长壁老采空区残余沉降计算方法研究

在深入分析老采空区残余沉降机理的基础上,认为采动破裂岩体空隙是老采空区残余沉降的主要诱因,采用国内外得到的有关破裂岩体应力应变关系及采动破裂岩体高度计算方法,建立了老采空区残余下沉系数计算方法,分析了残余下沉系数与覆岩岩性、开采厚度、开采深度及建筑物载荷的关系。研究表明:①当开采厚度相同时,开采深度越小,残余下沉系数越大,说明后期可能产生的地表残余沉降越大;当开采深度相同时,开采厚度越大,残余下沉系数越小;②在建筑载荷与原岩应力比相同情况下,开采深度越小,下沉系数增加量越大,对老采空区的影响越大。     

重复采动条件下覆岩下沉特性的研究

现场观测及实验室试验结果表明采动岩体碎胀量与深厚比成正比，据此得出了初次采动时地表及岩体现人部下沉系数计算式，同时，根据受初次采动影响的岩体在重复采动时碎胀量减小，假定减小量与初次采动碎胀量成正比，推出了预测重复采动条件下地表及岩体内部下沉系数的计算式，并可由现场实测得出有关参数，经与３６个初采观测站资料和１０个重采观测站资料的实测资料对比，证明了所给公式的正确性。     

充填开采上覆岩体内部预计参数研究

为了准确预计风井井筒的采动变形,需要获得矿区充填开采岩体内部概率积分法的预计参数。采用数值模拟的研究方法,对充填开采引起的岩体内部移动进行了观测,获得了变形预计参数的变化规律。研究结果表明:充填开采的地表下沉系数、水平移动系数比垮落法开采分别增大了0.62%、10.03%,主要影响角正切值减小了33.86%;充填开采的岩体内部下沉系数随覆岩高度的减小而增大;水平移动系数随覆岩高度的减小呈现先减小后增大的趋势;主要影响角正切值随覆岩高度的减小而减小。充填法与垮落法开采的地表变形预计参数并不相同,岩体内部下沉系数的变化幅度受岩层的岩性和层位影响较大,主要影响角正切值的变化幅度受岩层岩性和层位影响较小。     

采动引发地表下沉盆地边缘隆起效应研究

为了探究地表沉陷盆地边缘隆起现象及其影响因素,采用现场实测和数值模拟等方法,对不同基岩厚度、不同岩性地层进行模拟分析,研究不同采动情况及不同地质条件下地层变形特征。以煤层开采后的覆岩运移结构为基础,建立弹性基础梁力学模型,分析了地表隆起机理及其判据条件。研究结果表明,采动影响和地质条件是影响地表边缘隆起的重要因素。地表整体下沉量和下沉速度随沙基比增大而增大,随顶板岩性普氏系数增强而减小。当基岩厚度过大或覆岩岩性较软时,难以出现地表隆起现象,只有当基岩厚度和岩层普氏系数达到特定条件时,地表下沉盆地边缘方可出现隆起现象,且隆起量与基岩厚度成反比,与岩层普氏系数成正比。     

厚松散层下下沉系数与采动程度关系研究

采动程度对控制地表移动变形起着关键作用,而地表下沉系数取值的准确性决定了地表移动变形的预计精度.为了探讨厚松散层开采条件下采动程度与下沉系数之间的关系,在分析矿区厚松散层地表移动观测站实测资料的基础上,研究了松散层厚度对充分采动影响的程度,揭示了传统方法评价采动程度不合理性的原因,分析了厚松散层下开采引起的覆岩应力分布与移动机理.给出了应将松散层与基岩作为开采深度的不同介质评定采动程度的标准,通过计算分析,提出了厚松散层开采条件下充分采动的临界宽度,得到了厚松散层下的下沉系数.通过与实测资料相比,下沉系数较为符合现场实际,为矿区厚松散层下“三下”采煤提供了科学依据.     

采动覆岩导水裂隙发育光纤感测与表征模型试验研究

随着国家生态文明建设标准的日益提高,我国西部干旱半干旱地区赋存的浅埋煤层开采引起的生态环境问题愈发严峻。导水裂隙带发育高度探测是与保水开采密切相关的科学问题,是矿山生态损害监测与评价、生态修复策略制定的重要依据。将分布式光纤感测技术应用于相似模型试验,探究采动岩体导水裂隙带发育与光纤检测数据的内在响应关系。针对以往研究中对光纤与采动覆岩在不同开采阶段耦合作用关系分析不足的问题,提出传感光纤与采动岩体的耦合关系量化指标"光纤-岩体耦合系数",通过耦合系数对采动引起的覆岩垂直分带区进行合理划分。研究表明:与光纤接触的不同受力状态岩层介质包括5种:顶部未受采动影响的稳定岩层、稳定关键层上受采动影响存在下移趋势的岩层、离层空域区、采空区矸石区及煤层底板;基于监测数据将覆岩分为4部分:已破坏区、强烈影响区、微弱影响区和未影响区。已破坏区即导水裂隙带,强烈影响区为受采动影响内部应力集中程度极高但结构完整的岩层,即弯曲下沉带。试验得出断裂带与弯曲下沉带分界处耦合系数阈值为0.65;建立了应变曲线形态、导水裂隙带发育高度与关键层活动的内在联系,实现光纤感测表征覆岩分带特征。将光纤传感技术应用于采动引起的覆岩变形监测为导水裂隙带发育高度探测提供了新的研究思路。     

