基于概率积分法的横河煤矿巨厚松散层下开采沉陷预测分析

煤炭资源开采产生的沉陷变形会对土地资源造成严重破坏,因此针对巨厚松散层下煤炭开采产生的地面沉陷变形分布规律的研究具有十分重要的意义。以山东济宁横河煤矿为例,运用概率积分法分别建立了主断面和采区任意点的预测模型,预测了2#、3#煤层先后开采后地表下沉、倾斜、曲率、水平移动、水平变形等特征。预测结果显示,横河矿区下沉面积为78hm2,最大下沉值达到9.987m,与现场调查的实际情况基本吻合。由于横河矿区由巨厚松散层覆盖,相比一般采矿条件下,地表沉陷具有地表下沉系数较大、地表最大下沉值较大、水平移动系数和水平移动值较正常值偏大、沉陷范围大、拐点偏移距较小等特点。     

神东矿区地表移动参数变化规律及影响机制

我国西部矿区普遍具有资源储量大、埋藏浅、覆岩结构简单等特点,采矿活动对地表影响明显。为研究神东矿区地表移动参数变化规律,首先基于大柳塔矿22201工作面实测数据分析其地表动态变形规律,再采用神东矿区18个工作面的实测数据,获得地表移动参数与地质采矿条件之间的对应关系,并分析地质采矿条件对地表移动参数的影响机理。研究表明:神东矿区煤层开采地表沉陷速度快、衰退期短,最大下沉速度达643.3 mm/d,活跃期下沉量占总下沉量的99.05%;下沉系数与松散层采深比呈先增大后减小的二次函数关系,水平移动系数、主要影响角正切分别与（采高×开采速度）/（宽深比×基岩厚度）、基岩厚度×开采速度/（采深×采高）呈先减小后增大的二次函数关系;边界角、裂缝角与松散层采深比呈正线性关系,移动角与基岩采深比成正比,与采高、开采速度成反比;基岩承载松散层荷载及松散层拱效应的变化是导致地表移动参数变化的根本原因。研究成果对西部矿区地表破坏控制与治理、矿井生产安全保障及生态环境修复具有工程实用价值。      

厚松散层下多煤层重复开采地表移动规律

为了研究厚松散层下多煤层重复开采对地表移动的影响,结合淮南矿区地质采矿条件,在分析顾桥煤矿重复开采地表移动规律的基础上,运用FLAC3D软件建立数值模拟模型,研究了重复开采地表变形规律,并建立了地表变形参数与采动次数之间的关系模型。研究表明:厚松散层下首次开采时地表下沉系数大于1,随着采动次数的增加,松散层逐渐被压实,地表下沉系数呈现线性增大的趋势,但3次开采后松散层已经压实,下沉系数趋于稳定,不再随采动次数增加而增大;达充分采动后,地表移动盆地范围不再增大,但受到采深增大的影响,主要影响角正切、边界角与采动次数之间均呈线性增大关系。该成果为研究厚松散层重复开采地表移动规律提供了理论依据和技术参考。      

淮南丁集矿地表移动和变形规律分析

淮南丁集矿井1262(1)工作面为该矿-826m水平西一采区首采工作面,地质条件特殊(如深厚松散含水层和大采深),且地表移动变形规律研究得较少。因此,为了研究该矿地表移动变形规律,在1262(1)工作面建立地表移动观测站。以实测数据为基础,结合概率积分法获得了在该地质采矿条件下地表移动的相关参数。结果表明:地表下沉系数为1.16;起动距为1/7～1/6倍的平均采深;超前影响距为380m。在此基础上,计算出该矿的地表最大下沉速度及最大下沉速度滞后角分别为Vmax=21.9 mm/d和φ后=77.2°,表明在该地质采矿条件下,该矿的地表移动剧烈、地表下沉速度较快、起动距偏小等特点。在对综合移动角理论公式推导的基础上,获得了矿区综合移动角的误差值,并得出了矿区综合移动角经验值,对指导矿山开采具有一定的实际意义。     

缓倾斜煤层走向长壁式工作面地表沉陷盆地模型

为准确描述地表沉陷盆地分布形态,基于幂指数函数模型,结合缓倾斜煤层走向长壁式工作面地表沉陷盆地的特征,采用理论分析与数值模拟相结合的方法,建立适用于缓倾斜煤层走向长壁式工作面的沉陷盆地模型,分析模型参数的影响因素及参数的变化规律,并验证模型的适用性和预计精度。研究表明:模型参数n反映下沉盆地底部范围大小,主要与采动程度有关,取值范围为1~3,其取值精度取决于观测点个数;参数k反映下沉盆地边缘的收敛速度和下沉影响范围,主要与采煤方法、顶板管理方法及松散层厚度有关,其值可通过地表最大下沉值或煤厚进行确定;在对常村煤矿地表沉陷进行预计时,预计值与实测值的差值平方和为3.08×106,中误差为267.59 mm,为最大下沉值的6.47%。研究缓倾斜煤层走向长壁式工作面地表沉陷盆地模型旨在对常村煤矿地表沉陷的预测和预防工作提供理论基础。      

