无人机遥感与卫星遥感在采煤地表裂缝识别中的对比

采煤诱发地表裂缝是地面塌陷最直观的表现形式之一,也是造成煤矿区环境恶化的主要因素。准确掌握地表裂缝的展布规律是煤矿区地面塌陷治理的基础。以宁夏金凤煤矿011805工作面为研究对象,对比分析卫星遥感影像与无人机遥感影像在地表裂缝调查、解译识别中的优缺点,总结工作面地表裂缝发育规律。研究表明,无人机航拍影像中裂缝整体视觉清晰,可充分反映出宽度大于5cm的地表裂缝的形态、长度、位置等发育特征,且解译出的地表裂缝发育规律更接近实际;无人机遥感不仅提高了煤矿区地表裂缝调查的精度和可靠性,也为地表裂缝各项研究提供了丰富的基础数据。     

大冶市还地桥煤矿采空区稳定性评价与防治措施建议

大冶市还地桥区域煤矿开采形成采空区变形及塌陷;造成区内居民房屋出现不同程度开裂变形、地面设施破坏.依据该区煤矿采空区勘查成果,对成因机制及稳定性、发展趋势进行分析评价,判断勘查区内的采空区及地表变形处于残余变形阶段,按今后50年地面累计变形情况计算结果将勘查区采空区划分为不稳定区、基本稳定区和稳定区并提出防治措施建议.     

煤矿采空区地面塌陷预测方法探讨

采空区地面塌陷危险性预测评估虽然具有局限性,但根据煤层埋深、覆岩厚度、工程地质条件等选取经验数据进行先期预测,可以定量地研究煤层开采对环境造成的影响,对合理进行灾害防治具有实际意义。本文以华能新庄、肃北县牛圈子四号煤矿为研究对象,分别运用地表移动和变形预计法与地表移动范围角量参数法,分别对缓倾煤层、倾斜煤层进行采空区地面塌陷的预测,通过对预测结果的综合分析,得出宜采用地表移动角量参数法预测缓倾煤层,采用地表移动和变形预计法预测倾斜煤层,为今后类似煤矿采空区地面塌陷预测提供科学依据。     

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。     

多煤层开采覆岩移动及地表变形规律的相似模拟实验研究

以离石—军渡高速公路下伏康家沟煤矿采矿地质条件为原型,采用相似材料模拟实验方法,对多煤层开采引起的覆岩移动及地表变形规律进行了研究。相似模拟实验结果表明:多煤层开采条件下,随着煤层累计采厚的增加,采空区"三带"覆岩下沉量和采空区地表沉降量、地表倾斜变形、地表水平位移及地表曲率变形都呈增大趋势,采空区上覆岩体更加破碎,地表变形更加强烈。研究成果可为高速公路下伏多煤层采空区的治理设计提供依据。     

山西经坊煤矿采空塌陷形成机理及防治对策研究

以山西省经坊煤矿采空区塌陷为例,在前人研究的基础上,根据野外地质调查结果,结合钻孔揭露、构造发育、岩石的力学性质、煤层深厚比等对矿区的地面塌陷的形成机制进行了研究。结果表明,该矿三处地面塌陷处的回采工作面直接顶为分层厚度较厚的薄层状砂质泥岩或泥岩夹薄层细粒砂岩,老顶为K8砂岩,抗压强度大,采空区形成后,地面变形强烈,从而形成地面塌陷;构造的发育会促进地层变形加快,增大变形范围,扩大地表塌陷区域,井田内3处采空塌陷附近均有断层及(或)陷落柱发育。并结合矿区实际,提出地面塌陷的预防和治理措施,对煤矿的可持续发展有一定的现实意义。     

无人机遥感技术在采煤地面塌陷监测中的应用

为研究无人机遥感技术在采煤地面塌陷监测中的应用,以宁东煤炭基地金凤煤矿011805综采工作面为例,探讨了利用无人机遥感技术进行地表裂缝解译、地面沉降量计算和地面塌陷规律研究的方法。结果表明:无人机飞行航高可根据需要识别的地表裂缝宽度确定,地形平坦地区识别2 cm地表裂缝的飞行航高一般应不超过143 m;地表裂缝宜于采用基于光谱、延长度和紧密度规则的面向对象的信息提取方法进行自动识别,在采用这种方法发现地表塌陷裂缝时宜采用基于边缘检测的图像分割模型和基于Full Lambda Schedule的图像融合模型;对无人机遥感地表高程值进行拟合校正可近似获得采煤工作面地表下沉量和下沉系数,说明无人机遥感技术可应用于采煤地面沉降量监测;综采工作面内地表裂缝数量多,总体垂直回采方向排列,切眼和顺槽附近地表裂缝数量少,总体平行顺槽和切眼展布。      

