Prediction of sub-surface subsidence movements due to underground coal mining

Summary The theoretical model of the relationship between sub-surface and surface subsidence movements proposed earlier by the authors of this paper is briefly described and further tested against another case history example. Using this model, the magnitudes of the maximum subsidence, tilt and horizontal strain at sub-surface horizons between the ground surface and seam level are predicted in terms of the magnitudes of the corresponding components at the surface due to the extraction of subcritical panels with a wide range of width-depth ratios and the results presented in the form of nomographs and tables. These graphs and tables could be used to estimate the maximum subsidence, tilt and horizontal strain at any chosen sub-surface horizon associated with the extraction of a subcritical panel from the known corresponding maximum values at the surface.The proposed theoretical model can also be used to predict sub-surface subsidence components at any point within the zone influenced by the extraction of a panel from the corresponding surface subsidence components which may be obtained from field measurements or pre-calculated using any existing method of surface subsidence prediction. As an example, the profiles of surface and sub-surface subsidence at various horizons between the ground surface and the seam level resulting from the extraction of an assumed sub-critical longwall panel are predicted using the theoretical model together with the empirical method of surface subsidence prediction. The pattern of sub-surface subsidence movements in the strata overlying the panel is examined.     

煤层地下开采地表沉陷预测的边值方法

采空区上覆岩、土体对地表沉陷的耦合行为可归结为弹性理论的边值问题,由不同性状松散表土层确定的应力边界和岩、土体之间形成的位移边界构成了相应边值问题的定解条件。在已有研究成果的基础上,提出了地表下沉预测研究的边值提法,以探讨地下开采引起的地表沉陷规律。给出了采空区上覆表土层内任一点的位移和地表下沉的计算公式,确定了地表沉陷的范围,并以神东矿区大柳塔1203工作面开采引发的地表沉陷为例给出了工程实例。研究结果表明,采空区上覆岩体对地表及表土层内任一点下沉的影响取决于上部岩层破断后的结构形态;采空区上覆土体对地表下沉量的作用与土体性质及表土层厚度有关,土体对表土层下沉的影响由下而上增大,呈非线性变化,至地表达最大值;地表沉陷区域随表土层厚度的增加而增大,其影响范围远大于采空区。     

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。     

神府—东胜矿区采煤塌陷对包气带结构的影响

通过对比采煤前和采煤塌陷过程中及稳定后包气带结构的变化,详细研究了神府—东胜矿区采煤塌陷对包气带结构的影响。研究结果表明:在采煤塌陷前,包气带组成岩性主要为风积砂岩和萨拉乌苏组粗砂岩,相对较薄,包气带组成介质层序较清晰,各岩性介质颗粒排列有序、均一,包气带内部结构以孔隙为主;在采煤发生后的塌陷非稳定阶段,塌陷裂隙贯通含水层,使地下水大量渗漏,同时产生大量贯穿地表的裂隙,引起岩土孔隙性发生变化,使得塌陷区包气带变厚,在一定深度上结构不均,浅部包气带结构转化为以裂隙为主;到塌陷稳定阶段,包气带结构变化趋于稳定,厚度增加,但在地表以下仍存在一些断续的裂缝(隙),使塌陷区包气带形成以孔隙为主,间夹断续裂隙的特殊包气带结构。     

Analysis of subsidence caused by underground mining

Summary Some aspects of subsidence caused by longwall coal mining are analysed using the finite element method. Results of the analysis are compared with a true mine panel, where measurements on subsidence were available. Rock deformations in the overburden were modelled by using an elasto-plastic constitutive model. The study indicates that the shape of the subsidence profile can be predicted reasonably well by using nonlinear finite element analysis.     

Fuzzy influence function method for calculating mine subsidence in a horizontal seam

Summary The fuzzy influence function method takes account of the effect of the rock mass around the edges of a panel on the surface subsidence. Unlike conventional influence functions, the shape and value of the fuzzy influence function varies with both the position of points calculated on the surface and the position of elements integrated in the extracted area underground. Consequently, the results obtained by using the fuzzy influence function method can automatically give rise to a shift of the inflection point towards the goaf and asymmetry in shape. The accuracy of the calculation is also improved. Case-history examples of mining subsidence engineering show good agreement between the results from geodesic measurements and those calculated from the fuzzy influence function method. The programs for back-analysis of parameters can approach satisfactory results of optimization.     

