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。      

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。     

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。     

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。      

薄基岩条带开采覆岩与地表移动数值模拟研究

通过数值模拟模型，分析了薄基岩条件下条带开采引起的覆岩破坏机理、地表的下沉和水平变形等移动变形值，揭示了薄基岩条带综放开采引起的上覆岩土层的应力场、位移场及地表的移动变形规律，为薄基岩条件下条带开采覆岩与地表移动变形的工程地质机理的研究奠定了基础。     

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。     

煤矿开采沉陷区地表岩层移动对公路的影响

为了提高煤炭资源的回采率,合理开采国家一级公路(G301线)下压覆的煤炭资源,确保开采过程中公路的安全运行,在工作面开采至公路下方时,采取避让方法,降低对其破坏程度。在其公路沉陷范围内布设"三下采煤"地表岩层移动观测站,进行动态观测,及时确定地表公路沉降速率,进行准确维护和保养,确保了公路的安全通行使用。结果表明:将盘区设计成两翼开采,且将工作面布设成横、纵向回采,并在公路下方留设三角形块段保安煤柱,以减少地表移动盆地的沉降系数;工作面通过公路下时,降低工作面回采高度,即一次性开采高度约为4.2m,不再进行二次放顶煤,是行之有效的技术措施。     

采空塌陷区地表裂缝发育规律分析

为研究开采沉陷覆岩移动地表裂缝的发育状况,论文基于沉陷盆地主断面移动变形特征,将地表移动变形影响区划分为拉伸区、压缩区和先拉伸后压缩区,并分析了各区的裂缝发育特征;先拉伸后压缩区合理解释了裂缝的自修复现象;运用下沉曲线计算模型借助于数学计算软件,计算了沉陷盆地主断面下沉曲线的长度,提出了基于下沉曲线长度计算判断采动拉伸区裂缝发育的方法;从理论上推断了一定条件下压缩区地表可产生挤压凸起,结合工程实例,分析了地表裂缝的发育特征。     

巨厚松散层下开采地表损害机理研究

在巨厚松散层综放开采条件下,地表移动变形呈现自身的特点和变形规律。基于赵家寨煤矿地质采矿条件,描述了巨厚松散层下地表出现的周期性裂缝、台阶、塌陷坑等非连续变形的破坏特征。分析了地表出现非连续变形的破坏机理。借助数值模拟分析的手段,探讨了不同松散层开采条件覆岩应力集中区域、应力释放区域、应力集中系数的变化规律。结果表明,在巨厚松散层开采条件下,应力变化与松散层性质是造成地表出现非连续变形的主要因素,从而为厚松散层下"三下"采煤提供了参考。     

厚松散含水层下固体充填采煤岩层移动控制与实践

为了避免近厚松散含水层下煤层开采地下水溃入工作面,对五沟煤矿CT101工作面采用固体充填采煤技术,通过FLAC~(3D)数值模拟软件分析了固体充填采煤地表下沉、岩层移动、支承压力分布和覆岩破坏高度特征,在此基础上,揭示了固体充填采煤岩层变形破坏过程。研究结果表明,固体充填能大幅度减小岩层和地表的移动变形,降低工作面周围支承压力和导水裂缝带高度;固体充填采煤上覆岩层移动变形分为未充填采煤、固体充填体填入和充填采煤推进3个阶段,充填前顶板弯曲变形产生微小断裂,充填后固体充填体支撑了悬露的顶板,限制了顶板进一步断裂。最后通过现场工程实践,得出CT101工作面充填综采工作面的岩层移动控制效果良好,导水裂缝带高度仅为9. 58 m,实现了厚松散含水层下煤层的安全开采。     

浅埋近水平煤层采动岩移与塌陷机理研究

以神府矿区大柳塔煤矿1203综采工作面为例，建立了覆岩移动的有限元地质模型，探讨了浅埋近水平煤层采动条件下的岩移和塌陷的岩体应力位移变化，为合理设计开采方案、减少塌陷范围、保护生态环境提供科学依据。     

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。     

基于四旋翼无人机的宁夏羊场湾煤矿采煤沉陷量监测

小型无人机遥感技术具有成本低、操作灵活便利等优点,在地质调查中的作用愈来愈重要。采煤地表沉陷量变形监测是掌控采煤地表岩移变形规律和治理塌陷的关键性工作。重点探索四旋翼无人机遥感技术监测在羊场湾煤矿Y120212工作面采煤沉陷量的监测研究,通过野外踏勘与控制点布设、无人机航线规划与执行、4D产品制作的工作程序和监测方法,探索无人机遥感技术监测在矿山地质塌陷监测的应用。研究结果表明,通过对无人机遥感技术生成的DSM处理,经过多期地面高程的对比,得到Y120212工作面最大沉陷量达6.5m。结合分析、对比,无人机遥感技术可以实现采煤塌陷区地表沉陷变形监测,进而形成和发展了煤矿地面塌陷新的监测技术。     