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。      

宁夏羊场湾煤矿浅埋煤层开采地面塌陷发育规律及形成机理

以宁夏羊场湾煤矿Y110207工作面为研究对象,采用无人机遥感技术、野外调查与有限差分软件模拟方法研究浅埋煤层开采的地面塌陷类型、发育规律及其形成机理。(1)浅埋煤层开采地面塌陷以地表裂缝发育为主,地表破坏严重。(2)平行切眼裂缝间隔性出现,展布于整个工作面内,间隔距离为10～120m,局部裂缝形成错台高度约为15cm。平行顺槽裂缝为拉张型裂缝,发育在顺槽至外围一定范围。(3)采煤活动导致地下形成采空区,上覆岩层发生移动破坏,破坏区分为剪切破坏区、拉张破坏区及剪-拉破坏区,分别对压应力区、拉应力区和压-拉转化区。(4)当应力扰动传递至地表,应力值超过覆盖层抗拉强度时地表产生裂缝。随着工作面推进,覆岩内部裂缝带上行裂缝与地表下行裂缝贯通,形成错台。研究成果丰富了该区浅埋煤层的地面塌陷理论知识,为地面塌陷防治提供了理论依据。     

基于InSAR监测数据的石膏矿采空塌陷特征分析——以邳州平台矿和希州矿为例

石膏是一种重要的矿产资源,但石膏矿的大量开采会产生严重的采空塌陷隐患。目前关于石膏矿采空塌陷的研究多集中于采空区矿柱和护顶层的稳定性等方面,有关矿区采空塌陷地表变形及监测预报方面的研究甚少,也缺乏有效的研究方法。针对石膏矿开采后地面变形特征及塌陷特征研究,通过对矿区InSAR监测数据进行地表变形分析,确定了采空塌陷前的地表变形特征。根据邳州平台矿和希州矿2007—2018年InSAR监测数据进行计算分析,可以看出地面塌陷前,地表存在早期缓慢变形,可根据变形量及范围判断塌陷类型及范围。对InSAR监测数据的计算和分析可为矿区地面塌陷地质灾害的监测、预报及防治提供数据资料与科学依据。     

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。     

高位定向长钻孔技术在桃园矿采空区瓦斯治理应用

针对工作面回采后采空区瓦斯易超限问题,采用螺杆马达结合随钻测量技术的定向钻进工艺,在桃园矿1029工作面施工了3个长距离煤层顶板大直径定向钻孔,最大孔深531 m,累计进尺1701 m（含分支孔）,通过精准控制钻孔轨迹,使钻孔沿煤层顶板裂隙带延伸,有效抽采煤层回采后采空区内瓦斯,总结了一套适用于采空区瓦斯治理的高位顶板长钻孔施工方法,保障了煤矿安全高效生产。     

深井孤岛工作面巷道围岩采动应力分区演化特征

针对深井孤岛工作面煤巷大变形问题,采用现场实测手段研究了回采过程中巷道和采空区应力动态演化规律以及巷道围岩变形破坏演化特征。研究结果表明：深井孤岛工作面巷道围岩应力演化与变形破坏具有显著的阶段性特征,工作面前方大于250 m范围,巷道围岩未受采动影响,围岩应力变化较小且变形主要集中在底板与煤柱肩窝;工作面前方100～250 m支护结构受力增大,巷道浅部围岩破碎,顶底板移近及煤柱内挤变形突出,巷道出现明显的非对称变形破坏;工作面前方100 m为强烈采动影响阶段,尤其是在工作面前方20～22 m围岩垂直应力与空间主应力变化比较剧烈,顶底板移近与两帮内挤变形更加突出,巷道围岩表现出明显的大变形破坏特征。根据采空区应力分区特征分析了顶板覆岩结构的动态演化过程。结合应力与变形破坏演化特征,提出了巷道支护对策,以期为深井巷道围岩控制提供一定指导。     

