特大采空区上覆岩层地压与地表塌陷灾害监测研究

大红山铁矿采用无底柱分段崩落法开采形成了3个规模巨大的采空区,采空区上覆岩层移动与地表开裂塌陷将导致露天采场发生滚石地压灾害、井下采场产生空气冲击波次生地质灾害、地表与井下发生泥石流地质灾害等。针对上述问题,采取了多通道微震监测、非接触式岩移实时监测、基于手持式GPS仪的地表开裂范围监测和基于全站仪的地表沉降与水平移动监测的多种综合地压监测手段,对上覆岩层崩落高度、上覆岩层下沉变形量、地表开裂范围和地表沉降与水平移动等进行了监测,通过两年的监测获取了大量的监测数据,经分析表明,采空区上覆岩层崩落高度约在+1 090⁺1 060 m,上覆岩层+1 090 m平巷内观测点累计沉降量为1 350 mm,地表开裂范围位于以岩移角为75°划定的地表岩移范围内,地表测点最大累计沉降与水平移动量为1 779与948 mm,上覆岩层与地表的变形移动活动处于稳定渐进可控的状态,目前不会发生上述地压地质灾害。     

近水平煤层开采上覆岩层运动与沉陷规律相关研究

将近水平煤层开采的上覆岩层运动与地表沉陷作为一个整体系统进行研究,论述了采场上覆岩层的运动规律和裂隙拱的形成及发展变化过程。并结合地表沉陷的GPS观测,确定了针对具体地质条件的地表移动变形边界角、移动角,找到了井下工作面推进位置与地表下沉速度之间的关系。     

考虑岩体碎胀效应的采场覆岩冒落规律分析

应用改进的岩石破裂过程分析系统(RFPA2D),分析了煤层开采过程中上覆岩层发生离层、弯曲、端部和中部开裂直至冒落的全过程,再现了采动影响下冒落带、裂隙带、下沉带3带的形成过程以及裂隙拱的形成发展、整体覆岩的周期性运动模式。数值计算中,引入了冒落岩体的碎胀效应,使得计算结果更合理地反映了现场实际,主要表现在：冒落岩体的碎胀效应及拉伸、剪切破坏联合控制了覆岩的运动模式,随着工作面的不断推进,上覆岩层可呈现出周期性的运动特征;裂隙拱发展到一定高度后,工作面垂直方向上不再扩展,只在工作面推进方向向前扩展,此时裂隙拱拱顶为一近似水平线,冒落带、裂隙带和下沉带3带分明;覆岩运动引起的地表下沉范围和下沉量亦都更符合现场实际。     

采动覆岩裂隙分布及其空隙率特征

利用弹性薄板理论和关键层理论,对采空区上覆岩层的下沉进行定量描述,研究采动影响下覆岩裂隙的分布特征,得到了基于相对下沉量的覆岩规则移动带空隙率的近似公式。研究表明,覆岩裂隙场内,裂隙数量分布以两边为多,中部较少,在关键层下部的岩层往往产生较大的离层空间;随着岩层深度减小,空隙率逐渐变小,覆岩底部,空隙率曲线沿走向呈现马鞍状,在关键层或者硬岩起作用的区域形态发生改变,曲线形态逐渐变成拱状。其结论可应用于岩体渗流研究及瓦斯综合治理。     

采动覆岩离层多层位注浆地表沉陷控制技术

为了解决上覆岩层中无明显厚硬岩层、采动过程中难以产生较大尺寸离层空间、离层注浆充填率低的问题,提出采动覆岩离层多层位注浆技术。通过相似材料模拟实验对多层位离层注浆覆岩时空演化规律进行研究,并在淮北矿区某工作面进行现场试验。结果表明:在无较大采动覆岩离层情况下,采用增加钻孔数目的多层位离层注浆方法,在采动覆岩内部形成不同扩散半径的注浆充填体,共同叠加支撑上覆岩层,可以有效减小覆岩破坏程度。实施多层位离层注浆方法,可以有效提高注浆总量和注采比,地表减沉率可达79.92%。提出的离层注浆量计算公式可以精确预计浆液灌注量,准确率超过91%,可为覆岩离层注浆工程提供指导,并为注浆减沉率预计提供参考。这为解决煤炭资源开采引起的地表沉陷问题提供了一种有效和经济的方法,同时扩大覆岩注浆技术的应用范围。      

