14308工作面覆岩离层带实施注浆充填条件下综采放顶煤导水裂隙带的破坏特征进行了连续探测。探测结果表明:厚煤层综采放顶煤条件下覆岩离层带注浆时的覆岩采动导水裂隙带高度略高于正常条件下的覆岩采动导水裂隙带高度,走向方向的采动导水裂隙带高度低于倾向方向的采动导水裂隙带高度;离层带注浆时的覆岩破坏形态和范围向工作面外侧突出较大。     

上海区域地面沉降模型中土层变形特征研究

根据上海大量地面沉降和水位观测资料,结合室内实验,首次系统分析了上海过量开采地下水引起地面沉降过程中各土层的变形特征及地面沉降在空间、时间上的分布规律,发现上海各土层变形特征差异很大,同一土层在不同地点不同时期变形特征差异也很大。地面沉降受多种因素影响呈现出空间分布的复杂性,土层压缩量的垂向分布,从20世纪90年代之前以浅部土层压缩为主转变为90年代之后以深部和浅部土层压缩为主。这些研究成果将为上海区域地面沉降模型中各土层沉降模型的合理选择提供依据。     

饱和含水砂层地下水渗流对隧道围岩加固效果的影响研究

 在分析饱和含水砂层的工程力学、渗流特性及其隧道围岩变形特性基础上,提出含水砂层中地下水流速影响高压旋喷桩加固效果的双介质模型,给出高压旋喷桩加固含水砂层失效的临界水力梯度表达式;提出饱和含水砂层中有效加固地层的双液注浆原理。工程实例表明,在采用化学注浆有效降低地层渗透性后,水泥注浆可有效加固饱和含水砂层,避免注浆失效。此技术在含水砂层隧道围岩注浆加固地层中取得成功,对类似工程有重要的参考价值。     

软岩地层地下铁矿开采岩体移动影响范围及变化趋势分析

 在我国官庄东矿北采区,采用分段崩落法进行回采,虽然矿区地表建筑物远离设计的地表移动影响范围,但仍受到影响。结合官庄东铁矿北采区进行分析,对深部开采引起的动态岩体移动变形问题进行具体计算,分析深部开采的岩体移动变形规律及特点,实际观测和理论分析均表明,深部开采工作面的覆岩破坏,具有整体移动变形均匀的特点;软岩地层深部铁矿开采引起的地表移动变形发展缓慢且周期较长。     

官庄铁矿深埋破碎矿体开采岩体变形测试分析

 以大量实测资料为基础,分析官庄铁矿北区深埋破碎厚矿体开采引起的围岩变形和地表移动规律。实测结果表明,官庄铁矿北区地表下沉属于连续下沉,岩层破坏主要是缓慢型破坏。分析过程中,把几种实测分析方法和数值分析法有机结合在一起,形成岩体移动变形综合研究方法,对地下开采引起的岩体移动机制进行具体分析。分析中所采用的实测分析类方法包括蠕变试验分析、地表移动观测分析、围岩变形监测分析、原岩应力量测分析;数值分析类方法包括ANSYS和FLAC。结合官庄铁矿工程实例,通过具体测试分析,探讨深部开采岩体移动变形规律及特点,即深部开采覆岩移动变形具有均匀、整体压缩变形等特点,地表移动连续且周期较长。实践证明,所采用的综合研究方法是分析岩体移动和地表下沉机制的有效途径。     

深孔注浆条件下地铁施工地层位移预测研究

以北京地铁7号线工程为研究背景,首先,利用现场实测数据对深孔注浆预加固条件下,地铁暗挖施工引起地表沉降特性及其地层损失率、沉降槽宽度系数进行了反演分析。其次对注浆加固圈厚度、加固圈等效变形模量、洞室开挖面积、开挖面地层加权变形模量、上覆土厚度、上覆土加权变形模量等参数对深孔注浆条件下地层变形的影响情况进行了因素分析,并在此基础上,提出了深孔注浆预加固条件下Peck理论方法关键参数的预测方法。另外,采用室内试验、数值试验以及理论研究相结合的方法,对深孔注浆复合体的变形和强度特性进行了系统分析,提出了注浆加固复合体等效压缩模量的数学模型,建立了注浆复合体数值计算模型参数的确定方法。以上工作可以为获得可靠的地表变形预测提供方法基础,同时可以为深孔注浆设计优化提供借鉴。     

让压中空涨壳注浆锚杆在大变形隧道的应用

在高地应力软岩大变形隧道施工中,采用了让压中空涨壳注浆锚杆技术,通过综合应用钢质涨壳锚固、让压锚具合理滑移、垫板承托受力、中空注浆等技术,改善了系统锚杆参与受力的同时参与让压形变,合理将主动支护与被动支护相结合,有效的抑制了围岩开挖后收敛及沉降变形过大,控制了变形侵限,确保了施工安全。     

围岩承载层分层演化规律及“层-双拱”承载结构强度分析

以信湖煤矿典型深部软岩巷道为工程背景,依据巷道围岩应力变化趋势及围岩强度变化,按照深部软岩巷道四线段全应力-应变曲线划分围岩次生承载结构为"流动层-塑性软化层-塑性硬化层-弹性层"耦合承载层,塑性软化层、塑性硬化层组成塑性承载区。并根据巷道围岩承载层划分提出动态补强支护方案:一次支护采用锚网喷支护,二次补强选取浅、深孔注浆锚杆锚索联合支护,结合支护方案特点提出"层-双拱"承载结构力学模型,在极限平衡条件下对"层-双拱"承载结构进行受力分析得到其极限承载强度解析式,工程计算得到信湖煤矿一水平回风石门经"层-双拱"承载结构支护后极限承载强度可达29.30 MPa,理论验证了支护方案的可靠性。同时,现场监测结果表明:回风石门在动态补强支护后巷道围岩变形趋于平稳,巷道顶板最大下沉量仅为36 mm,两帮移近量为67 mm,巷道能够保持长期稳定。     

地层沉降控制的可变形离散单元模拟

针对开采引起地层下沉非线性变形的特点,用可变形离攻单元法模拟了离层注浆减缓地层下沉过程,探讨了离散元分析中参数选取的办法,模拟结果表明,可变形离散元法分析地层非线性变形是可行的。     

平缓反倾采动滑坡形成的地质力学模式研究——以贵州省马达岭滑坡为例

 马达岭滑坡是典型的采矿诱发型滑坡,自然斜坡为平缓反倾层状结构。以马达岭滑坡为原型,采用物理模拟方法,研究两层开采条件下采动斜坡的变形过程,并分析该类斜坡变形破坏的地质力学模式。研究表明：煤层开采后采空区边界上覆岩体产生应力集中,导致采动裂隙首先产生于该部位,以陡倾竖向倾倒式裂隙为主,裂隙向采空区中部扩展并逐渐形成离层裂隙和剪切裂隙;变形稳定后采空区上覆岩层弯曲,在地表形成沉陷区;受采空区上覆岩层沉陷的推挤作用,外侧坡体沿煤层向坡外滑移,导致坡体下部隆起。该类斜坡变形破坏的地质力学模式可以分为：弯曲–拉裂(“表生”改造阶段)、塑流–拉裂、蠕滑–拉裂3个阶段。