沿空留巷采煤对底板扰动破坏深度影响

以韩城矿区桑树坪煤矿下组煤3105工作面开采实际情况为背景,采用现场声波测试和数值模拟方法,对沿空留巷开采条件下煤层底板扰动破坏规律进行了研究。声波测试成果表明工作面底板扰动破坏深度为13.2~14.6 m,数值模拟成果显示工作面底板破坏深度为13.0~14.5 m,两种方法结果较为一致。通过与正常开采条件下底板破坏深度进行对比,结果表明,采用无煤柱式的沿空留巷开采技术不会对底板破坏深度造成较大影响。研究成果为国内底板带压工作面采用沿空留巷技术开采过程中底板扰动破坏规律的确定提供依据。      

极软中厚煤层越界开采区老空水害防治技术

小煤窑越界开采是我国煤炭行业极为普遍的现象。由于越界开采范围、积水量等条件不明,老空水严重威胁着毗邻大型煤矿的安全采掘工作。为快速准确地探查小煤窑越界开采边界并预防老空水的威胁,运用地面定向钻孔轨迹可控、定位精确的特点,提出了以极软中厚煤层精准钻进、不同岩性钻井液配比和采空区井漏预防与封堵为主的极软中厚煤层中地面顺层孔长距离钻进技术,并提出了越界开采区老空水害防治流程。以华北型煤田某煤矿Ⅲ63采区右翼为研究区,应用越界开采区老空水害防治技术体系,通过工程示范准确查明了越界开采边界与越界开采方向,为合理留设矿界防隔水煤柱提供依据。该方法的成功应用为同类矿井的老空水害防治提供了科学的技术,并且为地面顺层孔在探查越界开采边界与极软煤层抽取瓦斯等领域中的应用提供宝贵经验。      

Research on reasonable coal pillar width of roadway driven along goaf in deep mine

Driving roadway along a goaf is commonly adopted for mining face of thick seam in a deep mine. Determining a reasonable width of coal pillar is a key scientific problem for driving roadway along a goaf in a deep mine. The paper took a roadway driven along a goaf at Zhaolou coal mine which is a typical kilometer-deep mine in China as engineering background. Field monitoring, model test, and numerical experiment are conducted. Stress and displacement evolution mechanism are analyzed with different pillar widths. The test results show that with the increase of coal pillar width, the peak stress value at the coal pillar working slope and integrated coal beside the roadway increases firstly and then tends to be stable, its position is transferred to the side of the roadway, and the deformation of coal pillar decreases gradually during roadway excavation. The coal pillar deformation and roadway vertical displacement increased as the coal pillar width increases under high abutment pressure. In order to reduce the waste of non-renewable resources and meet the requirements of bearing capacity and stability of coal pillars, a method is proposed for setting a reasonable width of coal pillars and the specific width of coal pillars is designed and applied in engineering practices based on the above research. All the tests are significant in the study of driving roadway along a goaf in a deep mine.     

蒙陕接壤区深埋煤层开发过程中矿井涌水量变化特征

蒙陕接壤区侏罗系深埋煤层开采过程中,掌握不同阶段矿井涌水量变化规律,是保障煤矿安全的关键。从含水层发育特征、巷道掘进进尺、采空区半径等方面开展了相关研究,结果表明:蒙陕接壤区煤层顶板导水裂缝带范围内的3层复合含水层,富水性差异较大,分别对巷道掘进阶段和工作面回采阶段涌水量影响较大。煤矿建井阶段,矿井涌水量随着巷道掘进进尺增加而增加,但单位进尺涌水量变化不大,平均涌水量为0.008 32 m3/（h·m）。工作面回采前将钻孔水量降至5.0 m3/h以下,水压降至1.0 MPa左右,实现了顶板含水层静储量充分疏放目标。首采面和接续面回采阶段,矿井涌水量呈"阶梯式"平稳增加,矿井涌水量与采空区半径呈线性正相关关系。通过对侏罗系深埋煤层开采过程中矿井涌水量变化规律和影响因素的研究,可以为其他矿井建设和工作面回采提供安全保障和科学依据。      