采空场覆岩变形数值模拟与相似模拟比较研究

用有限元数值计算尝试了离层模拟,并分别采用数值模拟与相似模拟的方法研究了木架山矿区143剖面倾斜采空场处理时的地表移动与覆岩破坏规律。研究发现,随着矿柱的崩落,覆岩跨度不断增加,引起的地表移动范围也不断增大,地表垂直沉降范围大致为跨度的1.5～1.7倍,垂直沉降曲线始终对称于最大沉降点;水平移动的范围大于垂直沉降的范围,最大水平移动量大约为最大沉降量的40 %,且水平移动不对称。另外,当覆岩发生整体下沉时离层主要存在于跨度两端,离层由层理剪切破坏引起。     

唐口煤矿3上煤层冲击地压形成机制及防治措施

通过对唐口煤矿地应力、3上煤层及顶板岩层冲击地压测试结果分析,认为3上煤层属强冲击倾向性煤层,3上煤层顶板属弱冲击倾向性岩层;在采深1000m条件下,随着地应力的增大,煤、岩层的冲击倾向性将会增大。因3上煤层为易碎煤,厚度较大,顶板弹性能易突然全部释放,形成冲击地压;3上煤顶板主要为中砂岩、细砂岩及泥岩,质地坚硬,在煤层开采过程中,煤壁附近出易现高应力集中带,在顶板中聚集的弹性能在自重力和采掘干扰下会突然释放,形成冲击地压。在生产过程中采取钻屑法、沿采煤工作面轨道顺槽安装顶板离层报警系统、合理开拓避免应力集中和叠加、对煤层进行注水,降低煤体弹性和强度、提高支护结构的承载能力等一系列措施,较好地预防了冲击地压的发生。     

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。     

煤层采动后甲烷运移与聚集形态分析

富含甲烷厚煤层经综采放顶煤方法开采后,甲烷运移通道和聚集空间随采场上覆岩层活动特征及导气裂隙带空间分布形态而不同。本文分析了煤层采动后采场覆岩关键层活动特征对导气裂隙带分布形态的影响,提出上覆岩层中破断裂隙和离层裂隙贯通后在空间形成椭抛带分布,阐述了卸压甲烷在椭抛带的升浮—扩散运移理论,为实现煤层与甲烷的安全共采提供了科学依据。      

基于数值计算的覆岩移动离层量计算方法

地下煤层开采后造成的地表沉陷，对矿区环境，特别是铁路、房屋等建筑物造成重大危害。覆岩离层带高压注浆减缓地表沉降技术可以有效地减少或缓和沉降向地表发展。离层空间发育大小是进行离层带高压注浆工程设计的重要参数之一。文章的研究基于数值模拟，采用三次样条曲线回归方法，推导出一套计算采动覆岩离层量大小的公式。配合有限元计算，可以动态地计算离层空间的变化过程。对离层带高压注浆减缓地表沉降工程具有指导意义。     

Research on the Evolution Law of Spatial Structure of Overlying Strata and Evaluation of Rock Burst Risks in Deep Well Strip Mining

Strip mining in mines is one of the main mining methods to control surface subsidence and protect the ecological environment. In recent years, strip mining has induced frequent rock burst accidents due to the increase in mining intensity and mining depth. Based on two typical deep strip mining accidents, the characteristics of the changes in spatial structure of the overlying strata caused by strip mining are studied, and the influencing factors of the occurrence of strip mining rock burst are analyzed. A support pressure calculation model is proposed, and estimated and verified in a mine after an analysis of the change law of the overlying strata structure in strip mining and research on the distribution and evolution law of support pressure. Based the above research, a risk evaluation model of the strip mining face is proposed based on the possibility index method, the 4203 working face of a mine is evaluated. Compared with the numerical simulation results, this method is well consistent with the theoretical calculation model. It can be seen that this method has strong practicability and is of great significance for studying the rock burst characteristics of coal seams in strip mining and evaluating the risk of rock burst of coal seams.

     

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。     

薄基岩条带开采覆岩与地表移动数值模拟研究

通过数值模拟模型，分析了薄基岩条件下条带开采引起的覆岩破坏机理、地表的下沉和水平变形等移动变形值，揭示了薄基岩条带综放开采引起的上覆岩土层的应力场、位移场及地表的移动变形规律，为薄基岩条件下条带开采覆岩与地表移动变形的工程地质机理的研究奠定了基础。     

