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。     

程潮铁矿地下开采引起岩层移动机制初探

在对矿区地质条件、采矿情况以及监测资料分析的基础上,提出了悬臂梁的力学模型。该悬臂梁是由NWW向节理切割下盘的花岗岩岩体而产生。地下采矿引起的岩层移动分为两个阶段,筒状破坏延伸到地表之前为第1阶段;筒状破坏延伸到地表后,则进入第2阶段。筒状破坏延伸到地表使水平构造应力释放,悬臂梁受力发生变化,而发生弯曲折裂变形和破坏,从而形成了深部岩体破坏的4个区:破裂岩体区、破裂过渡带、变形区和未扰动岩体区。通过对矿区地表测点所测数据进行分析,结合上述岩层移动机制和裂缝产生过程,将变形区域划分为:变形累积区、裂缝产生区、裂缝扩展区和裂缝闭合区。随着采矿的进行,深部岩体4区将逐渐向下延伸,地表4区将逐渐向外扩展。     

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。     

陡倾结构金属矿山岩移规律的模型试验研究

陡倾地质结构金属矿床大部分形成于构造断裂带,崩落法开采会产生显著的岩层移动现象。以湖北黄石的金山店铁矿典型地质剖面为基础,构建地质结构模型。通过缩尺物理模型试验,研究陡倾地质结构对崩落法采矿岩层移动的影响规律。研究结果表明,受陡倾地质结构的影响,采空区岩层移动可分为缓慢增长、快速增长与地表塌陷破坏3个阶段,其中上盘岩移范围远大于下盘,上盘以倾倒变形破坏为主,下盘以剪切滑移破坏为主;采空区顶板岩层一方面不断崩落填充采空区控制岩移,另一方面形成冒落拱,以拱脚抵制上下盘陡倾岩层朝向采空区移动;当顶板崩落至地表后冒落拱的支撑作用消失,近采空区的上盘岩层发生倾倒折断塌陷,下盘岩层发生剪切滑移塌陷。     

急倾斜多煤层开采岩层移动及地表变形数值模拟研究

急倾斜煤层开采后岩层移动及地表沉陷规律较为复杂,而且多煤层开采诱发重复采动会加剧地表变形,但是目前急倾斜多煤层开采岩层移动规律和地表变形特征的研究并不充分,深入研究急倾斜多煤层开采引起的岩层移动及地表变形规律,对煤矿安全生产和地表建筑物稳定性评价具有重要意义。以淮南矿区八里塘东三采区为研究背景,采用3DEC数值模拟软件对急倾斜多煤层深部开采岩层移动及地表变形进行了数值计算分析,得到了急倾斜多煤层开采覆岩移动规律及地表变形特征。计算结果发现：急倾斜煤层开采岩层移动形式可分为顶板岩层的压弯变形、沿弱面的滑移运动以及覆岩直接垮落;急倾斜煤层开采之后,采空区深部岩体运动趋势缓于较上部岩体运动,覆岩主要变形位置在采空区中部,变形方向沿煤层顶板法线方向指向采空区;急倾斜多煤层开采会导致地表松散层变形剧烈,地表下沉曲线及地表倾斜曲线呈现明显的非对称性,且煤层顶板侧地表变形影响范围大于煤层底板侧地表影响范围。根据计算结果,该区域开采后地表最大位移量可达40.625m,地面下沉曲线中没有平底部分,只存在单一最大下沉点,最大下沉点南侧最大倾斜值1.26m/m,北侧最大倾斜值为-0.74m/m,地表倾斜变形...     

