西藏某矿山地表和井下采空区塌陷原因分析

西藏某矿山经过十多年的开采,采空区自上而下陆续垮塌,在地表形成多个塌陷坑,对地表环境造成严重破坏。为了从根本上治理采空区塌陷,最终恢复地表环境。本次通过工程地质调查和采空区规模调查,明确了塌陷坑形成时间、规模和变化趋势。通过分析其成因机制和影响因素,结合理论计算。最终认为矿区塌陷原因主要为表土层较厚,岩体裂隙发育,结构不稳定;矿山在开采过程中提前回收了部分矿柱,导致空场暴露面积加大;原采矿方法采场跨度大于极限跨度,容易导致采场垮塌。     

急倾斜煤层开采地表塌陷坑形成机理与安全矿柱尺寸研究

地表塌陷坑和台阶状塌陷盆地是急倾斜煤层开采地表移动的主要形式.本文从力学原理出发,对急倾斜煤层开采地表出现塌陷坑的机理、决定因素进行了研究,当煤层倾角大于55.时,冒落岩石下滑形成上部自由空间,这是产生地表塌陷坑的先决条件.利用极限平衡条件,获得了避免地表出现塌陷坑的矿柱安全留设尺寸及其稳定性系数表达武.当落入塌陷坑中的岩石和表土不足以支撑其它岩层时,地表塌陷坑的渐近破坏将可能导致地面出现台阶状塌陷盆地.研究结果表明,该方法可以用于指导生产实践中相关问题的解决.     

辽宁大窑沟急倾斜煤层开采沉陷数值模拟研究

急倾斜煤层覆岩结构的复杂性,使得现有的理论不能很好的解释覆岩移动和地表沉陷规律,为了深入研究急倾斜煤层开采覆岩移动和地表沉陷规律,本文采用MIDAS/GTS对急倾斜煤层开采情况进行模拟,并将"三带"理论应用于急倾斜煤层的研究。根据煤层开采后覆岩移动规律和地表沉陷的特点将煤层开采分为浅部开采阶段和深部开采阶段。浅部开采阶段覆岩破坏范围较小,顶板形成以上下煤柱为拱脚的拱形结构,地表表现为非连续的塌陷坑;深部开采阶段基本顶断裂、垮落在采空区形成铰接结构,地表表现为连续的下沉盆地。     

急斜特厚煤层开采地表沉陷特征立体实验研究

借助急斜煤层大型立体模拟试验架,对急斜煤层水平分段放顶煤开采地表变形破坏特征进行了开采的立体模拟试验研究。研究发现,急斜煤层开采后形成的沉陷不同于缓斜煤层,其沉陷最初由在地表生成的孔洞发展为孔洞间的贯通,形成塌陷坑。塌陷坑靠顶板侧岩体的垮落程度明显大于靠底板侧岩体的垮落程度,而且沉陷随着分段工作面的向下延伸表现为反复多次沉陷,塌陷坑内垮落体表现为由底板侧朝顶板侧的台阶式下降分布,最终形成深槽型塌陷坑。     

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。     

程潮铁矿西区地表塌陷成因分析

以程潮铁矿西区为例,结合矿区的地层岩性和地下采矿情况,系统分析了金属矿山地下开采引起的地下水位变化及地表突发性塌陷的原因。研究表明：地表塌陷主要受地下采矿的影响;在一定的地质水文条件下,地表塌陷时采空区高度与采矿深度呈线型关系;地表变形大小和扩展范围与地层岩性息息相关;连续降雨能诱发地表塌陷。地表塌陷可被分为4个阶段：间歇性向上崩落阶段、裂缝连通及扩展阶段、疏干塌陷阶段及地表塌坑群形成阶段。采空区上部岩体垮落是非充分的,岩体空隙随时间的积累和岩体崩落动态变化,崩落呈间歇性、跳跃性地向上发展。岩体崩落的高度与地层岩性有关,岩体强度越小,完整性越差,每次崩落高度越小,总崩落高度越大。随着矿体的开采,漏斗状水位降形成。地下水位降低不仅与采空区的相对位置有关,还受岩性构造所控制。岩体裂隙的产生及发展贯通为地下水向下流动提供了有利通道,可溶岩不断被侵蚀,黏土及岩屑被地下水容冲刷带走易在地下形成隐伏空区。硬石膏整体变形破坏会造成地下水的突涌,在地下隐伏空区内产生瞬时高负压,诱发地表塌陷。     

