基于数值计算的覆岩移动离层量计算方法

地下煤层开采后造成的地表沉陷，对矿区环境，特别是铁路、房屋等建筑物造成重大危害。覆岩离层带高压注浆减缓地表沉降技术可以有效地减少或缓和沉降向地表发展。离层空间发育大小是进行离层带高压注浆工程设计的重要参数之一。文章的研究基于数值模拟，采用三次样条曲线回归方法，推导出一套计算采动覆岩离层量大小的公式。配合有限元计算，可以动态地计算离层空间的变化过程。对离层带高压注浆减缓地表沉降工程具有指导意义。     

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。     

采动覆岩离层多层位注浆地表沉陷控制技术

为了解决上覆岩层中无明显厚硬岩层、采动过程中难以产生较大尺寸离层空间、离层注浆充填率低的问题,提出采动覆岩离层多层位注浆技术。通过相似材料模拟实验对多层位离层注浆覆岩时空演化规律进行研究,并在淮北矿区某工作面进行现场试验。结果表明:在无较大采动覆岩离层情况下,采用增加钻孔数目的多层位离层注浆方法,在采动覆岩内部形成不同扩散半径的注浆充填体,共同叠加支撑上覆岩层,可以有效减小覆岩破坏程度。实施多层位离层注浆方法,可以有效提高注浆总量和注采比,地表减沉率可达79.92%。提出的离层注浆量计算公式可以精确预计浆液灌注量,准确率超过91%,可为覆岩离层注浆工程提供指导,并为注浆减沉率预计提供参考。这为解决煤炭资源开采引起的地表沉陷问题提供了一种有效和经济的方法,同时扩大覆岩注浆技术的应用范围。      

煤矿环境治理技术新进展及应用

我国煤炭资源的长期大规模开发和利用引发了一系列环境问题,主要包括环境污染、资源破坏和地质灾害三类。地下充填方法是一种行之有效的生态环境修复方式。新型离层注浆技术可有效预防因采煤塌陷产生的环境问题,同时解决煤矿建筑物压煤问题,实现顺序开采,延长了煤矿生产年限,缓解了矿山关闭所带来的环境问题。中国煤炭地质总局在采煤沉陷治理领域以新型覆岩离层注浆技术为核心,形成了产学研用一体化的采煤沉陷区治理综合技术体系。通过对新型离层注浆技术的研究与实践,形成了厚煤层覆岩离层注浆控制采空塌陷技术体系,完善和发展了采空塌陷控制理论与技术。该技术在夏店煤矿得到了成功应用,取得了较好的经济和社会效益     

矿区岩溶地表塌陷神经网络预测研究

针对近年来某矿岩溶地表塌陷频繁发生的现象,分析确定了影响地表塌陷的主要因素,构建了矿区岩溶地表塌陷预测BP神经网络模型,以训练后的BP网络模型对矿山帷幕注浆三期工程完成后可能形成的地表塌陷区的空间分布进行预测。并针对矿山现实塌陷情况,结合各区预测塌陷危险分级结果,提出了相应的岩溶地表塌陷灾害防治措施。实践表明,所建模型的预测结果与矿区地表塌陷实际情况相符,可为矿山后续帷幕注浆工程的设计与施工提供有益借鉴,为岩溶矿区地表塌陷灾害提供预警支持。     

我国首例离层注浆减沉试验的再思考

20a前在抚顺老虎台煤矿512采区进行的我国首例离层注浆减沉试验为探索煤矿可持续开采技术提供了宝贵经验。试验采区地表下沉比预计小的真正原因是采空区密实水砂充填(充满率为70%~85%),覆岩中巨厚绿色页岩层遇水碎胀(碎胀率为185%)和大采深极不充分采动(采动程度系数为0.14)。离层注浆主要起到了使绿色页岩层碎胀的作用,而留在覆岩离层中的粉煤灰量极少(只占煤炭采出体积的3%)难以起到减沉作用。试验结果说明该技术在缓沉方面比减沉更有效。     