煤矿开采沉陷中平均采深相关问题探讨

针对开采沉陷实测数据处理时往往采用平均采深代替走向主断面实际采深的情况,首先在三种不同情况下分别求取采深偏移系数,并对其进行重新归类,而后对采深偏移系数与覆岩岩性、煤层倾角等因素之间关系进行探讨,最后推导了采深偏移系数对相关参数的影响。结果表明:采动程度对采深偏移系数无影响,覆岩强度和煤层倾角与采深偏移系数成正相关关系;采深偏移系数越大,则计算的主要影响半径与实际相差的越多。     

基于正交试验设计的多煤层条带开采主控因素分析

多煤层条带开采的影响因素众多,为研究各因素对多煤层条带开采的影响,采用FLAC模拟了多煤层条带开采在一定采深时,不同采宽、层间距、层间岩性以及不同的上下留煤柱空间关系时地表的最大下沉值,并应用正交试验设计方法分析了以上4个主控因素对地表最大下沉的敏感程度,其由主到次的顺序为：采宽、上下煤层留煤柱的空间关系、层间岩性、层间距。     

深井薄煤层综采面矿压显现规律研究

以刘庄煤矿120601工作面地质条件为背景,通过数值模拟及理论计算分析了深井薄煤层综采面矿压显现特征。并研究了采高与采深对工作面矿压显现的影响。研究结果表明,工作面超前支承压力峰值、采场顶板下沉量与采深成对数关系,随着采深的增大而增大,但增大幅度逐渐减小。而应力集中系数与采深成负对数关系。采高对支承压力峰值影响不大。顶板下沉量与采高成指数关系,随着采高的减小而减小。     

铜川矿区采煤沉陷的对应分析及其回归预计

为了查明影响铜川矿区采煤沉陷的主要因素,根据陕西铜川矿区16个采煤工作面的地表岩移观测数据,采用对应分析法研究了地表最大下沉系数与其影响因素之间的关系,分析结果表明:采动程度系数、土岩比、工作面倾向长度、表土层厚度、覆岩综合硬度、采高等是影响该矿区采煤沉陷的主要因素;以地表最大下沉系数为因变量,上述主要影响因素为自变量,用逐步回归分析方法进行变量的进一步筛选,建立了采煤沉陷回归方程,既反映了该矿区地表最大下沉系数与其主要影响因素间的量化关系,又可用于对地表最大下沉值进行采前预计.     

采动覆岩卸荷膨胀累积效应的影响因素

采动覆岩经历了卸荷膨胀与再压实的动态过程,将覆岩卸荷膨胀总量随卸荷高度及承受载荷不断累积而发生动态变化的现象称为采动覆岩卸荷膨胀累积效应。采动覆岩卸荷膨胀累积效应是岩层移动过程中的自然现象,对岩层移动规律具有重要影响。基于修正后的采动覆岩卸荷膨胀累积效应力学模型,以山西赵庄煤矿1311工作面内部岩层移动实测结果为基础,针对采高、采深和岩性对采动覆岩卸荷膨胀累积效应的影响开展了理论研究。结果表明：采动覆岩卸荷膨胀总量主要由垮落带和裂隙带的塑性膨胀与主关键层下部弯曲下沉带的弹性膨胀所组成,其中垮落带的塑性膨胀占比最大,弯曲下沉带的弹性膨胀占比最小。采动覆岩卸荷膨胀总量随覆岩卸荷高度的逐步增大呈现先增大到峰值后再逐步减小的过程,当覆岩主关键层破断后,弯曲下沉带的弹性膨胀量降为0,此时覆岩卸荷膨胀总量达到最小值,为覆岩残余膨胀量。采高对覆岩卸荷膨胀累积效应的影响主要体现在不同采高条件下垮落带与裂隙带高度不同。覆岩卸荷膨胀总量随采高的增大而增加,当采高由2.5 m增大至10.5 m时,卸荷膨胀总量峰值和残余碎胀量均增大3倍以上。与采高相比,采深变化一般不会改变垮落带与裂隙带高度,采深对覆岩卸荷膨...     