济南苏家庄铁矿矿区地面塌陷成因分析

在对济南苏家庄铁矿矿区地质环境条件、矿山开采现状调查基础上,基于地面塌陷 特征及成因分析,从矿山地球物理特征、井巷工程、地下水水位、矿体及围岩工程地质性质 等因素出发,论证了矿区塌陷的成因。调查研究表明,在200 m的瞬变电磁法探测深度范围 内视电阻率等值线水平变化相对平缓,采空区未见明显的采空区分布异常;采空区总体积仅约9 218 m3,远小于矿坑塌陷坑总体积58 665.8 m3;竖井与塌陷坑、塌陷坑与采空区水位高差巨大且稳定,达到了58.93～64.11 m;矿井巷道闪长岩、灰岩及大理岩围岩整体性好,力学强度高,因此由采空塌陷造成的地面塌陷可能性很小。在此基础上,结合矿区地形地貌、地层结构、松散盖层、动力条件及矿坑排水等因素综合分析,认为该矿区的地面塌陷是由矿山开采过程中长期排水所引起。      

程潮铁矿西区地表塌陷成因分析

本文以程潮铁矿西区为例,结合矿区的地层岩性和地下采矿情况,系统分析了金属矿山地下开采引起的地下水位变化及地表突发性塌陷的原因。研究表明,地表塌陷主要受地下采矿的影响,在一定的地质水文条件下,地表塌陷时采空区高度与采矿深度呈线型关系;地表变形大小和扩展范围与地层岩性息息相关;连续降雨能诱发地表塌陷。地表塌陷可被分为4个阶段:间歇性向上崩落阶段、裂缝连通及扩展阶段、疏干塌陷阶段、地表塌坑群形成阶段。采空区上部岩体垮落是非充分的,岩体空隙随时间的积累和岩体崩落动态变化,崩落呈间歇性、跳跃性地向上发展。岩体崩落的高度与地层岩性有关,岩体强度越小,完整性越差,每次崩落高度越小,总崩落高度越大。随着矿体的开采,漏斗状水位降形成,地下水位降低不仅与采空区的相对位置有关,还受岩性构造所控制。岩体裂隙的产生及发展贯通为地下水向下流动提供了有利通道,可溶岩不断被侵蚀,粘土及岩屑被地下水容冲刷带走易在地下形成隐伏空区。硬石膏整体变形破坏会造成地下水的突涌,在地下隐伏空区内产生瞬时高负压,诱发地表塌陷。     

程潮铁矿西区地表塌陷成因分析

本文以程潮铁矿西区为例,结合矿区的地层岩性和地下采矿情况,系统分析了金属矿山地下开采引起的地下水位变化及地表突发性塌陷的原因。研究表明,地表塌陷主要受地下采矿的影响,在一定的地质水文条件下,地表塌陷时采空区高度与采矿深度呈线型关系;地表变形大小和扩展范围与地层岩性息息相关;连续降雨能诱发地表塌陷。地表塌陷可被分为4个阶段:间歇性向上崩落阶段、裂缝连通及扩展阶段、疏干塌陷阶段、地表塌坑群形成阶段。采空区上部岩体垮落是非充分的,岩体空隙随时间的积累和岩体崩落动态变化,崩落呈间歇性、跳跃性地向上发展。岩体崩落的高度与地层岩性有关,岩体强度越小,完整性越差,每次崩落高度越小,总崩落高度越大。随着矿体的开采,漏斗状水位降形成,地下水位降低不仅与采空区的相对位置有关,还受岩性构造所控制。岩体裂隙的产生及发展贯通为地下水向下流动提供了有利通道,可溶岩不断被侵蚀,粘土及岩屑被地下水容冲刷带走易在地下形成隐伏空区。硬石膏整体变形破坏会造成地下水的突涌,在地下隐伏空区内产生瞬时高负压,诱发地表塌陷。     

湖南宁乡煤炭坝镇富家村岩溶地面塌陷成因分析及防治建议

本文依据岩溶地面塌陷理论对宁乡煤炭坝镇富家村岩溶地面塌陷的成因、发展趋势进行了研究。根据勘查发现,研究区岩溶地面塌陷具有分布密度高、塌陷规模大、塌坑回填后稳定性差,具有继续变形甚至再次塌陷的特点。通过对区内地质环境条件分析发现,区内覆盖层厚度较薄,岩溶极为发育,煤炭坝矿区排水形成巨大的降落漏斗,孔隙水与岩溶水存在巨大的水头差,导致区内岩溶地面塌陷的发生。同时,区内开采灰岩矿,形成大面积采空区,对岩溶地面塌陷的发生起到了强大的促进作用:一是提供了巨大的物质储存空间;二是大大减小了物质运移途径。塌坑回填堆积在溶洞的土体受地下水的冲蚀潜蚀发生运移,上方土体失去支撑而不断流入采空区,造成塌坑回填后稳定性差。      