采空区岩层移动的动态过程与可视化研究

矿山开采引起上覆岩层的移动是一个复杂的动态过程。在岩层的移动和变形过程中岩体具有流变性质，同时岩层的层状组合结构在运动过程中存在时间和空间上的差异。根据流变力学理论和薄板弯曲理论研究了岩层和地表移动的时间、空间过程，推导出考虑时间因数的地表下沉基本公式和获得岩层与地表下沉时间系数的公式。并基于MATLAB软件强大的数学计算和图形功能，开发了相应的模拟地表沉陷动态过程的可视化程序，对某开采煤矿的地表沉陷动态过程进行预测。其预测结果与该矿长期的实际观测资料基本一致，从而为地表沉陷的动态过程预测提供了新的方法。     

煤炭地下气化过程中顶板岩层移动特征的研究

采用热弹塑性模型,运用有限元软件,对煤炭地下气化的整个过程进行模拟,得出了煤炭地下气化过程中顶板岩层不同位置处的位移,并将其结果与传统煤炭开采的结果进行对比。结果表明:煤炭地下气化和煤炭开采过程中,顶板岩层移动曲线符合负指数函数关系;煤炭气化顶板岩层下沉速度比煤炭开采下沉速度快,且垂直位移较大;离煤层顶板越近,垂直位移越大,特别是直接顶位移急剧增大。     

岩层移动动态过程的离散单元法分析

采动覆岩动态发展过程受地质、采矿条件诸多因素的影响,是一个十分复杂的时空过程。通过离散单元法数值模拟,揭示了综放开采条件下采场上覆岩层动态发展规律,特别是覆岩离层缝隙的分布规律、发展形态、空间位置以及与地质采矿条件的关系,揭示了工作面推进过程中,采场上覆岩层中重新分布的应力大小、方向及其发展变化规律,该应力的存在和变化规律是确定井下开采方法、支护方式的依据。     

岩层及地表移动与冲击地压相关性研究

对岩层及地表移动规律的观测、室内试验和数值计算分析表明,采动覆岩层沉陷运动的不协调性造成裂隙带上部弯曲带岩体中产生大范围的离层空隙。随着工作面的推采,离层空隙周期性悬露垮断构成了上覆岩层及地表移动变形运动的不同特征。根据现场观测,砾岩层运动是矿井冲击地压发生的主要力源,地表下沉速度发生剧烈变化,冲击地压发生的频率较高,地表产生反弹时更为危险,且随着砾岩层的运动,冲击地压发生周期性变化。     

分析煤层开采地表移动的一种新型边界元方法

煤系地层为成层分布的沉积岩,煤层的开采会引起地表大规模的沉陷,发展适应此类介质的分析方法一直是本领域的研究热点。本文发展了一种新型的边界元方法来分析煤层开采引起的地表移动。该边界元方法基于层状材料基本解,采用4～8变结点单元离散边界,并采用有效的数值方法计算各类奇异积分。然后,用有解析解的算例验证建议数值方法。最后,采用新型边界元方法分析煤层开采引起的地表移动。本文所建议的方法在分析煤层开采引起的地表沉陷时具有较高的计算精度和效率。     

条带开采地表沉陷预计的新理论

条带开采产生的地表沉陷是地下开采扰动了工程岩体，并由此在地表引起的综合反映，地表沉陷只是岩层移动的一种特殊现象．本文将条带开采工程岩体概化为具有开挖孔洞的分层各向同性线弹性半空间体．给出了条带开采引起的岩层移动及其他表沉陷预计的新方法．首次从理论上提出了条带开采三维岩层移动模式．     

陡倾矿体充填法开采引起地表移动的实例分析

监测表明,长期采用充填法开采的大型金属矿山也会发生显著的地表变形破坏现象。为了掌握金川镍矿地下开采引起的地表移动、变形和破坏规律,借助GPS技术作为地表移动的监测手段,建立了覆盖矿区地表的GPS监测网。持续的监测数据表明,金川矿区地表最大沉降量已达2400mm左右,以现场调查与地表长期监测数据为依据,给出了地表移动的范围与特征,分析了与岩体移动、变形和破坏现象发生相关的条件和规律,并提出了一些具有预测性的观点,为工程地质-岩石力学条件大致相同矿山的工程技术人员和研究人员提供了一个有借鉴意义的实例。     