基于Weibull时间序列函数的动态沉陷曲线模型

研究开采沉陷灾害发生及发展的动态过程具有重要的理论意义和工程应用价值。因采场上覆岩层及采矿过程的复杂性,全面研究采矿过程中上覆岩层的移动及地表的沉陷具有很大的难度,以研究地表沉陷区观测点下沉变化过程的时间序列为切入点,对开采沉陷的动态过程进行了研究。通过研究地表沉陷区观测点下沉量的时间序列发现,Weibull（韦布尔）函数可较准确地拟合和描述地表观测点的下沉过程曲线。煤层开采地表移动过程的FLAC3D模拟研究发现,同一沉陷区内各观测点的下沉过程在时间和空间上具有独立性。在该基础上,将概率积分沉陷曲线模型与Weibull时间序列函数相结合,给出沉陷区主剖面的动态下沉、倾斜和曲率曲线的唯象学模型,经实例证明建模思路是可行的。     

打通一煤矿西区开采对地表影响程度研究

从分析矿井西区的地形地貌、地质构造、地层、水文地质条件和开采技术条件入手,对W2701工作面开采后的地表裂缝、地表水体和地面塌陷进行了调查,推算煤层开采后的冒落带和裂隙带的高度分别为40．90m和140．22m,而该区煤层埋深为450-600m,说明在正常开采下,不会对地表产生影响。但随着开采强度的增大,煤系地层上覆岩层中一些未探明隐伏裂隙的存在,可能会间接影响到地表。据此提出了设立岩移观测站、建立预警系统、留设安全煤柱等预防措施。     

ANSYS在煤矿开采数值模拟中应用研究

以典型矿井山东华丰矿、阜新五龙矿和北京大台井为例,利用ANSYS有限元软件,对煤矿开采引起的地表沉陷、冲击地压危险区域确定和俯伪斜采煤法参数优化进行了数值模拟分析.分别针对所处的地质条件和赋煤状况,建立了二维或三维有限元模型,模拟计算了地表沉陷曲线和最大沉陷位置,指出山东华丰矿随开采推进沉陷位移和影响范围将逐渐扩大,最大沉陷位移逐步向开采方向前移的规律,当开采800 m时出现最大下沉速度3.5 mm/d,最大沉陷位移为3.7 m.五龙矿311面当开采100m和400 m时分别由于火成岩墙和应力集中区贯通导致顶板易断裂而极易发生冲击地压事故;大台井俯伪斜采煤法煤层倾角只有在60°～67° 时,推采距离才对煤层顶板法向最大压应力具有明显影响,且顶底板法向最大位移规律为上部位移大于中部位移,西中部位移又大于下部位移,在煤层倾角70°时,工作面超前支撑压力作用范围最小为30 m,而下巷道支撑压力作用范围最大为25 m,巷道数为3时,顶板下巷道超前支撑压力峰值位置为5.3 m.ANSYS计算结果表明,该数值模拟是合理的,与实际情况基本吻合,说明ANSYS在煤矿开采领域是一种有效的数值模拟工具.     

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。     

高潜水位采煤沉陷区积水范围动态演化规律

为了研究高潜水位采煤沉陷区积水范围动态演化规律，以安徽淮北五沟煤矿1031工作面为研究区域，基于Landsat-8遥感数据解译结果，总结了2013-2017年1031工作面上方地表积水范围演化规律，分析净降水量、地下水埋深、工作面推进距离等因素对积水范围演化的影响，并提出积水边界角的概念，建立了积水边界角随采动时间变化的函数关系式。研究发现:高潜水位采煤沉陷区地表积水演化分为4个阶段:未形成期、同步增长期、残余增长期、相对稳定期；在同步增长期和残余增长期，工作面推进距离、净降水量与积水面积日增长量呈正相关，地下水埋深与积水面积日增长量呈负相关；工作面推进距离是积水范围演化的关键影响因素，在工作面推进距离为476 m左右时，地表产生积水，工作面停采后5个月左右，积水面积趋于稳定；积水边界角先呈减小趋势，再趋于稳定，在同步增长期和残余增长期，积水边界角总体呈减小趋势，但受气象、地下水埋深等因素影响而波动；相对稳定期，积水边界角整体趋于90°。本研究为高潜水位采煤沉陷积水区土地利用规划、土地复垦、水陆复合生态系统建立等提供理论依据。      

Study on Distribution Characteristics of Mining Stress and Elastic Energy Under Hard and Thick Igneous Rocks

In the coal measure strata, igneous rocks are often invaded, and their occurrence, size, and distribution form play an important role in mining safety. The breakage of hard and thick igneous rocks easily induces dynamic disasters, such as rock burst, mine seismicity, gas outburst, and surface subsidence, which seriously threaten mine safety production. In view of the working face with overlying hard and thick igneous rocks, the evolution characteristics of mining stress and energy distribution under hard and thick igneous rocks were investigated. Furthermore, the influence law of different horizons and thicknesses of igneous rock on overlying strata movement law, stress distribution, and energy distribution was analyzed based on FLAC3D numerical simulation. Results show that no evident subsidence of the overlying strata exists before the igneous rock is broken. Additionally, the subsidence amount of the overburden is suddenly increased after the igneous rock is broken, thereby showing significant mutability. Before the igneous rock breaks, a high stress area is formed around the goaf, and the stress concentration gradually increases with the increase of the mining scope. After the igneous rock breaks, the coal under high stress is prone to induce dynamic disasters under the action of strong dynamic load. However, the advanced abutment pressure and stored energy rapidly decreased. The accuracy of the numerical simulation is verified by field monitoring. Results of the study are of considerable significance for safe mining of working face under similar geological conditions.