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。      

山西煤矿区滑坡特征及分类

滑坡分类研究一直是滑坡研究的基础和重点。通过对山西煤矿区滑坡灾害的工程实践和大量的调查统计分析,根据滑坡地层结构、岩性特征、诱发机制及运动特征等因素将山西煤矿区滑坡归结为5种类型:顺基岩面推移-滑动型黄土滑坡;蠕滑-挤出型黄土滑坡;水浸溜滑型黄土滑坡;煤层自燃倾覆-拉裂滑移型岩质滑坡;受节理控制的蠕滑-张裂型岩质滑坡。研究结果发现:黄土滑坡滑带土一般为松散土层,岩质滑坡的滑面为软弱结构面（多为泥岩薄层）或煤线;除溜滑型黄土滑坡滑动速度较快外,其他为低速滑坡,其典型特点是历时长,滑距短,致灾范围小,但滑坡推力大,破坏力强,往往造成更大损失。该研究进一步细化了滑坡分类的内容,其成果可对山西矿区及类似滑坡地质灾害的防治提供指导。      

沁水盆地南部15号煤层顶板灰岩特征对煤层气开采的影响

煤层顶板的含水性对煤层气的开采有重要影响。沁水盆地南部上石炭统太原组15号煤层直接或间接顶板多为灰岩,其中以K2灰岩为主,连续分布。顶板泥岩较少,呈零散分布。灰岩的富水性对煤层气的排水降压有影响。因此,主要从灰岩的厚度展布、裂隙发育、与煤层的接触关系以及区域水文地质条件讨论其含水性对煤层气产能的影响。研究结果表明:(1)灰岩的含水性一般较弱,但当遇到断层或岩溶陷落柱较发育的部位,可能与其他含水层沟通,富水性较强。(2)15号煤层顶板灰岩的厚度与煤层气井的产水量并无直接关系,其裂隙较发育,但大多被方解石充填,导水和储水性能较差。(3)灰岩与15号煤层的接触关系有两种:一种是直接接触型,灰岩直接覆于15号煤层之上;另一种是间接接触型,灰岩与15号煤之间夹有泥岩、砂岩或14号煤层。直接接触型煤层气井的产水量、产气量比间接接触型高。间接接触型15号煤层直接顶板的岩性、厚度对产气、产水都没有太大影响。     

Weak tensile characteristics of loess in China — An important reason for ground fissures

By means of uniaxial tensile tests, we analyzed the tensile characteristics of undisturbed and disturbed loess samples taken from the areas where ground fissures are prevalent. The study shows that the tensile strength and ultimate tensile strain of loess are very small, no more than 25 kPa and 0.5%, respectively. Water content and dry density are the two important factors for the tensile strength of loess, and show a decreasing exponential and increasing exponential relationship with the tensile strength, respectively. From the results of tensile tests on loess and the mechanism of ground fissure development in loess areas, we may draw a conclusion that the weak tensile strength, the loose structure and the collapsibility are the important contributing factors to the development of ground fissures in China's loess areas.     

煤矿井下碎软煤层顺层钻完孔技术研究进展

我国碎软煤层赋存层位多、分布广,普遍存在构造应力复杂、瓦斯压力高、煤体力学强度低、渗透性差等特点,钻进时易塌孔、喷孔、孔壁失稳,导致钻进困难、孔内事故频发、成孔深度浅、钻孔堵塞、存在抽采盲区等问题。随着煤炭开采深度的不断增加,碎软煤层瓦斯抽采钻完孔就更加困难。因此,碎软煤层高效、深孔、精准钻进技术以及增透、增产、护孔的完孔技术一直是碎软煤层瓦斯治理的重大技术需求和研究热点。从护孔、排渣、轨迹控制、完孔等成孔的关键技术难题方面,总结了碎软煤层顺层钻完孔技术研究现状和应用情况,分析了目前碎软煤层钻进技术存在的问题,提出了改进完善建议,分析了内控导向式旋转定向钻进技术,多孔介质充填式筛管、折叠膨胀管完孔技术等碎软煤层钻完孔技术新进展,为进一步完善现有碎软煤层钻完孔技术提供了思路。      

