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。      

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。     

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。     

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。     

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。      

不同开采条件下采空区地表变形机理的数值模拟研究

通过建立数值模型,模拟不同采深、采宽、采厚及不同开采倾角下采空区地表的变形,通过数值模拟及计算得出各开采条件下地表的下沉曲线及水平移动曲线,进而分析地表变形规律及变形机理,为研究开采引起的地表变形提供一种便捷的方法。     

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。     

开采引起的含水层失水对地表下沉的影响

为了改善矿区开采沉陷预计精度,解释华东矿区地表下沉系数大于1的原因,减小采动损害,本文基于现场钻孔水位动态观测结果,获得了覆岩破坏与含水层水位变化的3种对应关系。根据含水层失水后固相颗粒有效应力增加引起岩土体孔隙比的变化,建立了含水层失水固结沉降机理,利用叠加原理,导出了地下开采与含水层失水共同引起的地面沉降计算方法。研究实例表明,失水下沉占煤层开采下沉的25%。      

高水材料充填技术在减小地表沉降中的应用

高水材料用于采空区充填有着工艺简单、凝结速度快、性能稳定等优点。采用建立地表沉降观测站方式,研究了用高水材料充填采空区后地表沉降变形规律。结果显示,充填后地表的下沉量明显减小。2009年5—12月,充填后地表最大下沉值为165.6 mm,月平均下沉20.7 mm。该方法用于减小开采引起的地表沉降,比传统的充填方法效果明显。      

废弃采空区裂隙带高度预测模型及应用

煤炭开采引起覆岩破断及地表下沉,覆岩及地表运移规律可反映裂隙带高度的动态演化过程。因地表下沉滞后于煤炭开采,对于废弃采空区,长期压实作用导致裂隙带高度较采动期间有所降低。基于地表点下沉速度的阶段特征将裂隙带高度的演化过程分为2个阶段,第1阶段裂隙带发育对应岩层破断逐步向上传递的过程,第2阶段裂隙带高度降低对应离层及裂隙闭合、断裂岩层受压后变形回弹及破碎岩体自然压实的过程。着眼于压实作用对裂隙带高度的影响,根据煤层采厚、垮落带和裂隙带岩层变形量及地表下沉值之间的定量关系,建立了第2阶段裂隙带高度预测模型,并结合太平煤矿实测结果进行验证,采用控制变量法分析了单一因素影响下废弃采空区裂隙带高度的演化特征。结果表明：废弃采空区裂隙带高度受控于垮落带块体强度、垮落带初始碎胀系数、采动期间裂隙带高度最大值及对应的垮落带高度、煤层埋深、地表最终下沉量等因素,太平煤矿采后15 a的裂隙带高度实测值11.36～13.00 m与理论预测值12.75 m吻合度较高,模型的可靠性得到验证。最后,应用此预测模型对武安煤矿（关停矿井）2002－2003年采空区裂隙带高度开展理论计算,结合地空瞬变电磁探测确定了地面瓦斯抽采钻孔理想的终孔位置并成功开展了地面钻孔瓦斯抽采试验。     

彬长矿区采陷裂缝影响因素分析

对彬长矿区地面裂缝进行了详细调查,指出该矿区地面裂缝的主要为开采塌陷引起的采陷裂缝,并对采陷裂缝的发育特征进行了归类。分析认为：采深增大,基岩厚度增大,覆岩的稳定性增强,对地面裂缝的规模控制也增强,60°～70°为塌陷裂缝边界范围圈定的指标值;工作面变宽,采厚变大,会加剧地面裂缝的产生和发展;“上硬下软”的地层结构,有利控制地表移动变形,关键层厚度增大,可以明显减缓地表移动;松散层厚度愈大,抗变形能力愈大的土层,其裂缝愈不发育;V型沟谷对裂缝的形成和发展影响较小,斜坡则对裂缝的发育有加剧作用;降雨对裂缝的发育有明显的加速作用。     

基于层次分析法与频率比模型的采空塌陷危险性评价

采空塌陷危险性评价是编制地质灾害防治规划、开展地质灾害防治与监测预警工作的重要依据。本文采用层次分析法与频率比模型相结合构建了采空塌陷危险性评价模型（AHP-PF组合模型）。以沈阳市蒲河-清水矿区为例,考虑了地质条件、地表特征、开采条件等3方面影响因素,选取了第四纪覆盖类型、第四纪松散层厚度、地质构造复杂程度、可采煤层顶板强度指标、煤层倾角、地表沉陷速率、采深采厚比、采空区叠置层数等8个评价指标,利用AHP-PF组合模型计算各指标权重及频率比,最后进行采空塌陷危险性分区。评价结果表明,采空塌陷危险性高区主要集中在采深采厚比小、沉陷速率大及目前仍在开采的区域,该区域是地质灾害防治、搬迁避让的重点区域。     