On the topography influence on subsidence due to horizontal underground mining using the influence function method

The classical influence function method is widely used in mining subsidence prediction, but its use is typically limited to predicting the subsidence associated with horizontal stratiform underground mining when the ground surface is flat. By investigating the topography influence on subsidence under simplified mining conditions, this study attempts to improve the original influence function method to take topographic variations into account. New asymmetrical influence functions are used to simulate element subsidence. Integrating this asymmetrical approach into the influence function method increases the realism of subsidence computation when compared to the numerical simulation results. The maximum subsidence value and influence angle got from field data are introduced into the improved method, then two field subsidence cases are studied and acceptable comparison results are achieved. This improved method should serve as the foundation for future work.     

开采倾斜近地表矿体地表及围岩变形陷落的模型试验研究

以某铜矿矿山一典型地质剖面为原型,运用物理概化模型试验,采用网格数字摄影测量方法量测模型剖面全场位移,分析了开采倾斜近地表矿体地表及围岩变形陷落随不同开挖步的变化规律。在模型试验中,开挖-75 m～-45 m之间的矿体,围岩扰动范围及地表下沉位移逐渐增大,第7步开挖完成后,采空区上方岩体开始出现离层,第9步开挖完成后,地表1～4测点之间形成一明显沉陷盆地,最大下沉位移达825 mm。模型试验研究的结果与现场及离散元数值计算结果基本吻合。     

大同市区地下水开采与地裂缝形成的关系

大同市地下水开采的有关资料表明,自1981年以来大同市地下水开始超采,致使大同市地下水各降落漏斗已逐渐靠拢或合并,已经形成了一占据大同大半市区的降落漏斗。通过对大同市各地下水取水点超采量的变化、地面沉降的发生时间与相应位置、地裂缝产生的规律、地质构造的区域背景资料的详细对比与分析,说明了地下水严重超采是导致大同市地面沉降与地裂缝产生的直接诱因。     

开采沉陷区埋地管道力学反应分析

开采沉陷引发地表变形,导致埋地管道大范围弯曲变形,对管道安全运行构成严重威胁。采用概率积分法预测沉陷区地表三维变形,考虑管-土间的轴向作用和管材非线性等因素,推导管道物理伸长和几何伸长的变形协调方程,迭代求解管道轴心应力和应变。通过实例分析了开采沉陷区埋地管道的应力-应变分布。结果表明,管道除了发生空间弯曲变形外,管-土间的摩擦力还导致管道产生轴向拉、压变形。解析方法计算结果与有限元方法吻合较好,适于以任意角度穿越沉陷区埋地管道的应力-应变计算。分析了开采参数、管道参数以及回填土性质等对管道的变形和应力影响,提出沉陷区埋地管道最大应力与应变的简化评定公式     

GIS地表塌陷计算的有限棱柱法及三维数据模型

具有强大信息管理和可视化功能的GIS已在地下硐室开挖、矿山采掘、边坡等许多工程领域中得到了广泛应用。笔者给出了一种用于地下开挖变形描述和应力分析的方法——有限棱柱法，并就该方法与GIS集成中的数据模型和数据组织方法进行了探讨，建立了基于GIS的虚拟地质体地下开挖变形描述与评价计算的三维可视化系统，并对多语言集成模式和数据可视化方法进行了探讨。同时还给出了该方法的工程应用实例，对该方法的可靠性和有效性进行了验证。     

西安地裂与地面沉降灾害投影寻踪分析预测

本文应用80年代新兴的投影寻踪技术对西安地裂与地面沉降灾害问题进行了分析预测,其结果对控制这些灾害具有一定的指导意义。     

厚覆盖层矿山地下开采地表塌陷机制分析

随着矿山开采深度的不断增加,厚覆盖层成为部分深部地下矿山的主要特点。以物探调查、变形监测以及理论分析为手段,对某典型厚覆盖层金属矿山地下开采初期地表塌陷的成因与机制进行了分析。结果表明,厚覆盖层中存在的大面积采空区为地表塌陷变形提供了空间,采空区顶板厚度较小为地面塌陷的发展提供了条件,采空区的存在是地表塌陷的主要原因。地表出现塌陷以后,塌陷范围以塌坑为中心继续向外扩展,受覆盖层内采空区走向,断层和岩层分界面等地质缺陷影响,塌坑向西、向南与向北三个方向上的扩展较向东快得多。降雨会增大塌坑向外扩展的速度,因为地表水的下渗加快了塌坑周围岩土体向塌坑方向的移动和下沉。     

地下开采地表下沉预测的三维理论模型

根据弹性力学理论,建立了地表下沉预测分析的三维层状理论模型,并用于小官庄铁矿地下开采引起地表下沉的预测分析。在分析过程中,采用Matlab软件进行数值积分计算和图形绘制。通过工程实例计算分析,表明理论计算结果与矿山现场实测资料二者吻合较好。     