厚松散层大采高开采地表移动变形规律研究

针对神东矿区工程地质条件,构建了上湾煤矿地表移动观测站,选取了该矿12401工作面近1年地表移动观测数据,根据解析法计算工作面岩层移动角值参数,并运用FLAC3D对地表下沉及水平移动进行数值模拟。结果表明:地表下沉量与覆岩岩性成正比,下沉速度与覆岩岩性成反比,在厚松散层工程地质条件下,基岩离层被压密,岩体结构被破坏,造成地表下沉量和下沉速度增大,地表移动变形对矿区建筑物造成影响和损坏,衍生为地质灾害的诱导因子,当开采综合边界角为60°时,可减少地表移动范围,降低矿区地质灾害发生。     

神东浅埋工作面矿压显现规律的多因素耦合分析

针对神东矿区浅埋工作面矿压显现特征,结合126例浅埋工作面矿压实测数据采用回归分析、概率统计手段,分别就工作面覆岩岩性、采高、埋深及工作面长度对工作面矿压最大值、载荷分布及来压步距影响进行单一及耦合分析,提出覆岩硬度系数法来数值化覆岩岩性并结合KSPB软件归类覆岩,结果表明:1覆岩岩性、采高、埋深及工作面长度与工作面矿压最大值分别呈线性、线性、负对数及正双对数函数相关,无关键层、单一关键层及多关键层下相关参数不同;2工作面斜长上矿压呈二次函数分布,载荷分布系数a与工作面长度呈负对数相关,无、单一及多关键层下相关参数不同,且覆岩岩性、采高、埋深对工作面矿压分布影响较小;3工作面初次、周期来压步距与覆岩硬度系数呈正指数相关,与采高、埋深及工作面长度呈概率分布相关,无关键层、单一关键层及多关键层下相关参数不同,覆岩硬度系数预测值与概率统计值的并集为工作面初次、周期来压步距预测值。对比分析及工程实践表明,经验回归公式结合概率统计分析在一定残差范围内可准确预测浅埋工作面矿压最大值、载荷分布规律及初次、周期来压步距。     

采动影响下断层面离层空间产生及其对开采空间传递作用分析

当工作面上覆岩层中含有断层时,地表下沉规律与不含断层时具有显著差别。为了研究断层对开采空间传递的作用,利用空间守恒,通过理论推导发现工作面开采会使断层面产生离层空间,断层对开采空间传递具有增大效应并利用数值模拟进行了验证。研究结果表明:增大的开采沉陷空间主要来自于断层面离层空间;关键层下部软弱岩层在断层面的离层空间主要来自于采空区垮落岩石的再次压缩;关键层及上部岩层在断层面的离层空间主要来自于关键层与下部软弱岩层之间离层空间的减小;影响断层面离层空间大小的因素主要有工作面推进长度、基岩厚度、保护煤柱宽度、煤层厚度、断层倾角等,并且断层倾角与主要影响角的大小关系决定了断层面离层空间的产生。     

开采沉陷中不同断层活化模式研究

当工作面上覆岩层中含有断层时,地表下沉规律与不含断层时具有显著差别。为了研究开采沉陷中断层活化机理,通过理论推导将开采沉陷中断层活化分为"断层面产生离层空间"、"煤柱压缩"两种断层活化模式并分别利用数值模拟和现场实例进行了验证。研究结果表明:①采动将造成断层面产生离层空间,离层空间以下沉系数等于1传递给松散层造成断层露头处地表产生台阶下沉,影响断层离层空间的主要因素有工作面推进长度、基岩厚度、保护煤柱宽度、煤层厚度、断层倾角、断层是否含水、断层带岩体内摩擦角及黏聚力等;②断层面离层空间随着工作面推进长度的增加而增加,当工作面推进一定长度时不再变化;断层面离层空间随着基岩厚度的增加而线性增加;断层面离层空间随着保护煤柱宽度增加而减小;断层面离层空间随煤层厚度增加而线性增加;断层面离层空间随断层倾角增大而增加;断层带岩体原生水的存在对断层面离层空间产生具有促进作用;断层面离层空间随断层带岩体黏聚力和内摩擦角的增加而减小;③工作面主要影响角和断层倾角的大小关系控制"断层面产生离层空间"模式断层活化,当断层倾角大于主要影响角并与主要影响角在基岩内相交时,断层将活化;④当断层倾角小于主要影响角时,工作面超前支承压力影响范围控制"煤柱压缩"模式断层活化,当工作面超前支承压力接触断层时,断层将活化。     