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。     

地下水位下降对采矿覆岩下沉影响探析

地下采煤会导致地表下沉盆地的形成。然而地下水尤其是承压水的流失即水位降低对地表下沉盆地的形成存在不可忽视的影响，而对两者之间的关系及其过程的力学机理是岩移领域亟待研究的课题之一。矿区地下水位降低的主要原因为承压水通过采动裂隙向下渗流、煤层开采前顶板岩溶含水岩层的疏干以及地面人为钻井取水。根据对一具体矿区地下水位下降对地表沉陷影响实测数据的分析得出，在以采煤为主导条件导致地表下沉的过程中，几乎全部的开采沉陷量中均包含有由于含水层释水而造成的沉陷量。通过对上覆岩层力学机理分析，指出水位降低对覆岩移动、地表下沉的影响是由于一定地质条件下可渗水性岩石的物理力学特性、渗水对其它岩石的软化、释水后原冲积层的压密固结以及水渗透过程中的水岩耦合作用等因素综合作用所致。同时，在以上理论的基础上还探讨性地建立了地下水位下降对地表下沉贡献模型，在此模型基础上可以建立2个或2个以上影响因素对地表下沉的贡献模型。最后以框图形式概括了地下水位下降及其对地表下沉影响的综合过程。     

Study on Distribution Characteristics of Mining Stress and Elastic Energy Under Hard and Thick Igneous Rocks

In the coal measure strata, igneous rocks are often invaded, and their occurrence, size, and distribution form play an important role in mining safety. The breakage of hard and thick igneous rocks easily induces dynamic disasters, such as rock burst, mine seismicity, gas outburst, and surface subsidence, which seriously threaten mine safety production. In view of the working face with overlying hard and thick igneous rocks, the evolution characteristics of mining stress and energy distribution under hard and thick igneous rocks were investigated. Furthermore, the influence law of different horizons and thicknesses of igneous rock on overlying strata movement law, stress distribution, and energy distribution was analyzed based on FLAC3D numerical simulation. Results show that no evident subsidence of the overlying strata exists before the igneous rock is broken. Additionally, the subsidence amount of the overburden is suddenly increased after the igneous rock is broken, thereby showing significant mutability. Before the igneous rock breaks, a high stress area is formed around the goaf, and the stress concentration gradually increases with the increase of the mining scope. After the igneous rock breaks, the coal under high stress is prone to induce dynamic disasters under the action of strong dynamic load. However, the advanced abutment pressure and stored energy rapidly decreased. The accuracy of the numerical simulation is verified by field monitoring. Results of the study are of considerable significance for safe mining of working face under similar geological conditions.     

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。      

不等长工作面台阶区域覆岩运动诱冲机制及防治

针对阳城煤矿不等长工作面台阶区域发生冲击地压灾害问题,基于工作面特殊布置方式及覆岩赋存特征,采用理论分析、数值模拟和现场实测等方法,分析了台阶区域覆岩结构运动特征和围岩应力演化规律,研究了台阶区域冲击地压诱发机制。研究结果表明：1304工作面台阶区域覆岩经历了“OX-S-C”型较为复杂的结构演变,覆岩空间结构由OX向S型转换时,顶板岩层大面积破断下沉,在台阶区域形成多个悬臂梁结构,越往高位,悬臂梁长度越大;受覆岩运动和采动应力场叠加影响,煤岩体形成高应力集中区,在顶板岩层动载冲击作用下,煤岩体弹性应变能突然释放,诱发冲击地压。采用COMSOL软件对不同卸压钻孔参数下煤体应变能分布特征进行模拟研究,优化了台阶区域卸压钻孔参数。根据模拟结果,随着钻孔孔径、孔深增大及间距减小钻孔卸压效果越明显,考虑工程实际,确定孔径为150 mm、孔深为30 m、间距为1 m为合理有效的卸压钻孔参数,并应用于1302工作面台阶区域的冲击地压防治,取得了较好的防冲效果。     

孤岛顶煤综放采场冲击矿压形成机制及控制技术

应用覆岩空间结构学术观点对孤岛顶煤综放采场冲击矿压机制及其控制技术进行研究。根据覆岩关键层的岩性、层位、范围等因素,覆岩关键层空间结构分为覆岩空间大结构和基本顶有限矿压结构。孤岛顶煤采场冲击矿压发生机制：①孤岛顶煤综放采场 ? 型空间大结构形成过程是集中压力逐渐增加的过程,是该时间段发生冲击矿压的力源;②采场基本顶形成最下位 ? 型空间结构后,随着工作面推进,基本顶块体产生滑落失稳,造成工作面冲击矿压现象。通过对分段来压理论、基本顶结构失稳理论和坚硬顶板预断裂理论对覆岩关键层空间结构运动的控制作用研究,提出采用覆岩空间结构理论分析、分阶段降低放煤率、坚硬覆岩预爆泄压技术、覆岩坚硬岩层破裂的微地震监测技术等方式方法预防冲击矿压的发生。