煤火区浅部松散煤体及采空区的探地雷达响应特征

探地雷达对浅层勘探具有较高分辨率,为煤田火区浅部松散煤体或采空区等典型火源地质结构探测提供了重要手段。然而如何识别各种火源地质结构体,确定火区重点范围还存在一定的理论不足。基于电磁波理论,采用时域有限差分法正演模拟了火区典型地质体地电模型雷达响应,其特征表现为：松散跨塌煤体对应雷达响应绕射波严重,其内部波形紊乱;空洞区顶界面回波能量强,较为连续,其内部无绕射。正演模拟和现场测试研究表明：探地雷达对识别浅埋火区煤层松散跨落程度,圈定火烧重点区域,减少灭火成本和火区开采安全事故具有重要的现实意义。     

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。     

基于层次分析法与频率比模型的采空塌陷危险性评价

采空塌陷危险性评价是编制地质灾害防治规划、开展地质灾害防治与监测预警工作的重要依据。本文采用层次分析法与频率比模型相结合构建了采空塌陷危险性评价模型（AHP-PF组合模型）。以沈阳市蒲河-清水矿区为例,考虑了地质条件、地表特征、开采条件等3方面影响因素,选取了第四纪覆盖类型、第四纪松散层厚度、地质构造复杂程度、可采煤层顶板强度指标、煤层倾角、地表沉陷速率、采深采厚比、采空区叠置层数等8个评价指标,利用AHP-PF组合模型计算各指标权重及频率比,最后进行采空塌陷危险性分区。评价结果表明,采空塌陷危险性高区主要集中在采深采厚比小、沉陷速率大及目前仍在开采的区域,该区域是地质灾害防治、搬迁避让的重点区域。     

Effect of bedding structural diversity of coal on permeability evolution and gas disasters control with coal mining

Bedding structure has affected gas flow in coal seam greatly, which also controls gas permeation direction and gas extraction results, and finally it has tremendous influence on prevention and control of gas disaster accidents. Combined with engineering practice of gas disaster prevention and control in China, in this paper, permeability evolution of nature coal in different bedding directions in the condition of loading is studied, and the results showed that in three directions of bedding fractures, permeability of coal which is parallel to bedding planes is the highest; it would be much easier for gas percolation along the bedding planes than other directions. In the unloading process, tension–shear destruction appears in coal sample which is oblique to bedding along the bedding planes, with a sudden increase in permeability. It is difficult for the crack damage from loading process to recover in unloading process, that is, permeability of unloading isn’t just a simple reverse process of loading. Combined with the permeability evolution of the three coal samples in the whole process, three permeability evolution models which include elasticity, plasticity and fracture are proposed. Based on the experimental results, gas extraction using boreholes along coal seam and through coal seam is compared during depressurized mining. Due to the bedding structure of coal seam, a large area of fracture network of “boreholes–bedding fractures” is formed among boreholes through coal seam and bedding structure, which makes the good effect of gas extraction using boreholes through coal seam. Research results will be of important guiding significance for choosing the best gas extraction scheme, layout of setting parameters of drilling boreholes and gas disaster prevention in the underground coal mine.     

黄土塬区延安组煤层地震响应特征物理模拟研究

针对黄土塬区延安组煤层地震响应复杂问题进行地震物理模拟研究。首先,研发适用于黄土塬地表干黄土层和煤层的模型材料,经过多次试验,最终选用在硅橡胶中添加硅气凝胶粉末的混合材料模拟疏松黄土塬地表层,选用在硅橡胶中添加超细碳粉的混合材料模拟低速低密度煤层;通过模具控制层位、逐层浇筑、三维雕刻起伏地层等方法,制作黄土塬区典型地质结构的三维地震物理模型,并开展地震物理模拟及地震成像分析。结果表明,延安组煤层与围岩较大的波阻抗差异形成较强的反射振幅,对下部地层的成像有较强的屏蔽作用;较厚的多组煤层之间会形成层间多次波,影响下伏地层的成像。用地震振幅属性对煤层进行刻画时,计算时窗大于40 ms更有利于煤层识别,但由于煤层存在调谐效应,用地震属性预测煤层厚度存在一定陷阱。