矿区塌陷控制与灾害防治技术研究

采矿区覆岩及地表塌陷是涉及全球性人为环境灾害之一，控制与防护由地下采矿引起的地表塌陷灾害的技术途径主要有地下开采技术措施、地层控制措施和地面防护措施。文章基于岩层移动理论，阐述了地下采矿引起的覆岩移动、变形和坡坏规律，及地表塌陷及环境的影响特征。讨论了沉陷控制与灾害防治的技术途径，提出了解决地面大面积塌陷控制的地下多层位联合注浆方法，探讨了覆岩离层注浆控制与减缓地表沉陷技术的理论、方法、研究现状及发展与应用前景。     

山西长治市崔蒙地区采煤地面塌陷初步研究

长治市崔蒙地区因煤矿采空而引发地面塌陷,塌陷积水而使大量农田弃耕,当地经济发展受到极大的影响。本文在地面塌陷地质灾害勘察并查明地面塌陷现状基础上,分析了崔蒙地面塌陷的形成机理,并通过常规移动延续时间、残余移动变形时间估算结合塌陷区地表移动监测资料分析研究,认为地面塌陷仍将持续,只是变形速度较缓慢,不致诱发地裂缝,继续造成土地破坏或地表水体漏失的可能性较小。     

条带开采覆岩应力响应机制及移动变形规律研究

条带煤柱长期承受覆岩载荷,同时受采空区积水、邻近采动等因素的影响,发生失稳的可能性大大增加。条带煤柱失稳导致覆岩与地表再次运动,成为地表灾害的潜在隐患。为了对条带煤柱覆岩运动演化特征进行深入分析,以典型地区条带开采采空区覆岩运动演化特征为研究对象,运用FLAC3D软件对条采采空区覆岩的应力响应机制及移动变形规律进行了分析研究。研究结果表明:条带煤柱失稳后,煤柱顶板垂直应力由双峰变为单峰,峰值且相较于失稳前增加;地表沉陷量及水平移动均出现大幅度增加,对地表建构筑物构成极大危害。通过研究条采采空区覆岩应力响应机制及移动变形规律能够对条带开采区域地表下沉进行精准预测,对防治条带开采时煤柱失稳造成灾害提供了理论依据,同时对地表建构筑物的建设及安全防护提供科学指导。     

淮北市北区地表水体及采空塌陷遥感调查

利用淮北最新的彩红外航片，圈定本区地表水体，统计了其面积；分析了煤矿采空塌陷形成机制，建立了采空塌陷的遥感解译标志，以此圈定了煤矿采空塌陷区的分布范围，并对塌陷区内的土地综合利用情况进行了调查和评述     

基于GPS静态定位法监测数据分析与塌陷特征认识

以采矿工程资料及塌陷区地面变形调查为基础,通过在华亭采煤沉陷区东峡煤矿区部署GPS监测桩,对地表沉陷变形采用静态定位法进行监测,并采用统计图示的手段对监测数据进行统计分析。结果表明:测区范围内垂直移动及沉降量由西向东、由南向北逐步增大;水平移动方向总体指向采空区方向,塌陷边缘地带水平变形小,越接近采空区移动量越大,水平移动变形越大;无论是垂直移动变形还是水平移动变形或是倾斜等监测数据显示,测区内由北向南其地表塌陷程度明显增强,与采煤工作面从北向南推进,采空区逐步向南发展所产生的岩移塌陷规律相一致。测区内地面塌陷垂直移动变形总体呈正态沉陷规律,各地段表现出时空上的差异沉降现象;而水平移动的方向及变形量也有差异性,反映出煤矿采空地面岩移塌陷的复杂性。地面塌陷总体受控于地层岩性、构造条件、采矿方式及采空区大小等,而降雨也可能是地表移动变形的重要影响因素。     

