极不充分采动条件下地表下沉规律及计算方法研究

随着煤矿开采的不断加深,地表呆动程度(开采宽度D与开采深度H之比DIH)不断降低,并逐渐趋向于极不充分采动,同样长度的工作面对地表的影响程度极不同于浅部开采。因此,需要重新认识深部开采时的地表下沉规律。极不充分采动条件下地表下沉规律具有特殊性。经过对国内外大量观测资料的综合分析,发现当开采宽度小于地表下沉起动距时(极不充分采动),地表的下沉或地表下沉率(q′／q)为零。当开采宽度达到地表移动起动距时,地表下沉缓慢增长;达到临界采动距时,地表下沉急剧增大。地表下沉率(q′／q)与开采宽、深比D／H之间为负指数函数关系。在极不充分采动条件下进行地表下沉预计时必须对概率积分法的下沉系数进行修正。算例证明了本文给出计算方法的可行性。但这种修正方法如何与概率积分法相统一仍需进一步研究。     

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。      

深部开采地表沉陷规律模拟研究

通过对煤矿深部开采沉陷的结构力学模型研究,提出了盆地水平煤层地表沉陷的理论预测模型,给出了整体和分步两种近似计算方法。在变动煤层开采深度和工作面长度的条件下,采用数值模拟方法对相关的数据进行了拟合计算对比,并基于现场沉陷观测数据对模型进行了验证。新模型方法结合力学模型计算得出开采沉陷预计参数,可以针对上覆岩层的力学参数对所得预测数据给出合理的力学解释,摆脱了经典预计模型概率积分法只依靠统计方法预测结果的缺陷,可为深部安全开采和地表沉陷的预测与控制,提供可靠的科学依据     

巨厚覆岩下矿产重复开采地表沉陷预测及其控制

基于矿区实际勘探资料,建立矿层单独开采与重复开采模型,利用FLAC3D数值软件分别模拟两种采动条件下地表的沉陷特征。模拟结果表明:(1)矿层埋深深且采厚大时,随着采动程度的增加,地表下沉具有缓慢的特点;(2)复合矿层开采时,地表水平移动形态直接是关于采空区中央呈反对称,地表下沉量较单独开采时大。研究成果提供一种矿区地表沉陷预测的方法,并提出系统的治理控制方法,从而降低采矿引起的地表沉陷的损害。     

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。      

基于关键层理论的地表下沉盆地模型初探

目前,开采沉陷的研究主要是现场观测和以概率积分法为代表的开采沉陷预测。这些方法仅是对地表沉陷稳定后的现象进行观测和推断,不涉及对采场上覆岩层整体移动规律的研究。因长壁式布置工作面开采煤层的深厚比较大时,采场上覆岩层在靠近地表处会形成明显的弯曲带。在假设此弯曲带是控制地表沉陷及沉陷盆地最终形态的离地表最近一层主关键层且地表的下沉量远远小于该岩层厚度的基础上,用关键层位置的判别方法找出离地表最近一层关键层的位置后,用弹性薄板理论的半逆解法选择了较适合地表沉陷盆地形状的挠度函数,用薄板理论建立了缓倾斜煤层和倾斜煤层开采地表沉陷盆地力学模型,并对该模型的适用范围和参数进行了讨论。该模型考虑了影响地表下沉的多种因素,比概率积分法更具有理论意义。     

岩盐水溶开采沉陷新概率积分三维预测模型研究

开采沉陷的准确预测是减小和杜绝开采沉陷灾难发生的前提，传统概率积分法难以应用于岩盐水溶开采复杂条件下的地表沉陷预测。因此，充分考虑上覆岩层在复杂地质条件下可能表现出来的各向异性、岩盐溶腔的不规则性，建立了新概率积分三维预测模型；并从力学角度，对三维预测模型的参数进行了研究，获得了模型参数与上覆岩层力学参数之间的关系。该模型能够对复杂地质条件和不规则采空区引起的地表沉陷进行较为准确地预测。     

厚松散层下采动系数确定方法

在用传统方法求取采动系数时,往往直接笼统地利用开采深度,而对岩性差异没有做区分对待。在分析传统方法确定采动系数存在问题的基础上,探讨了开采深度中的岩性差异对采动系数的影响程度。从充分开采的临界开采宽度出发,通过理论推导,给出了考虑上覆岩层岩性时走向和倾向采动系数的计算公式,分析了松基比、上覆岩层岩性等地质采矿条件对临界开采宽度和采动系数的影响。并结合具体地表移动观测站资料,分别采用传统方法、考虑松散层岩性时和未考虑松散层岩性三种情况,求取和分析了各开采工作面达到充分采动时走向和倾向临界开采宽度以及采动系数。结果表明:本文中提出的充分采动系数计算方法与采用传统方法得到的采动系数差别较大,相对误差在3.7%~51.7%。当其他影响因素不变时,松基比越大,上覆岩层岩性越软,充分采动系数越大。在厚松散层开采条件下,评定充分采动程度时,应该考虑上覆岩层中松散层的厚度。     

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。     

任意形状工作面沉陷预测的概率积分法及其应用

概率积分法是煤矿开采沉陷预测的重要方法,可适用于缓倾斜、倾斜煤层开采地表移动分布曲线符合正态分布规律的地表移动和变形计算。针对原方法对任意形状工作面存在的不足,在原有走向和倾向概率积分函数的基础上,以走向和倾向为基准划分积分函数区域,在该区域内剖分非结构化的三角形单元作为二重积分的基本单位;通过坐标旋转变换的二重积分换元法,转化为以直线为上、下限的二重积分,计算旋转后的影响半径,对新的二重积分采用复合辛普森数值积分公式,积分得出地表任意点在基本三角形开采单元下的积分下沉值;最后,通过叠加计算完成任意点、任意形状工作面概率积分法的沉陷预测计算。算法在GIS系统下实现,实例应用效果良好,可为“三下”采煤提供地表移动预测计算的支持。     

贵州兴旺煤矿开采地表塌陷预测方法探讨

以贵州六枝特区兴旺煤矿地表塌陷为例,采用概率积分法作为地表移动及变形预测的模式,选取下沉系数、主要影响角、主要影响半径和水平移动系数为地表移动参数,计算得出井田开采后地表最大下沉值为1425．3mm,影响面积约1．85km^2。并比较说明除移动参数外各类煤柱的留设也是其中需要考虑的因素。     

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。     

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.     

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。     

煤层重复采动对水渠稳定性及渗漏性影响评价

为了科学评价煤层重复采动对拟建水渠工程安全性的影响程度,围绕"采煤安全"、"水渠安全运行"这两条主线,在现场调研的基础上,采用理论分析、数值模拟和概率积分法等手段,对重复采动影响下水渠的变形特征进行了分析评价。首先从地层的工程地质结构、水文地质结构、力学结构和开采结构4方面分析了岩土体的结构特征,利用FLAC3D对各煤层开采引发的导水裂隙带发育高度的变化规律进行了模拟分析,同时,根据地表移动和变形预计结果,分析了重复开采引发的地表下沉、倾斜变形及水平变形对水渠坝体的影响。结果表明:多煤层开采后导水裂隙带不会波及到水渠内的地表水,不会影响采煤安全;重复采动会引起水渠不同程度的沉降,堤体地面标高由69.34 m沉降至65.50 m,沉降后的堤体顶面比设计水面降低了1.94 m,过水断面由580 m2减少至196 m2,设计流量将损失66%,对水渠安全运行构成影响。      

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。