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...     

巨厚覆岩下开采地表沉陷特征及其与采矿灾害的相关性

对新汶矿业集团华丰煤矿巨厚覆岩下开采引起的地表变形观测数据进行分析,给出了华丰矿区地表变形特征.巨厚覆岩下开采地表存在连续性变形的下沉与反弹,以及非连续性变形的地表斑裂现象.地表斑裂是华丰井田巨厚覆岩下开采出现的典型地表破坏形式.对地表变形参量与冲击地压、矿井工作面涌水量关系进行了分析,表明地表变形与冲击地压及工作面涌水量之间存在相关性.提出利用地表变形参量作为相关灾害与预测的辅助指标,可提高矿井灾害预测的准确性.     

黄土沟壑区地表移动变形特征分析

黄陵矿区一号煤矿302、303工作面开采进行的地表移动观测结果表明,采动引起黄土沟壑区地表移动变形剧烈,在活跃期内地表下沉达到最大下沉值的97%,地表移动伴随较大的台阶裂缝非连续变形破坏,地表移动期短,移动角值较大,下沉系数和水平移动系数较大。分析观测结果表明,垂直裂隙发育的厚湿陷性黄土及沟谷梁峁特殊地形,导致煤层覆岩移动变形在传递到土层后快速沟通黄土层中的垂直裂隙形成地表裂缝,在山体重力作用下,引起山体滑移加剧了地表台阶式裂缝破坏程度,导致下沉系数和水平移动系数增大。依据分析结果,建立了地表最大水平移动和水平变形的预计模型。     

大采深综放开采覆岩移动规律离散元数值模拟研究

为研究大采深综放开采条件下地表移动变形过程中上覆岩层的演化机理,在分析陈家沟煤矿八采区8512,8513综放工作面地表移动观测数据的基础上,确定了覆岩关键层特征参数及其控制作用,并应用3DEC离散元数值模拟软件,模拟同等开采条件下,多工作面开采后覆岩移动变形特征。通过方差与回归分析法分析模拟数据与实测数据的置信度为0.95,保证了模拟参数的科学性与合理性。模拟结果表明:工作面宽深比为0.24时,关键层2以下的岩层均断裂破坏,关键层2起着控制覆岩沉陷的作用,关键层2以上岩层在移动过程中还会出现离层结构,到达地表的沉陷量小于关键层2的挠曲量;工作面宽深比为0.48时,关键层2底部破断、结构失稳,会产生下沉突变;工作面宽深比为0.72时,关键层2完全破断,但由于关键层2上覆厚泥岩的作用,抑制导水裂缝带的发育,发育高度基本趋于稳定,高度为196 m,裂采比为16.3;工作面宽深比为0.96时,覆岩关键层2与其下伏岩层之间的离层闭合,关键层2的铰接结构范围在横向扩展的同时也伴随着整体下沉,关键层2下伏岩层破断后持续密实到一定程度之后,就不再继续下沉,只是随着开采范围扩大,下沉盆地横向发育,此时地表基本达到充分采动状态。此成果能够为该矿"三下开采"评价提供理论依据,为后期开采提供科学性指导,为大采深综放开采条件下地表移动变形规律提供理论参考。     

大柳塔煤矿多煤层开采覆岩变形破坏模拟研究

针对大柳塔煤矿远距离多煤层开采冒裂带发育及采动影响问题,通过相似模拟和数值模拟计算,系统研究了2个主采煤层开采过程中覆岩垮落、裂隙发育及地表沉陷规律。研究结果表明：浅部2-2煤覆岩主关键层破断后,顶板基岩会发生直达地表的整体切落现象,5-2煤一次采全高长壁开采冒裂带连通上部采空区,形成工作面涌水的导水通道;重复采动岩层与地表移动和变形值增大,非连续性破坏增加;采空区上覆岩体依据主应力分布可划分为双向拉应力区、拉压应力区和压应力区3个区,主应力状态对采动裂隙的形成、发育起着控制作用;采动影响与工作面几何参数密切相关,地表沉陷随着工作面斜长或采厚的降低而减小。研究成果对大柳塔及类似条件下的煤矿安全开采与设计有指导意义。     

重复采动条件下地表移动变形规律实测研究

为了揭示重复采动条件下地表沉陷变形规律,凤凰山煤矿在154309工作面上方建立了地表移动观测站。通过对岩移观测资料的分析研究,给出了重复开采时地表沉降曲线,获得了该地质采矿条件下地表移动变形预计参数和岩移角值,探讨了重复采动条件下地表移动变形特征。研究认为,重复采动条件下地表沉陷变形剧烈,下沉盆地陡峭,变形分布集中,地表下沉系数大,采动影响范围大。地表动态变形剧烈,下沉速度快,最大下沉速度为143.4mm/d,地表移动持续时间较短,活跃期约占地表移动持续时间的30.7%,其下沉量占地表总沉降量的96.3%。     