压密注浆的能量分析方法

为了能够从能量的角度分析压密注浆的力学机理,并给出注浆压力的理论解,将整个注浆过程视为无限土体中的圆孔扩张问题,根据注浆过程中能耗区土体在注浆压力和静止土压力作用下的应力、应变和体变关系以及注浆扩孔过程中的能量和体变守恒原理,推导出压密注浆极限注浆压力的理论解答。计算和分析表明,理论解的计算结果与工程实际比较吻合,而且球形扩孔的注浆压力比柱形扩孔的注浆压力要小得多,初步证实了理论解的可靠性。     

砾石土层中注浆扩散参数的研究

采用注浆模拟试验与数值分析等研究方法,探讨了砾石土层中注浆的注浆量、浆液扩散半径及注浆形成的结石体抗压强度等参数预测计算模型,并设计试验对其进行了验证。试验结果表明,砾石土层中注浆的注浆量、浆液扩散半径及结石体的抗压强度等参数预测计算模型计算的注浆量、浆液扩散半径与注浆结石体抗压强度的理论值与试验实测值间虽分别有10%、5%、10%左右的差异,但均相差不大,因此,可用来预测砾石土层实际注浆工程中的注浆量、浆液扩散半径及注浆形成的结石体的抗压强度等参数。研究成果不仅可为砾石土层实际注浆工程实践提供理论支撑,还可为砾石土诱发的滑坡、泥石流等灾害的防灾减灾提供技术参考。     

影响覆岩离层注浆减沉效果的地质因素

煤层开采后,采空区上覆岩层内产生离层现象,注浆充填离层可以减小地面沉陷。覆岩离层注浆减沉效果受离层带地层条件、离层围岩透水性和工程地质特性的影响,表现为离层的形成、宜于注浆的离层带的位置、注浆液的保存与支承力的维持。      

地铁盾构隧道施工同步注浆参数控制

盾构是城市地铁最为有效的施工手段,在施工掘进参数设置合理的情况下,其关键技术之一是掘进过程中的同步注浆,通过设置合理的同步注浆参数,可以有效降低对地表周边环境的影响。通过定量分析同步注浆注浆量和注浆压力,提高盾构施工参数控制水平,所得的结论可以应用于依托工程,并可为其他相关工程提供参考。     

浅埋煤层关键隔水层隔水性能及采动影响变化

陕北浅埋煤层开采引起了一系列的生态环境问题,保水采煤成为陕北乃至整个西北地区煤炭资源科学开采的关键。以神南矿区为例,研究了黄土、红土隔水层的隔水性及采煤对其隔水性的影响。神南矿区砂土基型煤层的保水开采的关键隔水层为上覆粘土层,室内、外试验显示：粘土层失稳后流量猛增形成裂隙流,不利于保水采煤;黄土受地面张裂隙发育的剪切作用处于破碎状态,采动后渗透系数表现为数个数量级的变化;红土处于整体下沉带,受附加应力影响表现出较大的塑性变形,采动后渗透性减小,有利于保水采煤。为实现保水采煤,保证粘土层整体不失稳,宜采用回填采空区技术对地面沉降以及土体围压进行控制,当地面沉降量减小时黄土层可保持不失稳,当侧限应力存在时粘土层的稳定性亦可以保持。     

矿区地面塌陷控制技术研究现状与发展方向

煤矿开采引起的地面塌陷问题由来已久,属于一种人为的灾害现象,给矿区工农业生产、人民生活、环境卫生乃至经济发展及生态平衡等方面带来严重的不良影响.文章从可持续发展战略角度分析了采煤塌陷的危害与控制意义,论述了塌陷控制的研究现状及其在防灾减灾研究领域中的地位与作用,提出了建立以覆岩离层充填减沉技术为核心的综合技术系统是控制采煤塌陷的发展方向.     

