煤层地下开采地表沉陷预测的边值方法

采空区上覆岩、土体对地表沉陷的耦合行为可归结为弹性理论的边值问题,由不同性状松散表土层确定的应力边界和岩、土体之间形成的位移边界构成了相应边值问题的定解条件。在已有研究成果的基础上,提出了地表下沉预测研究的边值提法,以探讨地下开采引起的地表沉陷规律。给出了采空区上覆表土层内任一点的位移和地表下沉的计算公式,确定了地表沉陷的范围,并以神东矿区大柳塔1203工作面开采引发的地表沉陷为例给出了工程实例。研究结果表明,采空区上覆岩体对地表及表土层内任一点下沉的影响取决于上部岩层破断后的结构形态;采空区上覆土体对地表下沉量的作用与土体性质及表土层厚度有关,土体对表土层下沉的影响由下而上增大,呈非线性变化,至地表达最大值;地表沉陷区域随表土层厚度的增加而增大,其影响范围远大于采空区。     

采空区稳定性评价及处治对策

根据煤层开采后影响上覆岩层及地表而产生移动和变形的时间的变化关系定性分析采空区稳定性,而且采用FLAC3D模拟了在施加地面建筑载荷后地表变形情况,确定了采空区需要处理的范围;依据建筑物荷载集度及其重要程度,采用了不同注浆处治对策.通过对采空区上覆岩体的沉降和建筑物沉降监测数据的统计分析,评估了处治效果.     

建筑物对浅埋隧道开挖地表沉降的影响

采用解析法研究穿越地表建筑物浅埋隧道开挖引起的地表沉降。由无建筑物时岩土体开挖引起的地表沉降公式及半无限平面在均布荷载下的相对沉陷,推导出了穿越地表建筑物浅埋隧道施工引起的地表沉降公式,并通过实例验证了此方法的可行性。采用上述方法研究了地表建筑物的重量及其与浅埋隧道位置关系对地表沉降的影响,研究结果表明：浅埋隧道开挖引起的地表沉降随建筑物重量的增大而增大;建筑物中心到隧道轴线的水平距离是对地表沉降的一个重要影响因素,超过一定范围时建筑物的存在对地表沉降的影响可以忽略不计。研究结果可为类似隧道工程提供一定参考。     

基于FLAC3D和DEM数据的缓倾斜煤层开采沉陷分析

宁夏石嘴山矿区位于西部黄河流域,其煤矿采空区沉陷导致地表生态和环境问题频发,对其采煤沉陷分析将对西部黄河流域煤矿区的环境修复有一定的积极作用。为研究缓倾斜煤层采空区围岩应力与位移场演化特征,以宁夏石嘴山矿区为对象,基于FLAC3D数值模拟软件,建立缓斜煤层开采三维数值模型,计算分析采空区围岩应力、塑性区及位移变化规律,并基于两时相DEM叠加统计分析地表位移变化,与数值模拟结果进行相互验证。结果表明:地下开采引起应力重分布,采空区顶板及煤柱出现明显的应力集中现象,最大主应力呈现从煤层顶板向地表递减的变化趋势;越靠近采空区顶部的岩层垂直位移越大,随着远离采空区逐渐减少,开采完成后地表垂直位移最大值约12 m;随着采空区面积的不断增大,采空区四周及角隅处塑性区逐步延伸扩大,且以剪切破坏为主;地面沉陷盆地不对称,2个沉降中心均发生在沉陷盆地中部且偏下山方向,下山方向比上山方向影响范围更大;数值模拟计算的沉降量与两时相DEM叠加统计分析的变化量结果及趋势基本一致,研究成果可为煤炭安全开采提供参考依据,为地表沉降监测提供新方法。      