采空场覆岩变形数值模拟与相似模拟比较研究

用有限元数值计算尝试了离层模拟,并分别采用数值模拟与相似模拟的方法研究了木架山矿区143剖面倾斜采空场处理时的地表移动与覆岩破坏规律。研究发现,随着矿柱的崩落,覆岩跨度不断增加,引起的地表移动范围也不断增大,地表垂直沉降范围大致为跨度的1.5～1.7倍,垂直沉降曲线始终对称于最大沉降点;水平移动的范围大于垂直沉降的范围,最大水平移动量大约为最大沉降量的40 %,且水平移动不对称。另外,当覆岩发生整体下沉时离层主要存在于跨度两端,离层由层理剪切破坏引起。     

辽宁大窑沟急倾斜煤层开采沉陷数值模拟研究

急倾斜煤层覆岩结构的复杂性,使得现有的理论不能很好的解释覆岩移动和地表沉陷规律,为了深入研究急倾斜煤层开采覆岩移动和地表沉陷规律,本文采用MIDAS/GTS对急倾斜煤层开采情况进行模拟,并将"三带"理论应用于急倾斜煤层的研究。根据煤层开采后覆岩移动规律和地表沉陷的特点将煤层开采分为浅部开采阶段和深部开采阶段。浅部开采阶段覆岩破坏范围较小,顶板形成以上下煤柱为拱脚的拱形结构,地表表现为非连续的塌陷坑;深部开采阶段基本顶断裂、垮落在采空区形成铰接结构,地表表现为连续的下沉盆地。     

煤矿采空塌陷导致土地破坏研究——以山西西山矿区为例

1前言采空塌陷是煤矿开采过程中,由采空区顶板岩层在超出其极限单向抗压强度时而发生断裂,其上部覆岩产生冒落、坍塌,延伸到地面形成塌陷坑和塌陷洼地,随着煤矿回采率的提高,采空面积的扩大,地面塌陷的规模和危害程度日趋严重。本文就采空塌陷在山地对土地造成的破坏程度选取部分案例进行分析。2西山矿区采空塌陷对山地的破坏状况采空塌陷对山地的破坏状况以山西省西山矿务局西山矿区为例。西山矿区总面积为982km2,其中生产矿井田总面积437·9km2,各矿目前普遍开采的主要煤层有山西组2#、3#煤层和太原组的8#、9#主煤层,开采方式主要为平硐配…     

采空区上方斜坡地形塌陷灾害研究——以申家山采空塌陷为例

以梁家山坡(申家山)磷矿采空塌陷为例,分析了地下采矿所引起的斜坡体塌陷的形成原因,即采空区上覆岩体在重力作用下向坡体下方临空面发生变形、破裂和移动,其发育受地质因素与采矿因素共同作用的影响;并用不同经验式估算得出该区内受地下采空区影响的高程范围,证实申家山是由地下采矿引起的采空塌陷。然后将其与盐池河山崩相对比,对二者在外在表现、形成过程及形成原因方面的不同点展开了讨论,二者虽然同样受采空区的影响,但是由于地质条件的不同,导致最终的破坏型式不同。     

多源遥感数据在地下采煤塌陷识别中的应用与分析

长期的地下采煤会造成地表沉降,严重影响矿区生态环境和人民生命财产安全,采取可行有效的方法对矿区采空塌陷进行监测与分析,是实施地质灾害精准防护的首要前提,具有重要现实意义。为此,本文利用Sentinel-1 SAR雷达影像和高分辨率光学遥感影像,分别采用小基线(SBAS)InSAR技术和人机交互遥感识别方法对纳雍县鬃岭地质灾害群地下采煤塌陷范围进行了监测识别,对比分析了各自技术特点。结果表明:①基于小基线InSAR雷达监测技术能很好反映监测期内地表形变信息,对因地下开采引发的地表形变较大或微小形变均能有效识别,但对早期煤矿开采造成而目前趋于稳定的采空塌陷识别能力不足;②高分辨率光学遥感人机交互解译对于目前采空塌陷形变已趋于稳定或历史上形成的采空塌陷区损毁土地情况有很好的识别;③综合InSAR 监测技术和高分辨率光学影像遥感识别方法,能较全面获取采空塌陷范围及损毁情况,可为矿山地质环境治理、地质灾害防护提供参考依据。     