The effect of clay dehydration on land subsidence in the Yun-Lin coastal area, Taiwan

 The smectite dehydration theory developed by Ransom and Helgeson was applied for simulation of land subsidence in the Yun-Lin coastal area, Taiwan. The volumetric reduction of smectite clay at equilibrium state was computed by assuming that the dehydration of interlayer water in smectite clay can be described with a regular solid solution reaction. By using the in situ stratigraphic data collected from the subsidence monitoring wells in the simulated area, the amounts of land subsidence caused by smectite dehydration in three scenarios with pressure variation were calculated. The results indicate that significant amounts of land subsidence can be attributed to smectite dehydration. This finding reveals that smectite dehydration is of importance for assessment and prediction of land subsidence. Additionally, the results also indicate the overburden weight has a larger effect on clay dehydration than the effective stress change resulting from over-pumping, although both of them induce relatively minor variations on land subsidence. Received: 23 February 2000 · Accepted: 23 March 2000     

Viscous, cohesive, non-Newtonian, depositing, radial slurry flow

Mining induced subsidence can significantly affect mining costs where major surface facilities and natural environment need to be protected. Overburden grout injection is a technology used to control coal mine subsidence by injecting the mine waste material extracted from the coal back into the inter-burden rock during longwall mining. The flowing slurry is here categorised as a nonlinear viscous cohesive (Bingham plastic) fluid. During longwall mining the grout slurry is pumped into the separated beds of the rock mass through a central vertical borehole, which is drilled deep into the inter-burden rock strata above the coal seam. However, a blockage can occur in the injection system when the slurry velocity falls below a certain critical threshold velocity, indicating a material phase change from cohesive-viscous to cohesive-frictional. In situ field injection tests through boreholes have been simulated at a smaller scale at the CSIRO laboratory in Brisbane by pumping the slurry through a radial disk (gap = 4 mm) from its centre. Laboratory experiments indicate a general, nonlinear, cohesive, viscous, frictional model for shear behaviour of the slurry, in which the material shear parameters are functions of the disk radial distance. Complete dimensional and dimensionless analytical solutions have been developed based on an approach related to Bingham–Herschel–Bulkley fluid mechanics. The derived formulae include relations for minimum pump pressure, local pressure and pressure gradient, wall shear stress, volume rate, velocity and velocity gradient. The theoretical results match the experimental measurements. The experiments covered slurries with maximum particle sizes of 0.5 to 2 mm with about 50% being larger than 100 µm. The viscosities at the various solids concentrations were measured with a standard torsion viscometer. This study differs from the previous research in several distinct aspects, namely, consideration of the variable shear parameters rather than fixed values, inclusion of total nonlinear behaviour, and implementation of a friction function to mimic behaviour of the deposited and consolidating stiff slurry, which can cause a significant pressure rise as a result of the increased shear resistance.     

衡水地面沉降区黏性土体渗透特征研究

弱透水层或(和)弱透水性夹层中低渗透性黏土体的存在是地面沉降赖以形成的物质基础,其渗透特征是影响地面沉降评价、模拟与预测的最基本参数之一。本文以华北平原衡水沉降中心区的钻孔黏性土样为对象,利用高压三轴渗透试验仪进行了土样的渗透试验。结果表明:黏性土体的渗透系数随土体埋深和渗透压力增加而呈现总体逐渐减小的趋势,在时间上总体表现为开始时迅速减小而后逐渐趋于稳定的特点,但是由于地下水位季节性波动或者地下水大量被抽取,部分地层黏土其渗透系数与总体趋势有所差异。最后文章结合电镜扫描试验及分形技术分析了土体微观结构对其渗透特征的控制作用。     