高强度开采地表实时下沉研究

高强度开采是我国大型煤炭生产基地主要的生产方法。结合高强度开采地表移动主要特点和当前开采沉陷监测方法的不足,采用实时GNSS系统监测地表下沉。通过数据采集及处理等试验过程,获得了一套高强度开采条件下地表下沉实时监测方案;研究了在实时监测条件下,地表动态移动特征的分析方法,确定了榆树湾煤矿20101工作面开采,地表下沉的启动期与活跃期、最大下沉速度、超前影响角和最大下沉速度滞后角等地表移动参数,并与传统的间隔周期观测法对比,体现了本文方法的优越性。本研究对高强度采矿条件下的"三下"采煤生产有较强的指导意义。     

基于数值模拟的充填开采地表下沉系数分析

充填开采是解放“三下”压煤的重要手段。为了研究充填体强度对充填开采时下沉系数的影响,本文以本溪彩屯矿的充填开采实践为基础,结合工程实际建立了FLAC3D数值模型并对充填开采地表下沉系数进行了模拟分析,得到了不同强度充填时对应的地表下沉特征和充填开采时充填体强度与地表下沉系数之间的一般关系。通过改变充填体弹性模量得到了相应的等效采厚比和地表下沉系数,通过多项式拟合建立了等效采厚比和地表下沉系数两者之间的函数关系,并给出了相关参数的参考值,为预测充填开采的地表下沉系数提供了依据。     

铁路专线下综放开采地表沉陷规律

为了保障山西郭庄煤矿铁路专用线的安全运营,通过建立岩移观测站,在收集整理监测数据的基础上,对铁路专用线经过的山西常村煤矿S3-13工作面采动引起的地表移动变形规律进行了分析。研究结果表明:综放开采条件下,地表移动变形剧烈,下沉值大,但下沉速度相对较小;地表下沉系数较大（0.76）,主要影响角正切tanβ偏大（2.78）,最大下沉角较大（89°）;地表移动总持续时间长,活跃期时间占比58.7%,活跃期下沉量占总下沉量的89%,活跃期变形剧烈且集中。研究成果旨在为后期工作面开采过程中铁路的变形预测及维修防治提供理论依据。      

深部走向长壁开采地表移动数值模拟

在对深部开采进行界定的基础上,运用数值模拟手段,基于关键层理论建立三维深部开采模型,对走向长壁式开采地表移动进行分析,数值计算所得三维地表移动图形能够定量、直观描述地表移动,结果与概率积分法预测符合良好,实现对采煤-上覆岩土层破坏-地表沉陷全过程分析,是对煤矿开采沉陷可视化工作的重要补充。通过数值计算,总结了深部开采地表移动特点,并对比深部开采与浅部开采,分析地表影响半径及相关变形指标。分别对充分采动和非充分采动条件下概率积分法下沉系数进行计算,并与传统计算方法进行比较,结果显示:两种开采条件下,下沉系数均小于传统计算结果,基于浅部开采的经验下沉系数不再适合深部采动情况,得出下沉系数随深度增大而变小的结论,并分析这种变化产生的原因。     

薄冲积层下开采地表动态移动规律与特征

位于采煤影响区的高压线、输气输油管道、河道等设施对地表动态移动极为敏感。以甘肃某煤矿在金沙河下开采为背景,通过现场地表移动监测,获得薄冲积层条件下综放开采地表动态移动变形规律。研究表明：薄冲积层下综放开采地表具有下沉移动起始期很短、活跃期较长等特点。地表移动活跃期位于工作面前方110 m至工作面后方400 m范围内,历时185 d,期间地表点下沉量可达到该点总下沉量的90.7%;地表移动剧烈期在工作面后方50 m至150 m范围内,但剧烈扰动时间相对较短,历时约60 d。基于测点下沉曲线为S型分布、下沉速度曲线类似为正态分布特点,建立了考虑开采时间和工作面推进速度因素的地表下沉及下沉速度动态模型,并追踪刻画出地表测点往复式下沉与水平运动的轨迹。薄冲积层下开采,地表裂缝更易平行于工作面走向方向发育,并且随工作面的推进,地表裂缝具有前移和密集区向工作面外侧小范围扩大的时空特征。     