采空区上方修建大型建筑物地基稳定性评价

地表移动变形随时间的稳定性及剩余变形问题一直是采动覆岩沉陷研究的重要方面。笔者分析了采动地表移动变形的时间过程,探讨了地表沉陷的延续时间及地表剩余沉陷的预计方法,给出了采空区上方修建大型建筑物地基稳定性评价的指标,对采空区上建设建筑物提出了相应的技术措施。     

多煤层开采覆岩移动及地表变形规律的相似模拟实验研究

以离石—军渡高速公路下伏康家沟煤矿采矿地质条件为原型,采用相似材料模拟实验方法,对多煤层开采引起的覆岩移动及地表变形规律进行了研究。相似模拟实验结果表明:多煤层开采条件下,随着煤层累计采厚的增加,采空区"三带"覆岩下沉量和采空区地表沉降量、地表倾斜变形、地表水平位移及地表曲率变形都呈增大趋势,采空区上覆岩体更加破碎,地表变形更加强烈。研究成果可为高速公路下伏多煤层采空区的治理设计提供依据。     

条带开采采空区覆岩移动规律数值模拟分析

为了准确而有效的掌握条带开采上覆岩层移动机理,采用FLAC3D数值模拟软件,对辽宁省灯塔市西马煤矿北二采区西上岗子村下压12煤采空区上覆岩层变形传播机理进行研究。模拟研究表明,采用FLAC3D软件可以较好地模拟条带开采上覆岩层长期变形特征。通过对各采空区和煤柱顶板及对应地表布设位移测点,得到顶板和地表不同时间段的竖向位移变化曲线。研究结果经分析得到,煤层开采后采空区顶板在自重和上覆岩层作用下,短时间内变形状态仍有较大变化;开采后21个月,各采空区顶板沉降变形开始趋于稳定;24个月后各煤柱顶板沉降变形开始趋于稳定;27个月后地表沉降变形开始趋于稳定;最终,采空区上覆岩层应力分布重新达到平衡。     

特大采空区上覆岩层地压与地表塌陷灾害监测研究

大红山铁矿采用无底柱分段崩落法开采形成了3个规模巨大的采空区,采空区上覆岩层移动与地表开裂塌陷将导致露天采场发生滚石地压灾害、井下采场产生空气冲击波次生地质灾害、地表与井下发生泥石流地质灾害等。针对上述问题,采取了多通道微震监测、非接触式岩移实时监测、基于手持式GPS仪的地表开裂范围监测和基于全站仪的地表沉降与水平移动监测的多种综合地压监测手段,对上覆岩层崩落高度、上覆岩层下沉变形量、地表开裂范围和地表沉降与水平移动等进行了监测,通过两年的监测获取了大量的监测数据,经分析表明,采空区上覆岩层崩落高度约在+1 090⁺1 060 m,上覆岩层+1 090 m平巷内观测点累计沉降量为1 350 mm,地表开裂范围位于以岩移角为75°划定的地表岩移范围内,地表测点最大累计沉降与水平移动量为1 779与948 mm,上覆岩层与地表的变形移动活动处于稳定渐进可控的状态,目前不会发生上述地压地质灾害。     

基于极限分析法和数值模拟的条采岩层稳定性分析

为解决红阳二矿西三下部采区村下压煤问题,保证村下采区稳定安全,实现矿区可持续开采,以该采区压煤开采地质条件和煤层赋存情况为研究基础,应用轴向力作用下岩层稳定性极限平衡分析法进行理论分析,结合采煤沉陷预计软件对地表移动变形进行预计,利用数值模拟对理论分析和沉陷预计的结果进行合理性验证,综合以上研究过程得到如下结论:(1)村下压煤条采,沿采空区倾向,顶板位移从两边到中间呈增大趋势,且在采区中间位置达到最大位移值979.3 mm;(2)从采空区顶板至地表,沿采区垂向,岩层位移值呈减小趋势,在地表处达到最小位移值3.45 mm;(3)在采深760 m时,村下采空区上覆岩层应力分布重新达到平衡,可保持稳定大约10年,采深达到815 m时,采空区及上覆岩层逐渐趋于稳定并维持大约5.6年;(4)采煤沉陷预计地表最大沉降值W=720 mm;最大曲率值K=0.005×10~(-3)/m;最大水平变形值ε=0.45 mm/m;(5)数值模拟分析结果与极限分析法、采煤沉陷预计结果一致,可为村下压煤开采提供稳定性判据,避免了采区采动损害引发地表塌陷灾害。     