地层错动引起的上覆饱和黏土层变形特性的离心试验研究

地震断层错动会引起上覆土层变形,从而造成断层附近的建筑结构、管线产生附加的变形和内力引起破坏。通过一个土工离心机试验分析上覆饱和黏土层在4步连续断层错动作用下的静力响应行为。着重分析断层错动引起的地层变形的范围、不均匀沉降区的分布特点、剪切裂缝在土层传播路径及地表开裂的位置等工程上重点关注的问题。得到以下几点认识：(1) 基岩断层错动引起的地层变形范围基本上不受基岩错动量大小的影响。(2) 断层错动引起地层的不均匀沉降区基本呈三角形分布,其地表宽度约为1倍左右的土层厚度。(3) 基岩错动引起的主剪切裂缝基本沿竖直方向向上传播,其传播距离取决于基岩错动量及土体的破坏应变。(4) 基岩断层错动在主剪区的下盘一侧边缘会产生张拉裂缝,且产生张拉裂缝所需基岩错动量远小于产生剪切裂缝所需的错动量。     

急倾斜煤层采空区地表变形对管道的影响研究

以拟建茶山矿区急倾斜采空区影响的潜江 韶关段管道为研究背景,从开采完成和采动过程中急倾斜采空区对管道影响进行研究。分析采空区地表变形移动对输气管道的影响,给出管道安全初步评价方法,并利用概率积分法对急倾斜采空区场地的管道安全进行预测评价,研究对以急倾斜煤层采空区场地敷设管道的安全运营有重要意义。     

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。     

地铁暗挖施工引起的管线与地层沉降关系研究

依托北京地铁4号线公益西桥站工程,建立结构-地层-管线三维弹塑性数值模型,基于管线周边地层沉降及地表沉降实测数据分析,研究西南出入口暗挖施工上方管线周边地层变形规律。通过现场实测数据、数值模拟及经验公式计算结果综合对比,分析了管线刚度对地层变形抵制作用的影响。研究表明：管土相对刚度小于0.18时,管线与土体沉降差小于5%,可用经验公式计算出的管线轴线处地层沉降代替管线沉降。随管线刚度的增大,管线对土体变形的抑制作用逐渐增强,沿深度方向地层沉降量增大速率减小,并会出现负增长,甚至出现地层沉降小于地表沉降的情况。通过对数值计算结果的拟合分析,提出了刚性接头管线与地表沉降比和管土相对刚度的经验公式。工程实例应用结果表明,计算值与实测值偏差小于4%,验证了该方法的适用性。     

地铁车站洞桩法施工对地层和刚性接头管线的影响

洞桩法能够较好地控制地层变形和对周边既有建（构）筑物的影响,目前已成为北京地铁暗挖车站施工的主流工法。以北京地铁10号线黄庄站工程为背景,基于地表和管线沉降的实测数据,建立“隧道-管道-土体”的三维有限元计算模型,研究了洞桩法车站施工对地层的影响,并从沉降、变形和管-土相互作用等方面系统研究了施工对邻近刚性接头管道的影响。研究结果表明,洞桩法车站施工中导洞和扣拱施工是关键工序,这两个工序引起的地表沉降占总沉降的90%以上;刚性接头管道的沉降、变形及管道-土体差异沉降与管道和隧道相对位置关系密切相关,主要受其正下方土体开挖影响;管道变形由整个管体共同承担,地层位移使管道产生弯曲和轴向变形,建议采用应变作为管道变形控制标准。     

场地条件对地下管道地震破坏的影响分析

地下管道破坏受到场地岩土条件和断层的制约,如何分析场地条件对地下管道地震破坏的影响,是城市地下管道建设中面临的突出问题。采用ADINA建模的定义体操作,选定合适的体类型,应用布尔操作实现了管道与土体和断层之间的融合,得到地下管道破坏分析的几何模型。通过模型参数选择,确定了岩土性质、管道特性、断层等模型参数,定义了管土摩擦、地震荷载时间函数、断层荷载和约束条件。依据计算结果,分析了管土摩擦、埋深、断层参数以及断层活动性等场地条件对地下管道地震破坏的影响,并给出了结论和工程建议。     