高煤阶煤储层解吸曲线定量表征及解吸参数研究

为了定量研究煤层气井解吸特征,文章通过煤样解吸实验获取解吸曲线并进行拟合回归得到了煤样解吸曲线定量表征公式。结果表明：煤样解吸曲线可以用来定量表征;解吸体积常数可表征煤样的最大解吸量,解吸时间常数表征解吸气体体积达到最大解吸气体积一半时所用的解吸时间;煤样初始解吸速率等于解吸体积常数与解吸时间常数之比,煤样解吸速率随着解吸体积常数增加而增加,随着解吸时间常数增加而降低。解吸时间常数与吸附时间成线性正相关关系,解吸时间常数越大,煤样解吸速率越小;在工程上可以用解吸体积常数代替解吸气量和残余气量之和;解吸时间常数随气体压力和裂缝指数增加而降低,随镜质组、惰质组含量增加而先增加后降低,与粘土矿物含量关系不明显;解吸体积常数随气体压力、惰质组含量增加而增加,与粘土矿物含量关系不明显,随着镜质组含量增加而降低,随裂缝指数先降低后增加。     

大荷载原煤仓天然地基沉降监测及分析

为了真实反映大荷载原煤仓天然地基沉降变形随上覆荷载的变化特征及规律,确保工程安全,在研究区场地建立了一套沉降监测系统,跟踪测试了建设施工及运营期间荷载作用下原煤仓地基土的沉降变形,并依据实际监测结果,通过"规范方法"及"三维数值分析方法"进行了验证。结果表明:原煤仓地基实际变形满足规范要求的允许值,证明采用第四系湖积砂层作为天然地基方案是可行的;地基土实际沉降主要集中在运营期间,建设及施工阶段所占比例较小（10%~27%）,而规范计算该阶段沉降所占比例在40%以上;在沉降计算及预测过程中考虑基础刚度的影响,所得基底土压力分布及沉降计算结果更符合现场实际。研究结果可为类似工程场地设计、建设及安全施工提供理论依据及参考。      

地下水位下降对采矿覆岩下沉影响探析

地下采煤会导致地表下沉盆地的形成。然而地下水尤其是承压水的流失即水位降低对地表下沉盆地的形成存在不可忽视的影响，而对两者之间的关系及其过程的力学机理是岩移领域亟待研究的课题之一。矿区地下水位降低的主要原因为承压水通过采动裂隙向下渗流、煤层开采前顶板岩溶含水岩层的疏干以及地面人为钻井取水。根据对一具体矿区地下水位下降对地表沉陷影响实测数据的分析得出，在以采煤为主导条件导致地表下沉的过程中，几乎全部的开采沉陷量中均包含有由于含水层释水而造成的沉陷量。通过对上覆岩层力学机理分析，指出水位降低对覆岩移动、地表下沉的影响是由于一定地质条件下可渗水性岩石的物理力学特性、渗水对其它岩石的软化、释水后原冲积层的压密固结以及水渗透过程中的水岩耦合作用等因素综合作用所致。同时，在以上理论的基础上还探讨性地建立了地下水位下降对地表下沉贡献模型，在此模型基础上可以建立2个或2个以上影响因素对地表下沉的贡献模型。最后以框图形式概括了地下水位下降及其对地表下沉影响的综合过程。     

等压扩散下CO2对不同变质程度煤中CH4置换效应的影响

为了研究等压扩散条件下不同变质程度煤中CO₂置换CH₄特征规律,选择无烟煤、瘦煤和气肥煤3种煤样,进行了不同等压扩散压力下的等压扩散置换实验。实验结果表明:随着煤变质程度的增加煤吸附CH₄和CO₂的能力表现出逐渐增强的趋势,且CO₂的吸附量大于CH₄的吸附量;随着实验点扩散压力的增加,CO₂对CH₄的绝对置换量和置换率均随之增加,CO₂对CH₄的注置比却随之降低。在实验煤样变质程度范围内,CH₄置换率与煤变质程度和CO₂注置比均呈负相关关系。研究成果对井下注CO₂置换煤层CH₄的工程技术和理论具有指导意义。