松散黄土堆积层下煤矿采空区地表塌陷形成机理

基于现场调查和室内测试,研究了青岛-兰州高速公路邯郸至涉县段沿线采空区地表塌陷特征,探讨了松散黄土堆积层下采空区地表塌陷的形成机理。研究结果表明：采空区地表塌陷表现为塌陷坑、地裂缝和沉陷盆地,分布规律不明显,塌陷明显滞后于煤层回采;地表塌陷形成的主要原因是由于煤层埋深浅,“两带”高度可直达地表,而上覆松散黄土层结构构造独特,具有一定的结构强度,因而不会立即垮落,在松散层内顺黄土垂直节理先形成拉裂缝,而后在地表水流作用下发生潜蚀、淘蚀,裂缝进一步扩大延伸而形成塌陷坑。     

金属矿山崩落采矿法引起的岩层移动规律分析

以典型陡倾结构面条件下的金属矿山--程潮铁矿西区为例,通过对矿区的地表变形监测资料及宏观破坏特征分析,认为矿区的岩层移动分为2个阶段,第1阶段为采空区顶板岩体破坏扩展至地表引起塌陷阶段;第2阶段为采空区周边围岩向采空区的倾倒破坏阶段,并得出了倾倒滑移区的地表岩体变形规律：岩体主要发生水平移动,水平移动值大于沉降值;变形先以缓慢变形为主,然后进入一个快速变形阶段,存在明显的转折点;开采沉陷和地形引起的应力同向叠加作用,使得地表岩体沿下坡方向的变形值增大,特别是水平移动值。同时揭示了矿区岩层移动角的分布特征;南部岩层移动角大于北部,究其原因是北部受最为发育的NNW、NNE结构面影响,倾倒破坏较为严重。所得成果为其他类似的金属矿山工程提供可借鉴的规律。     

厚覆盖层矿山地下开采地表塌陷机制分析

随着矿山开采深度的不断增加,厚覆盖层成为部分深部地下矿山的主要特点。以物探调查、变形监测以及理论分析为手段,对某典型厚覆盖层金属矿山地下开采初期地表塌陷的成因与机制进行了分析。结果表明,厚覆盖层中存在的大面积采空区为地表塌陷变形提供了空间,采空区顶板厚度较小为地面塌陷的发展提供了条件,采空区的存在是地表塌陷的主要原因。地表出现塌陷以后,塌陷范围以塌坑为中心继续向外扩展,受覆盖层内采空区走向,断层和岩层分界面等地质缺陷影响,塌坑向西、向南与向北三个方向上的扩展较向东快得多。降雨会增大塌坑向外扩展的速度,因为地表水的下渗加快了塌坑周围岩土体向塌坑方向的移动和下沉。     

南水北调中线工程郭村矿采空区段稳定性研究

南水北调中线工程禹州市郭村煤矿采空区地表形成了长1 700 m、宽400 m的移动盆地,采空区上覆岩体为典型的“三带型”（冒落带、断裂带和弯曲带）。通过布设高精度监测网,研究了施工前后采空区地表变形特征,监测结果表明,施工前,采空区地表移动已基本结束,处于稳定状态;施工期间,注浆造成应力重新分布,注浆区域内地表变形有明显振荡,而对注浆区域外的地表影响不大;施工结束后,地表变形均趋于稳定。采用FLAC3D有限差分软件,分别计算了渠道运行期间无渗漏、一般渗漏和严重渗漏3种工况下渠道和采空区变形和应力分布规律。计算结果表明,随着渗漏的严重,竖向位移和影响深度增大,但是增幅减小,最大值可达5.5 cm;影响宽度区域沿着渠道对称分布,均匀增大;水平位移逐步增大,且增幅增大,但最大值为7 mm,影响较小;采空区灌浆加固使应力重新分布,仅在采空区两端产生应力集中,渗漏工况下渠道过水荷载所产生的附加应力与自重应力相比很小,对采空区稳定性影响不显著。     