双线盾构施工时邻近地下管线安全性判别

研究双线盾构隧道施工时邻近地下管线的安全性判别方法。基于Winker弹性地基梁模型,考虑管土效应,建立连续管线应变与地表沉降关系式;假设管线位移与土体位移相同,建立非连续管线接头转角与地表沉降关系式;同时考虑管线老化,定义与时间相关的折减系数,建立一种通过测量地表沉降值即可判断管线安全性的方法。当管线应变或接头转角为安全允许值时,对应的地表沉降即为控制值。施工时,若地表沉降超过该值,则表明管线存在危险。该方法将不易监测的管线状态转化为可见的地表沉降。研究结果表明：预测值与实测值的对比说明了所提方法具有可靠性;双线隧道水平间距L值对地表沉降控制值的影响非常大。当L较小时,最大值出现在两隧道中轴线处;当L较大时,最大值出现在隧道轴线上方附近处;随着L的增大,最大控制值逐渐减小。     

浅层地基上管道轴向运动的阻力研究

铺设于深海浅层地基上的海底管道在运行期间受高温高压等的作用易产生轴向膨胀和收缩，间歇性的往复剪切管道周围浅层地基土，对这种管道轴向运动过程中管?土相互作用机制需深入研究。基于修正剑桥模型建立了浅埋式管道在运行期间的轴向运动过程的小变形有限元分析（SSFE），采用有效应力指标，得到了不同初始埋深的管道在轴向运动过程中地基土在临界塑性剪切固结阶段的轴向阻力随时间发展规律（S形管?土轴向阻力发展曲线），探究了不同剪切速度下剪切带内地基土的超孔隙水压力、管?土界面摩擦系数、反映管?土接触面形状的楔形变形因子ζ以及管?土之间轴向阻力等的发展变化规律，研究发现轴向剪切产生的超孔压是速度和时间的函数，随着轴向运动速度减小，峰值超孔压的值减小且出现峰值超孔压的时间推迟。管道轴向运动过程中地基土由不排水条件向排水条件过渡的内在机制做出了较完整的阐述。     

天津高新技术产业园区海泰小区路面塌陷成因

路面坍陷是威胁城市安全运行的重要隐患。天津高新技术园区海泰区段路面塌陷、地下暗穴空洞和污水管渗漏三者之间,存在着密切的联系。作者通过现场勘查、地质雷达探测、管线机器人内窥探视技术、工程钻探、三维地质建模等综合方法研究其塌陷成因机理。研究表明,其成因机理在沿海地区具有代表性和典型性,即脆弱的自然(地质)系统与人工(工程)系统在多种因素复合控制下的相互作用,管线埋设于软土层中,由于自然沉降和后期压实作用,导致软土层垂向和侧向差异迁移,引起拼接而成的污水管线在接触部位产生缝隙、破损,使高于管线的地下水向管内渗漏,土层因颗粒物质流失而形成空洞,进而导致路面塌陷。据此,提出管线埋设前和塌陷后所采取的治理措施,重点在于防止因管线破损而造成地下水和管线内的排泄水产生交换,避免管线外转的土层颗粒流失。     

地埋非圆形管道与土相互作用的分析计算

对地埋箱形涵道和蛋形管道结构的设计计算,现行的方法是给定作用荷载值和分布,按结构力学方法求解。实际上作用于管道上荷载是随管土的相对刚度而变化的。为此,采用管土相互作用的Winkler模型和传递矩阵法,提出地埋箱形和蛋形管道结构计算的新方法。通过对箱形和蛋形管道与土相互作用的分析计算表明,即使是“刚性”的箱形管道也应考虑与土的相互作用。最后讨论了模型参数、埋深以及管道结构尺寸的变化对管道受力与变形的影响,说明了考虑地埋管道与土的相互作用,对地埋箱形和蛋形管道结构的设计计算才更符合实际。