浅埋煤层长壁开采顶板岩层灾害控制研究

根据浅埋煤层顶板岩层的赋存特点和长壁开采时基岩老顶的断裂下沉特征,应用初始后屈曲理论和突变理论探讨了初次来压期间基岩老顶的灾害机制和灾害控制,补充了基岩老顶破断后控制岩块滑落失稳的充分条件和岩块触矸前后台阶下沉的判据,确定了台阶下沉量,给出了控制台阶下沉和维持顶板稳定的支护力计算公式,并以神东矿区大柳塔1203工作面为例给出了工程实例。研究发现,顶板破断后岩块处于不平衡状态,台阶下沉的机制是结构的滑落失稳;岩块触矸前后的台阶下沉分别与断裂下沉和开采高度之间存在着确定的关系;顶板强烈来压主要是由结构滑落失稳造成的,控制台阶下沉的实质是控制岩块沿煤壁的滑落失稳。研究结果表明,综合应用初始后屈曲理论和突变理论,可根据顶板结构的赋存状况和结构特征,确定基岩老顶触矸前是否会出现全厚度切落;根据工作面的开采高度和采空区有效充填厚度等,可确定基岩老顶触矸后岩块的运动形式;根据顶板的破断步距、断裂下沉量和岩块摩擦因数等,可确定岩块触矸前后控制台阶下沉的支护力     

深部开采上覆岩层采动裂隙网络演化的分形特征研究

借助相似模拟材料模型试验,模拟了在深部开采条件下上覆岩层采动岩体裂隙分布状态,运用分形几何理论研究了采动岩体裂隙网络分形维数随开采宽度、采场矿山压力、岩层沉降的动态演化规律,并分析了断层对采动岩体裂隙网络分布演化的影响以及采动岩体裂隙网络在三带的分布特征。结果表明：随开采宽度增加,采动岩体裂隙网络分形维数呈现总体增大趋势,在断层影响下表现出降维特点;分形维数与超前工作面压力和岩层沉降均具有非线性关系;三带采动岩体裂隙网络均具自相似性,冒落带、裂隙带、弯曲带分形维数比为1.082 3:1.139 4:1。     

崩落法转充填法采矿地表移动二维离散元程序数值模拟及其规律验证

基于数字式全景钻孔摄像系统及现场统计对井下矿体及围岩进行了节理调查分析,利用Surpac建立了采空区三维模型并进行剖分,最终建立了二维离散元模型（UDEC）,研究不同水平矿体开采时位移场的变化规律和采空区上覆岩层的冒落形式,记录并分析矿体开采过程中岩石移动角变化规律并进行了对比验证。研究结果表明：充填法开采-430～-500 m矿体时,采空区最大位移为205.6 cm,小于崩落法的215.2 cm;对比充填法和崩落法新副井沉降值和水平位移值发现,充填法地表倾斜率为0.56 mm/m,小于崩落法的1.22 mm/m,水平变形率为1.03 mm/m,小于崩落法的1.31 mm/m,对于控制新副井沉降和地表移动具有良好效果。在崩落法开采时覆岩移动存在一定间歇性和跳跃性,冒落过程中可能形成自稳平衡拱,从而形成隐伏采空区。根据实际监测与模拟结果对比,在同一水平开采时间较长时,移动角减小速率呈跳跃性非均匀变化,表现为缓慢变化-加速变化-缓慢变化-加速变化的循环过程,进一步验证了自稳平衡拱和隐伏采空区的存在。     

软土中盾构法隧道引起的土体移动计算研究

对盾构法隧道施工引起的土体扰动范围进行了分析,根据极限平衡原理,认为Loganathan公式中假定的土体损失边界条件存在误差。考虑到土体内摩擦角对土体移动的影响,认为垂直土体变形区域边界线的水平倾角应等于（45°+? /2）,而不是45°。给出了修正的Loganathan公式,该公式适用于软土地区不排水条件。提出了盾构剪切扰动区范围的计算公式。算例分析表明,与Loganathan公式的计算结果相比,修正公式使沉降槽宽度和土体水平位移有所减小,计算结果与实测数据更加吻合。     