Development law of air leakage fractures in shallow coal seams: a case study in the Shendong Coalfield of China

Continuous air leakage from ground mining-induced cracks is a significant cause of coal spontaneous combustion, low oxygen at the working face and other disasters in shallow coal seams. This paper studies mining-induced cracks and air leakage caused by the repeated mining of shallow coal seams at the Bulianta coal mine, Shendong Coalfield, China. A similar simulation experiment was carried out in the laboratory, and then the ground mining-induced cracks were observed and the crack air leakage was detected. The results showed that the surface air flowed into the composite goaf before the fractures redeveloped to the surface during the process of lower coal seam mining. Due to the different development processes of vertical fractures in various regions, the width of the vertical fractures in the boundary area of the overlying goaf increases significantly after the repeated mining of coal seams, while the vertical fractures in the central area of the overlying goaf experience almost no change. The distribution of the surface air leakage cracks is in the shape of “回”. Graben-type cracks and half-graben-type cracks are surface air leakage cracks, which are the focus of surface air leakage problems, especially the half-graben-type cracks. The results are important in engineering for reducing air leakage from surface mining-induced cracks.     

基于InSAR三维分解技术的贵州省贞丰某煤矿地下采空区反演

贵州是我国主要煤炭产地之一, 成本与地方条件的限制使贵州贞丰县山区出现大量的非法小煤窑, 其大多开采一年、半年便废弃煤矿, 调查其地下开采范围对矿区生态修复、土地资源再利用、煤矿越界开采监测等有一定意义。本文利用升、降轨观测共16期3 m空间分辨率的L波段PALSAR-2影像为数据源, 在贵州省贞丰县采用InSAR技术对煤矿采空区开展了短期动态地表沉降监测, 结合研究区地质条件、地下开采条件、开采时间、范围等信息, 计算了该地区煤矿开采沉陷影响角的规律与变形时间滞后关系; 而后利用上述参数及地表变形信息, 在其附近一处废弃煤矿, 对其地下采空范围及开采时间进行反演:(1)研究区煤炭开采走向影响角为83°、上山影响角75°、下山影响角80°, 地表变形时间与地下开采时间差约1个月; (2)计算反演出研究区废弃煤矿地下开采范围为380 m×150 m; (3)在反演煤矿采区, 对比FLAC3D数值模拟计算结果和野外现场调查, 验证了InSAR计算结果基本准确, 验证了此方法对煤矿采区反演的合理性与可靠性。     

浅埋煤层开采地面塌陷裂缝规律及防治方法

陕北浅埋煤层大规模、高强度开采诱发了严重的地面塌陷,造成大面积土地损毁、水土流失和植被死亡,导致表生环境出现退化。为掌握浅埋煤层开采地面塌陷裂缝发育规律,明晰其机理,提出适宜的治理恢复措施,实现“煤?水?生态”的协调发展,以陕北张家峁井田和柠条塔井田为研究区,采用实地调查、模拟实验和理论分析相结合的方法开展了浅埋煤层开采地面塌陷规律及防治方法研究。结果表明:浅埋煤层开采地表裂缝呈“O”型展布,静态发育特征与采高和地形地貌呈正相关关系、与采深呈负相关关系,且同一工作面切眼附近地表裂缝发育程度最高、巷道次之、面内最低;地表裂缝具有“先开后(半)合”和“只开不合”2种活动特征,整体活动时间为4~9 d,活动期间裂缝初始开裂宽度与最大发育宽度呈线性正相关关系,与稳定宽度呈线性和指数2种正相关关系;黄土沟壑区下坡段开采地表裂缝活动与表土块体的稳定性系数有关,而稳定系数与坡角呈负相关的一次幂函数,与主裂缝间距呈正相关的一次幂函数。上坡段开采坡体裂缝“先开后(半)合”活动受岩块倒转和坡体滑移双重控制,面内沟底裂缝“先开后合”的活动特征受关键岩层运移控制。研究提出了黄土沟壑区沟底贯通型裂缝“裂缝填充+沟道恢复”、坡体裂缝 “裂缝充填+微地形改造”的治理方法和风沙滩地塌陷区的“三圈”修复模式。研究成果在陕北安山煤矿和柠条塔煤矿进行了应用,效果良好。