煤矿采空区场地地基稳定性及适宜性分析

结合一煤矿采空区场地作为新建高层住宅小区场地,通过开采条件、地表移动变形综合确定煤矿采空区的稳定性;采用工程类比法、采空区特征判别法、活化影响因素分析法、地表剩余变形判别法等判别采空区场地工程建设适宜性;建议采空区场地采取吸收地表沉陷变形的柔性措施和抵抗地表沉陷变形的刚性措施来确保拟建建筑物的安全。     

程潮铁矿西区地表塌陷成因分析

以程潮铁矿西区为例,结合矿区的地层岩性和地下采矿情况,系统分析了金属矿山地下开采引起的地下水位变化及地表突发性塌陷的原因。研究表明：地表塌陷主要受地下采矿的影响;在一定的地质水文条件下,地表塌陷时采空区高度与采矿深度呈线型关系;地表变形大小和扩展范围与地层岩性息息相关;连续降雨能诱发地表塌陷。地表塌陷可被分为4个阶段：间歇性向上崩落阶段、裂缝连通及扩展阶段、疏干塌陷阶段及地表塌坑群形成阶段。采空区上部岩体垮落是非充分的,岩体空隙随时间的积累和岩体崩落动态变化,崩落呈间歇性、跳跃性地向上发展。岩体崩落的高度与地层岩性有关,岩体强度越小,完整性越差,每次崩落高度越小,总崩落高度越大。随着矿体的开采,漏斗状水位降形成。地下水位降低不仅与采空区的相对位置有关,还受岩性构造所控制。岩体裂隙的产生及发展贯通为地下水向下流动提供了有利通道,可溶岩不断被侵蚀,黏土及岩屑被地下水容冲刷带走易在地下形成隐伏空区。硬石膏整体变形破坏会造成地下水的突涌,在地下隐伏空区内产生瞬时高负压,诱发地表塌陷。     

湖南省谭家山矿区开采地质灾害分析

煤矿开采所产生的地表沉降、开裂、塌陷等地质灾害,造成地表民房不同程度的损坏。为准确分析矿山开采对地表民房的损坏,从矿山开采造成地表沉降影响范围,矿山开采最大冒落高度与导水裂隙带高度,矿山开采引起地表最大水平移动值、最大曲率值、最大倾斜值等因素来研究分析。综合分析认为：引起地表民房损坏的主要原因一是地表民房正处在采动影响范围内;二是开采冒落带与裂隙带高度已经波及至地表,从而引起地表出现沉降与裂缝等现象,引发房屋开裂等损坏现象;三是煤矿采空区所产生的最大曲率值远远大于地表建筑允许变形值。该方法对研究煤矿开采造成地表民房损坏成因分析具有一定指导意义。     

露天与地下联合开采引起岩层移动规律的模型试验研究

非法开采对矿山开采稳定性具有重要影响,以某铁矿为例,进行了二维物理相似模型试验研究,分析得出了在考虑和不考虑非法开采两种情况下的地表变形规律和矿体围岩移动规律。试验结果表明,从-270 m采至-550 m水平期间,地表沉降和围岩变形呈缓慢增加趋势,但当从-550 m水平继续向下开采时,由于矿体倾角变得平缓,地表沉降、深部围岩变形都急剧增加,非法开采会造成矿体上部岩体的应力重分布,虽没有明显增大地表的沉降范围,但增加了开采点附近的地表沉降量,而且大大增大了地表岩层的水平移动。