大红山矿区开采沉陷预计的MapGIS方法

为有效预计矿山开采过程中地表产生的沉陷变形,以大红山铁矿为例,在现场工程地质勘查和变形监测数据收集的基础上,首先根据矿区钻孔数据（钻孔深度、孔口高程、地下水位深度、地层岩性、地层结构及厚度以及地层时代）建立了基础地质数据库;其次分别对地形坡度、地质构造、岩性条件、植被覆盖率、降雨等级、开采面积及深度等开采沉陷影响因素进行了权重赋值;然后根据水平、垂直、曲率变形值,将该矿区地表建筑物受损等级划分为4级,并对各危险等级的处理方法进行了分析;最后基于矿区基础地质数据,采用MapGIS软件构建了矿区开采沉陷预计模型,并对矿区开采沉陷危险性区域进行了划分。研究结果表明：①开采面积及深度的权重值为0.45,可见矿山开采沉陷受该因素的影响最大;②2#矿体地表最大沉降值为431.1 mm,最大水平移动值为125 mm,最大倾斜值为4.95 mm,预计结果与实测值基本吻合;③2#矿体对应的地表沉陷危险等级为Ⅳ级,区内建筑物可能发生结构损坏,需及时采取防范措施。     

忻州窑矿村下压煤开采设计研究

为了解决大同矿区大量的“三下”(建筑物下、铁路下、水体下)煤炭资源长期不能开采、丢失大量优质煤炭资源的问题,提出对忻州窑矿村下压煤开采方案进行分析研究。通过对村庄煤柱开采的多种技术途径与方法进行对比,认为同煤集团村下煤柱适合采用条带开采,通过对忻州窑矿11#煤,厚度、倾角、埋藏深度等进行分析,计算出最大下沉与变形值情况,选择出最为合理的采宽和留宽。通过分析忻州窑村下压煤区的岩石力学性质,以及综合机械化开采与条带开采的岩移参数的关系,计算最终地表最大下沉和变形值,并对地表沉陷预计及对房屋影响进行分析。分析认为利用条带开采在同煤集团进行煤柱回收是可行的,通过本次研究希望为同煤集团三下压煤开采提供一定依据。     

工作面开采强度对RUSLE坡度坡长因子的影响规律

水土流失加剧是西部煤矿区面临的主要生态环境问题之一,煤炭井工开采导致地表不同程度下沉变形,改变了坡度坡长因子,破坏了原有的地表水文过程,从而改变了矿区的水土流失状况。因此,掌握工作面开采强度对水土流失的影响规律,对科学设计开采强度、防控水土流失具有重要指导意义。坡度坡长因子是经典土壤流失方程中的关键变量,其对水土流失具有重要影响。针对工作面开采强度与修正的通用土壤流失方程(Revised Universal Soil Loss Equation,RUSLE)坡度坡长因子相关性关系问题,结合工作面现场地表下沉移动监测数据、开采沉陷概率积分法以及修正土壤流失方程,推导了坡度坡长因子计算方法,研究了地下开采强度与修正土壤流失方程中坡度坡长因子变化之间的关系,为平衡开采强度与矿区水土流失防治提供了理论依据。研究结果表明:(1)基于概率积分法预测得到的坡度坡长因子剥离了采前自然起伏地形的影响,其结果能够更为直观地表现出开采强度与坡度坡长因子变化的相关性,得到的研究结论普适性更强;(2)坡度坡长因子与工作面采高呈正相关关系(R=0.757 1,显著相关性p=0.048 7),与深厚比呈显著负相关关系(R=-0.952 2,p=0.000 9),且二者相关度均较高;(3)在达到充分采动后,日开采体积、采宽的变化对坡度坡长因子的变化不产生显著影响。     

石碌铁矿北一采区露天转地下开采沉陷机理研究

露天转地下开采过程伴随着强烈的岩体移动及变形特征,引发开采沉陷问题,是露天转地下矿山安全管理方面的重点研究内容。以海南石碌铁矿北一采区为研究对象,采用FLAC3D数值模拟方法,建立考虑开采扰动的露天转地下力学分析模型,分析不同开采阶段下采区围岩、边坡岩体及地表岩层的位移、应力分布特征,根据塑性区变化特征和现场地表塌陷现象,揭示露天转地下开采沉陷机理。研究表明：边坡岩体中最大拉应力区主要集中在采场回采区与坡顶区域,并随着开采深度增加持续扩展,这将降低岩体稳定性。开采扰动下北帮、西帮处的边坡整体位移值相对较小,南帮东部、东帮至小英山区域岩体位移值随着开采深度增加而显著增大,尤其在开采-90 m至-105 m时,位移值急剧增加。塑性区主要出现在回采区围岩和东帮上方坡面及其部分坡顶后方区域。回采区围岩的塌陷进一步引起了崩落区和变形区岩体位移,沿塑性区边缘形成采坑裂缝,小英山后方区域拉伸破坏进而形成地表拉伸型裂缝,坡脚沉陷及岩体裂隙发育造成东帮边坡滑坡。整体上看,露天转地下工况下开采沉陷表现出强烈的向坡体临空面方向的水平位移特征。