极不充分条带开采对地表变形控制的效果分析

为减少地下开采引起的地表变形,有效保护地表建(构)筑物和生态环境,以具有大采深、厚煤层、厚松散层、超软上覆岩层的特殊地质条件的林南仓煤矿为例,对比分析了地表变形控制技术方法,针对覆岩离层注浆等技术难以实施的问题,展开了基于极不充分采动理论的地表变形控制方法研究。极不充分采动程度是指上覆控制岩层破断之前的开采具有引起地表下沉量较小的特征,首先分析了极不充分开采技术的适用条件,即采深大于500 m;然后构建了多个相对独立的极不充分条带工作面,在地表形成了统一、连续的下沉盆地,且在盆地平底区域,相邻工作面引起的正倾斜和负倾斜、压缩变形和拉伸变形相互抵消一部分,从而达到减弱地表变形的效果。在该矿东二小采区开展了现场实践,布设了多个极不充分条带开采工作面。研究表明:该技术能有效控制地表变形,地表下沉率仅为0.17,损害等级控制在Ⅰ级之内,对地表建(构)筑物和生态环境起到了良好的保护作用,对于类似地质条件下矿井安全生产具有一定的参考价值。     

厚黄土下综放高强度开采地表沉陷与覆岩破坏实测

为研究厚黄土下厚煤层综放开采地表沉陷和覆岩破坏规律,通过在工作面地表建立岩移观测站和地面钻孔水文勘探,进行了地表沉陷变形实测和覆岩破坏高度钻探测定。总结研究地表岩移观测站实测资料和覆岩破坏探测钻孔水文观测资料,得出厚黄土综放高强度条件下地表沉陷剧烈,曲线较陡,在下沉盆地边缘沉陷变形曲线收敛较慢,最大下沉速度偏大,采动影响范围偏远;覆岩破坏探测结果显示综放覆岩破坏异常发育,导水裂缝带高度与综放采厚近似成正比,裂高采厚比例系数平均为19.75。研究成果为黄土区综放地表开采损害防治和水体下采煤及顶板水害防治提供技术支撑。     

综放采场重复采动覆岩运移原位监测与分析

为探索地面深基点钻孔原位测试采场覆岩运动的方法,研究神东矿区综放采场重复采动条件下的覆岩运动规律,以布尔台煤矿42105综放面为工程背景,布置3条地表移动的观测线,2个深基点测站,监测开采过程中的地表移动数据和覆岩下沉运动数据。42105工作面覆岩抗拉强度和弹性模量偏低,顶板容易折断破坏,2-2煤以上岩层经历重复采动破坏,不易形成承载结构,是采场支架压力大,覆岩和地表下沉速度快的主要原因。拉线式位移计测量的位移数据是地面基站与钻孔内锚固测点的相对位移值,锚固测点"向上移动"的原因是地表基站的下沉稳定时间滞后于钻孔内测点,测点"向上移动"对应着覆岩运动的重新压实阶段。     

采动覆岩与地表下沉关系模型及离层量估算方法

地下开采可能导致地表沉陷、基础设施损毁、土地破坏或地面积水等,进而诱发生态环境恶化。而采空区固体充填和覆岩离层注浆是控制岩层移动,减小采动损害的有效技术手段。传统的覆岩离层注浆往往采用关键层理论、数值模拟、相似材料模型实验和理论分析手段,因涉及的物理力学参数多、边界条件限制等,计算过程复杂,仅能给出离层层位,难以定量确定离层量。开采沉陷研究表明,采动覆岩与地表移动方向指向采空中心,移动边界可以简化为线性边界,基于下沉盆地主断面上地表下沉与任一覆岩下沉的面积相等和煤系地层的层状特征,构建了采动覆岩与地表下沉的关系模型,较好地反映了覆岩与地表下沉随边界角、工作面宽度、开采深度的发展演化规律。采动覆岩与地表下沉比值随埋藏深度增加而增大,反映了采动下沉效应从顶板向覆岩、地表的传递规律;随着宽深比的增加,同一层位岩层下沉与地表下沉比值减小,地表下沉增大;当边界角减小时,地表下沉范围增大,地表下沉值减小。结合钻孔揭示的覆岩结构与组合,可以逐层计算上覆岩层和地表的下沉值,利用两相邻岩层下沉的非一致性,可以确定各岩层间的离层量,通过计算导水裂隙带高度,剔除导水裂隙带内无法形成封闭充填空间的无效离层,进...