开采沉陷中的抽样定理及其应用

根据数字处理中的数学原理，提出了开采沉陷中的抽样定理。以此为基础，导出了地表移动观测站的合理点间距ｒ·其值为Ｈ（５ｔ），获得了以离散的地表移动观测值或预计值，恢复其连续性的地表移动变形值的计算公式。并以计算实例，给出了其计算方法。     

湖南省谭家山矿区开采地质灾害分析

煤矿开采所产生的地表沉降、开裂、塌陷等地质灾害,造成地表民房不同程度的损坏。为准确分析矿山开采对地表民房的损坏,从矿山开采造成地表沉降影响范围,矿山开采最大冒落高度与导水裂隙带高度,矿山开采引起地表最大水平移动值、最大曲率值、最大倾斜值等因素来研究分析。综合分析认为：引起地表民房损坏的主要原因一是地表民房正处在采动影响范围内;二是开采冒落带与裂隙带高度已经波及至地表,从而引起地表出现沉降与裂缝等现象,引发房屋开裂等损坏现象;三是煤矿采空区所产生的最大曲率值远远大于地表建筑允许变形值。该方法对研究煤矿开采造成地表民房损坏成因分析具有一定指导意义。     

地震液化条件下地面的大变形三维数值分析

地基液化条件下地面大变形是造成工程结构破坏的主要原因之一。考虑地形、地震、土层、地下水等影响因素,针对典型的岸坡场地3层土地基模型,利用有限差分法FLAC3D,对可液化场地在地震作用下发生地面大变形的过程进行了数值模拟。结果表明,临空面坡比愈大、地表坡度越陡,地基液化地表侧向位移值愈大;变坡度的场地在地震作用下发生的侧移要比单一倾斜率的场地大;地震最大加速度越大、地震持续时间越长,地基液化侧向位移、地表沉陷和隆起现象越严重;液化层的埋深、厚度以及地下水位都对地面大变形的产生有着不同程度的影响,应选择合理的地基处理方案进行处理。     

金属矿山崩落采矿法引起的岩层移动规律分析

以典型陡倾结构面条件下的金属矿山--程潮铁矿西区为例,通过对矿区的地表变形监测资料及宏观破坏特征分析,认为矿区的岩层移动分为2个阶段,第1阶段为采空区顶板岩体破坏扩展至地表引起塌陷阶段;第2阶段为采空区周边围岩向采空区的倾倒破坏阶段,并得出了倾倒滑移区的地表岩体变形规律：岩体主要发生水平移动,水平移动值大于沉降值;变形先以缓慢变形为主,然后进入一个快速变形阶段,存在明显的转折点;开采沉陷和地形引起的应力同向叠加作用,使得地表岩体沿下坡方向的变形值增大,特别是水平移动值。同时揭示了矿区岩层移动角的分布特征;南部岩层移动角大于北部,究其原因是北部受最为发育的NNW、NNE结构面影响,倾倒破坏较为严重。所得成果为其他类似的金属矿山工程提供可借鉴的规律。     

Dynamic Subsidence Characteristics in Jharia Coalfield,India

Surface ground movements are usually described by a number of characteristic indices such as vertical displacement, horizontal strain and slope, which are an inevitable consequence of underground mining. Every point at the surface over a panel is subjected to strain and slope during mining and its investigation is essential to assess the safety of surface structures. Therefore, the behaviour of dynamic active and residual subsidence was studied for a few panels of Jharia coalfield. The subsidence and slope were linearly related to time. Compressive and tensile strains showed typical fluctuating characteristic behaviour. The rate of mining being a key and controlling parameter for rate of subsidence their inter-relationship was developed, which showed a rational trend. Compressive and tensile strains and slope showed poor correlation with rate of face advance.     

原地生成宇宙成因核素测年技术思考(三):暴露、侵蚀、埋藏、再暴露和地表升降过程的双核素投影

双核素稳态侵蚀岛投影是原地生成宇宙成因核素测年技术中判断样品是否具有复杂暴露历史和估计侵蚀速率的常用方法。暴露、侵蚀、埋藏和再暴露的投影图可依据传统核素浓度计算等式利用计算机编程绘出。利用新推出的地表持续抬升与下降过程中样品的核素浓度与生成速率(及加速率)、侵蚀速率及暴露时间的计算等式,对其26Al/10Be浓度比值相对于10Be浓度/10Be生成速率比值投影分别进行了计算机模拟,发现下降样品的投影可高于或右偏于稳态侵蚀岛,而抬升样品的投影仍然在稳态侵蚀岛内。利用持续地表下降,可以解释已往文献数据中一次性暴露样品投影高于或右偏于稳态侵蚀岛的"不合理"现象,而持续抬升对投影结果的影响类似于侵蚀,因此如果忽略抬升,计算的暴露年龄结果将偏小。