矿区塌陷控制与灾害防治技术研究

采矿区覆岩及地表塌陷是涉及全球性人为环境灾害之一，控制与防护由地下采矿引起的地表塌陷灾害的技术途径主要有地下开采技术措施、地层控制措施和地面防护措施。文章基于岩层移动理论，阐述了地下采矿引起的覆岩移动、变形和坡坏规律，及地表塌陷及环境的影响特征。讨论了沉陷控制与灾害防治的技术途径，提出了解决地面大面积塌陷控制的地下多层位联合注浆方法，探讨了覆岩离层注浆控制与减缓地表沉陷技术的理论、方法、研究现状及发展与应用前景。     

断裂活动影响矿区的采煤沉陷灾害问题

文章结合抚顺矿区实际,分析论述了断裂活动影响矿区的地应力环境特征。阐述了在断裂活动影响矿区,岩体长期大规模开挖造成局部区域构造应力卸载,岩体弹性变形能恢复发生水平变形,导致地表产生附加水平移动与变形。通常的沉陷区边缘区域,地表移动变形值不大,采动损害也相对较轻。但断裂活动影响矿区,沉陷区边缘区常存在着明显的水平移动与变形,并造成相应损害。尤其是在矿震等岩体地质动力现象显现影响下,地表沉陷灾害更为严重。     

基于概率积分法的横河煤矿巨厚松散层下开采沉陷预测分析

煤炭资源开采产生的沉陷变形会对土地资源造成严重破坏,因此针对巨厚松散层下煤炭开采产生的地面沉陷变形分布规律的研究具有十分重要的意义。以山东济宁横河煤矿为例,运用概率积分法分别建立了主断面和采区任意点的预测模型,预测了2#、3#煤层先后开采后地表下沉、倾斜、曲率、水平移动、水平变形等特征。预测结果显示,横河矿区下沉面积为78hm2,最大下沉值达到9.987m,与现场调查的实际情况基本吻合。由于横河矿区由巨厚松散层覆盖,相比一般采矿条件下,地表沉陷具有地表下沉系数较大、地表最大下沉值较大、水平移动系数和水平移动值较正常值偏大、沉陷范围大、拐点偏移距较小等特点。     

基于GIS的矿山开采沉陷预测电算化研究

针对地下矿产资源开采诱发的地表沉陷灾害,利用GIS的拓扑分析、信息处理功能,并与概率积分方法计算模型相结合,建立了基于GIS的地表沉陷预计程序模型构架,开发了新的地表沉陷预计程序。该程序与AutoCAD、Matlab接口,结合GIS技术,不仅给出各种变形的计算等值线图和三维立体图,而且可以实现计算结果的统计和分析,为矿山开采设计和灾害评估提供了依据。     

龙口矿区地表移动的参数识别与变形预报

针对地下开采引起的地表沉陷问题,根据矿区的实际地质条件建立了岩层的线弹性力学模型。编制了计算地表移动的有限元正算程序和优化程序,利用现代控制系统论方法和参数识别理论,由实测的地表移动值反算各岩层等效力学参数,并对本矿区其它采区的地表移动进行了变形预报,为矿区地面建筑物保护处理提供参考。     

巨厚覆岩下矿产重复开采地表沉陷预测及其控制

基于矿区实际勘探资料,建立矿层单独开采与重复开采模型,利用FLAC3D数值软件分别模拟两种采动条件下地表的沉陷特征。模拟结果表明:(1)矿层埋深深且采厚大时,随着采动程度的增加,地表下沉具有缓慢的特点;(2)复合矿层开采时,地表水平移动形态直接是关于采空区中央呈反对称,地表下沉量较单独开采时大。研究成果提供一种矿区地表沉陷预测的方法,并提出系统的治理控制方法,从而降低采矿引起的地表沉陷的损害。     

辽宁省铁-法煤田地表沉陷变形研究

针对铁-法煤田因采矿引发的地面沉降和地面塌陷两种地质灾害进行研究,认为采法、采区、采深、采高、顶板管理是影响沉陷灾害的直接因素;岩性、构造、水文地质条件及矿坑降水是影响沉陷灾害的间接因素。其中矿坑降水是不可忽视的重要因素。根据地下水降深、降落漏斗影响半径、岩土工程地质性质,计算降水引发的地表沉降值、水平移动、倾斜、曲率现状值。现有的地表变形曲线为采矿和降水引发地表变形曲线的叠加。可得出可靠的灾害危险性分区。     

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。     

基于弹性薄板的不规则采动地表沉陷预计模型

文章借助弹性薄板理论,建立地表沉陷变形的预计模型,并给出任意点地表变形的预计表达式。针对地下开挖空间形状的不规则性,推导出了水平空间、倾斜面空间以及不规则开挖空间：椭圆抛物面空间、二次柱面空间以及二次曲面空间地表沉陷的预计公式。本文的研究结果对该类开采沉陷问题的研究具有一定指导意义。     

任意形状工作面沉陷预测的概率积分法及其应用

概率积分法是煤矿开采沉陷预测的重要方法,可适用于缓倾斜、倾斜煤层开采地表移动分布曲线符合正态分布规律的地表移动和变形计算。针对原方法对任意形状工作面存在的不足,在原有走向和倾向概率积分函数的基础上,以走向和倾向为基准划分积分函数区域,在该区域内剖分非结构化的三角形单元作为二重积分的基本单位;通过坐标旋转变换的二重积分换元法,转化为以直线为上、下限的二重积分,计算旋转后的影响半径,对新的二重积分采用复合辛普森数值积分公式,积分得出地表任意点在基本三角形开采单元下的积分下沉值;最后,通过叠加计算完成任意点、任意形状工作面概率积分法的沉陷预测计算。算法在GIS系统下实现,实例应用效果良好,可为“三下”采煤提供地表移动预测计算的支持。     