面向智能化开采的矿井煤岩层综合对比技术

煤岩层对比工作贯穿于整个煤炭地质勘查与矿井生产阶段的全过程,针对近距离、多煤层且构造复杂的矿井生产阶段煤岩层对比困难的问题,以贵州盘县煤田火烧铺煤矿为研究对象,通过对地质勘查资料的分析,结合地面瓦斯勘查钻孔、井下地质调查、瓦斯参数测试工程从地质勘查阶段已经建立的煤岩层对比标志层中提取适应于矿井生产阶段的标志层;结合矿井生产过程中井筒、巷道、工作面及其两巷道、切眼等井巷工程生产揭露资料的宏/微观煤岩、煤质化验、煤层顶底板岩石力学、煤层的光学特征等资料,提炼矿井生产过程中基于开采技术条件的煤岩层对比的标志;综合地质勘查与矿井生产阶段重新构建矿井生产阶段煤岩层综合对比标准体系。研究表明:地质勘查阶段构建的煤岩层对比标志层在矿井生产阶段岩性组合、地球物理测井曲线,高位标志性岩层以及古生物化石层基本上失去了指导意义,而煤层结构、伪顶或低位直接顶板古生物化石层、岩性标志层仍具有指导意义,可以指导实践生产;矿井生产阶段大量的地层倾角数据、宏/微观煤岩组分特征、煤层夹矸岩性,尤其是可见光、热红外等光学特征,煤层瓦斯含量、压力参数,煤层顶底板岩石力学参数等是煤岩层对比的良好标志层;构建的煤岩层综合对比技术体系可以有效地指导煤矿巷道高效掘进、工作面快速回采并识别断层发育特征。研究成果不仅可以指导煤矿井下生产工作而且可以为构造复杂区的煤矿井下工作面智能化开采提供基础地质资料,为煤矿安全、高效、智能化开采提供地质保障技术。      

山区下开采覆岩移动规律及破断机制研究

以海石湾矿山地下开采为背景,借助基于连续介质力学的离散元方法--CDEM数值模拟计算方法,对山区下煤层开采过程中不同采动影响模式下覆岩的移动和破坏进行了模拟分析,并结合相似模拟试验与现场岩移监测所得结果,得到了顺坡推动式采动影响模式及逆坡牵引式采动影响模式下,覆岩的移动和破坏形式,并从数值分析和实际观测上验证了高顺坡开采转低逆坡开采时覆岩悬臂梁结构的存在,解释了坡底局部隆起的现象。研究表明,在相同地质条件下,顺坡开采坡顶易发生张拉及剪切破坏,坡底有剪切蠕滑的可能,因此,较逆坡开采对边坡稳定性影响更大。所以在实际生产中宜将上工业广场建于低矮的坡体较完整的逆坡上。     

基于全卷积神经网络的钻孔瞬变电磁法岩层富水性预测研究

巷道掘进前方采用钻探或地球物理方法进行超前探测含水层的位置及富水性,提前做好防治水工作对煤矿安全生产至关重要。利用钻孔瞬变电磁法(BTEM)进行超前探测优势明显,目前解释方法是根据计算的电阻率进行岩层富水性的定性分析,还无法实现对含水层富水性等级进行预测。提出利用钻孔瞬变电磁法探测,采用全卷积神经网络(FCNN)方法进行钻孔外围含水层富水性等级的准确预测。首先,依据阿尔奇公式、Kozeny–Carman公式、导水系数公式和单位涌水量公式,建立砂岩含水层单位厚度的电阻率与按钻孔单位涌水量划分的含水层富水性4个等级的对应关系;其次,建立全空间条件下不同富水性岩层的地质–地球物理模型,采用三维时域有限差分法(FDTD)进行全空间瞬变电磁场数值模拟;为了接近实际情况,在正演结果中加入了5%～15%的随机噪声,提取与岩层富水性等级关联的特征参数,采用全卷积神经网络(FCNN)进行了岩层富水性等级预测的训练和仿真测试,测试集预测的富水性等级平均准确率为91.8%;最后,利用某矿煤层水力压裂后的钻孔瞬变电磁法实测数据进行煤岩层富水性等级预测,检验FCNN方法预测效果。研究结果表明:采用全卷积神经网络...