黄土沟壑高填方工后12个月沉降变形规律研究

为研究黄土沟壑高填方工后沉降变形规律,选取最大填筑厚度38 m典型黄土沟壑高填方场地,设计立体的沉降监测方案,对工后的地表沉降以及原始地基沉降数据进行采集,分析不同原始路基坡型在工后12个月时间里地表沉降和原始地基沉降发展的规律,取得以下结论:黄土沟壑高填方在不同位置工后沉降的组成不同,填筑体在自重作用下产生的工后沉降与填筑体厚度有直接关系,原始坡形陡的位置工后沉降量较大,并通过拟合得出填筑体自身工后沉降发展曲线,为黄土地区高填方场地的变形规律研究提供参照。      

固体密实充填开采地表沉陷预计模型研究

为了实现对固体密实充填开采地表沉陷进行科学地预计,需要根据其覆岩结构形态演化规律和岩层移动特征建立完备的沉陷预计模型及其参数体系。相似材料模拟和钻孔窥视表明,固体密实充填开采覆岩形态以完整层状结构的弯曲带为主,覆岩仅在近顶板附近发育一定高度的断裂带,不发生垮落现象。岩层移动特征类似纵向载荷作用下层合板的弯曲变形,通过力学简化,基于层合板理论建立了固体密实充填开采地表沉陷预计模型。研究表明,固体密实充填开采地表沉陷形态仍可用概率积分模型进行描述,并进一步探讨了基于“等价釆高”的固体密实充填开采地表沉陷预计模型参数体系。最后将本文建立的地表沉陷预计模型应用于某工程实例,取得了良好的效果。     

油页岩技术可采系数研究与应用

油页岩技术可采系数是将油页岩资源转化为油页岩技术可采资源的关键参数。由于我国油页岩井下开采少,且规模小,无经验借鉴。油页岩开采技术与煤炭开采技术相类似,通过分析油页岩技术可采系数的影响因素,参照煤炭规范中所规定的煤炭地下及露天开采回采率标准,建立了不同条件（开采方式、厚度、倾角和地质类型）、不同资源类型的油页岩技术可采系数的取值标准。油页岩技术可采系数影响因素确定为开采方式（露天开采和地下开采）、厚度（薄层、中厚层和厚层）、倾角（缓倾斜、倾斜和急倾斜）和地质类型（简单、中等和复杂）;不同资源类型（13种）确定技术可采系数时,选取了不同的可信度系数（1.0~0.5）。油页岩露天开采技术可采系数确定为95.0%～42.5%,地下开采油页岩技术可采系数确定为75%～22.5%。并以吉林省汪清罗子沟盆地油页岩资源评价为例进行了具体应用。     

超细尾砂胶结充填体强度计算模型及应用

超细尾砂已成为充填材料的主要来源。为了便于充填料浆配合比设计与强度预测,基于超细料浆微观结构,提出用固体填充率表征充填料浆结构密实程度。选用某矿山超细尾砂进行了63组配合比强度试验。研究结果表明：固体填充率和水灰比与充填体无侧限强度分别呈指数函数和负幂函数关系。采用Pearson理论对试验样本进行相关性分析,结果表明：固体填充率与水灰比相互独立。在此基础上,建立了超细尾砂胶结充填体双变量强度计算模型,模型计算值与试验值的误差在7%以内。进行了超细尾砂胶结体强度随养护时间增长的试验,基于试验数据拟合规律,提出了强度龄期数学模型,建立了三变量强度计算公式。模型能准确预测矿山充填体强度,且能有效指导矿山充填料浆设计。     

靖远矿区采煤沉陷区复垦综合评价方法研究

以靖远矿区为例,从土地复垦和恢复生态学的角度出发,建立了靖远矿区采煤沉陷区复垦综合评价系统,选择土壤条件（土层厚度、土壤质地、有机质含量、土壤水分）、地形改造条件（地面坡度、地表破坏程度、改造难易程度）、气候及水文条件（年降雨量、灌溉条件）作为分类及评价因子对复垦潜力进行评价。将采煤沉陷地分为四种潜力区,对每种潜力类型区的复垦开发利用方向进行了优化设计,从理论上和实践上对靖远矿区采煤沉陷地的复垦能力以及复垦过程中用地结构的优化作了探讨,以期对当地沉陷地的复垦提供一定的科学依据。     

露天与地下联合开采引起岩层移动规律的模型试验研究

非法开采对矿山开采稳定性具有重要影响,以某铁矿为例,进行了二维物理相似模型试验研究,分析得出了在考虑和不考虑非法开采两种情况下的地表变形规律和矿体围岩移动规律。试验结果表明,从-270 m采至-550 m水平期间,地表沉降和围岩变形呈缓慢增加趋势,但当从-550 m水平继续向下开采时,由于矿体倾角变得平缓,地表沉降、深部围岩变形都急剧增加,非法开采会造成矿体上部岩体的应力重分布,虽没有明显增大地表的沉降范围,但增加了开采点附近的地表沉降量,而且大大增大了地表岩层的水平移动。