盐穴储气库破坏后地表沉陷规律数值模拟研究

地下盐穴储气库在天然气调峰和保障供气安全上具有不可替代的作用。地下盐穴储气库达到设计年限后,将报废而逐步垮塌,必然引起严重的地表沉陷。因此,对盐穴储气库破坏后地表沉陷规律进行研究具有十分重要的意义。考虑到目前的数值分析软件进行地表沉陷分析的不足,开发了用于盐穴储气库破坏后地表沉陷数值模拟的有限元专用软件-2D-Sink,该软件具有处理破碎岩块的能力。应用2D-Sink对盐穴储气库破坏后引起的地表沉陷规律进行了系统的研究,共建立了6种模型进行数值模拟,分别研究了地表沉陷层理效应、地表沉陷的岩层倾斜效应、地表沉陷的断层效应和多盐穴地表沉陷规律。对多溶腔地表变形曲线与单溶腔叠加的地表变形曲线进行比较,验证了地表沉陷叠加原理的正确性。研究成果为盐穴储气库报废后地表沉陷灾害控制提供了理论基础。     

软岩矿区地面下沉及其对工业建筑物影响分析

根据鲁中软岩矿区开采引起地面下沉及地面井塔楼等建筑物倾斜变形的工程实际,采用非确定性研究方法,将深埋破碎金属矿体开采引起地面沉陷或岩体移动变形这一客观现象视为一随机事件,建立了开采引起地面沉陷或岩体移动变形分析的数学模型。利用该模型可对开采引起地面沉陷及其对地表工业建筑物影响进行具体分析评价。通过具体计算分析结果表明,在软岩地层条件下矿体开采地表移动变形的影响范围有随着采深的增加而逐渐增大的趋势。     

采空区上方修建大型建筑物地基稳定性评价

地表移动变形随时间的稳定性及剩余变形问题一直是采动覆岩沉陷研究的重要方面。笔者分析了采动地表移动变形的时间过程,探讨了地表沉陷的延续时间及地表剩余沉陷的预计方法,给出了采空区上方修建大型建筑物地基稳定性评价的指标,对采空区上建设建筑物提出了相应的技术措施。     

虎头石煤矿土地整理地表沉陷稳定性评价

已闭坑多年的凌源市虎头石煤矿矿区范围内要实施土地整理项目,为确保土地整理工程安全,对其进行地表沉陷稳定性评价。本文通过虎头石煤矿采空区的采深采厚比及采空区埋深与覆岩破坏高度大小判断地表变形是否连续,采用概率积分法进行地表移动变形计算,通过地表移动延续时间和地表移动变形分析和评价矿区采煤沉陷稳定性,为类似煤矿地表沉陷稳定性评价提供参考。     

复杂地质条件下矿山地下开采地表变形规律的研究

地质条件是矿山开采岩层移动的基础,复杂的地质条件常使得地表移动角、沉陷角预测不准,导致灾难性后果。以典型复杂地质矿山程潮铁矿东区为例,以多年地表变形监测结果为依据,对在其特殊地质条件下地表变形和岩层移动的机制进行了分析研究。结果表明,地下采矿是矿区岩体破坏的直接诱因,地下水产生的静水压力和动水压力强化了岩体的变形与破坏;矿区岩体中断层、节理等特殊地质结构是岩体破坏的基础;构造应力场的存在是围岩向采空区产生较大移动变形的主要影响因素;在采矿之初,地表塌陷主要是由地下水疏干引起的;地表大规模塌陷形成以后,地下采空区的扩大是引起地表塌陷的主要原因,但矿区特殊的地质条件对地表塌陷范围的扩展速度有重要影响。     

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。     

地表沉陷变形的非线性研究

简要介绍非线性理论应用于地表沉陷领域的一些研究成果.主要包括两部分(1)神经网络理论在地表沉陷中的应用.建立减缓地表下沉,BP神经网络模型,预测开采引起的地表沉陷.(2)离散单元法在地表沉陷中的应用.利用离散元解决非线性问题的特点,分析注浆前、后岩层的移动和变形.研究表明,利用神经网络方法和离散元数值模拟可以很好地解决岩层移动的非线性变形,有效地指导工程实践.     

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     

煤矿采空区场地地基稳定性及适宜性分析

结合一煤矿采空区场地作为新建高层住宅小区场地,通过开采条件、地表移动变形综合确定煤矿采空区的稳定性;采用工程类比法、采空区特征判别法、活化影响因素分析法、地表剩余变形判别法等判别采空区场地工程建设适宜性;建议采空区场地采取吸收地表沉陷变形的柔性措施和抵抗地表沉陷变形的刚性措施来确保拟建建筑物的安全.     

特厚砂土层条件下的开采沉陷规律研究

在分析榆树湾煤矿地表移动观测资料的基础上,研究了特厚砂土层条件下的厚煤层开采的地表移动变形规律与特征。揭示了特厚砂土层、薄基岩及大采厚等特殊因素对地表沉陷规律的影响,获得了特厚砂土层开采条件下的地表移动变形特征,研究成果将对榆林煤矿后续的安全合理开采、保安煤柱的留设、环境治理与保护等具有重要的实际意义。