煤炭地下气化过程中顶板岩层移动特征的研究

采用热弹塑性模型,运用有限元软件,对煤炭地下气化的整个过程进行模拟,得出了煤炭地下气化过程中顶板岩层不同位置处的位移,并将其结果与传统煤炭开采的结果进行对比。结果表明:煤炭地下气化和煤炭开采过程中,顶板岩层移动曲线符合负指数函数关系;煤炭气化顶板岩层下沉速度比煤炭开采下沉速度快,且垂直位移较大;离煤层顶板越近,垂直位移越大,特别是直接顶位移急剧增大。     

不等长工作面台阶区域覆岩运动诱冲机制及防治

针对阳城煤矿不等长工作面台阶区域发生冲击地压灾害问题,基于工作面特殊布置方式及覆岩赋存特征,采用理论分析、数值模拟和现场实测等方法,分析了台阶区域覆岩结构运动特征和围岩应力演化规律,研究了台阶区域冲击地压诱发机制。研究结果表明：1304工作面台阶区域覆岩经历了“OX-S-C”型较为复杂的结构演变,覆岩空间结构由OX向S型转换时,顶板岩层大面积破断下沉,在台阶区域形成多个悬臂梁结构,越往高位,悬臂梁长度越大;受覆岩运动和采动应力场叠加影响,煤岩体形成高应力集中区,在顶板岩层动载冲击作用下,煤岩体弹性应变能突然释放,诱发冲击地压。采用COMSOL软件对不同卸压钻孔参数下煤体应变能分布特征进行模拟研究,优化了台阶区域卸压钻孔参数。根据模拟结果,随着钻孔孔径、孔深增大及间距减小钻孔卸压效果越明显,考虑工程实际,确定孔径为150 mm、孔深为30 m、间距为1 m为合理有效的卸压钻孔参数,并应用于1302工作面台阶区域的冲击地压防治,取得了较好的防冲效果。     

A study of surface subsidence and coal pillar safety for strip mining in a deep mine

Some villages and bridges are located on the ground surface of the working district no. 7 in the Wanglou Coal Mine. If longwall mining is adopted, the maximum deformation of the ground surface will exceed the safety value. Strip mining is employed for the working district no. 7 which is widely used to reduce surface subsidence and the consequent damage of buildings on the ground surface. To ensure the safety of coal pillars and improve the recovery coefficient, theoretical analysis and numerical simulation (FLAC 3D) were adopted to determine the coal pillar and mining widths and to discuss the coal pillar stress distribution and surface subsidence for different mining scenarios. The results revealed that the width of coal pillars should be larger than 162 m, and the optimized mining width varies from 150 to 260 m. As the coal seam is exploited, vertical stress is mainly applied on the coal pillar, inducing stress changes on its ribs. The coefficient of mining-induced stress varies from 2.02 to 2.62 for different mining scenarios. The maximum surface subsidence and horizontal movement increase as the mining width increases. However, when the mining width increases to a certain value, increasing the pillar width cannot significantly decrease the maximum subsidence. To ensure the surface subsidence less than 500 mm, the mining width should not be larger than 200 m. Considering the recovery coefficient and safety of the coal pillar, a pillar width of 165 m is suggested.     

厚松散层下开采地表动态移动变形规律实测及预测研究

为了掌握厚松散层覆盖地区地表在采动过程中的动态移动变形情况,以地表移动观测站实测数据为基础,获得厚松散层开采地表动态移动参数在开采过程中的变化规律,以及走向主断面方向上任意时刻、任意点的下沉速度预计公式。结果表明：当工作面推过最大下沉点170 m左右时,该点的下沉速度达到最大值,其值为22.85 mm/d;地表点最大下沉速度值及其滞后距随工作面开采距离的增大而增加,当工作面推进距离达到600 m左右后,两者增加的幅度逐渐减小,并分别达到稳定值22.00 mm/d和150 m,认为此后的采动过程是地表点下沉速度曲线以固定形状与工作面保持一定的滞后距随开采不断向前移动;参考国内松散层下开采案例,通过多元线性回归分析得到地表动态移动变形参数与地质及开采技术参数之间的关系式;最后根据动态移动参数在采动过程中的变化规律,建立了走向断面上任意时刻、任意点的下沉速度预测公式,通过预测值与实测值的对比,认为预测结果能够满足工程实践需要。     

Experimental study of the movement of backfilling gangues for goaf in steeply inclined coal seams

For the coal mining with flexible shield supports which is used widely in the exploitation of steeply inclined coal seams, a method with which to backfill enough gangues efficiently in goaf is the key to meet the control requirements for the roof. In order to research the movement of gangues in goaf and the factors influencing backfilling effects, an experimental device for the movement of gangues for backfilling the goaf in steeply inclined coal seams was designed. The movement trajectory of gangues was monitored and was divided into three stages. Gangue movement characteristic under different engineering condition was studied, which showed that the backfilling rate of gangues in the goaf of steeply inclined coal seams is positively correlated to the dip angle of the coal seam and the mining thickness, while being negatively correlated to the grain size of the gangues and the deformation of the roof.