浅埋近距煤层开采覆岩与地表裂缝发育规律及控制

我国西部神府东胜煤田主要赋存浅埋近距煤层,煤层埋藏浅,覆岩上部厚松散层大范围分布,近距煤层开采导致覆岩与地表裂缝发育严重,加剧了原本脆弱的生态环境进一步恶化。为探究浅埋近距煤层开采覆岩与地表采动裂缝发育规律,掌握其控制方法,以柠条塔煤矿1-2煤层和2-2煤层开采为背景,结合实测统计分析、物理模拟和分形理论,掌握浅埋顶部单一煤层开采和重复采动下覆岩与地表裂缝发育特征,揭示煤柱布置对裂缝发育的控制作用。研究表明,煤层开采导致的地表裂缝可分为平行于工作面的动态裂缝和工作面开采边界地表裂缝(切眼边界侧地表裂缝和区段煤柱侧地表裂缝),动态裂缝在开采后能够实现自修复,工作面开采边界的地表裂缝不能自修复。下煤层开采区段煤柱侧覆岩与地表采动裂缝发育严重,其与区段煤柱错距密切相关。1-2煤层开采后,基岩垮落角为60°,土层垮落角为65°,边界煤柱侧地表裂缝的宽度为0.26 m。下部2-2煤层开采,煤柱叠置、错距20、40 m时,区段煤柱侧覆岩采动裂缝宽度分别为0.81、0.45和0.22 m,地表裂缝宽度分别为0.65、0.30和0.12 m。通过确定合理煤柱布置方式,能够有效控制覆岩和地表采动裂缝的发育程度,据此确定柠条塔煤矿1-2煤层和2-2煤层开采的合理煤柱错距应大于40 m。      

松散黄土堆积层下煤矿采空区地表塌陷形成机理

基于现场调查和室内测试,研究了青岛-兰州高速公路邯郸至涉县段沿线采空区地表塌陷特征,探讨了松散黄土堆积层下采空区地表塌陷的形成机理。研究结果表明：采空区地表塌陷表现为塌陷坑、地裂缝和沉陷盆地,分布规律不明显,塌陷明显滞后于煤层回采;地表塌陷形成的主要原因是由于煤层埋深浅,“两带”高度可直达地表,而上覆松散黄土层结构构造独特,具有一定的结构强度,因而不会立即垮落,在松散层内顺黄土垂直节理先形成拉裂缝,而后在地表水流作用下发生潜蚀、淘蚀,裂缝进一步扩大延伸而形成塌陷坑。     

浅埋煤层非坚硬顶板强制放顶实验研究

以南梁煤矿地质资料为依据,通过对不同覆岩条件和不同强制放顶方案的相似材料模拟实验,证明整体性较好的顶板以强制放顶减小工作面初次来压步距是可行的,既可实现工作面连续推进,又可避免顶板大面积垮落带来的安全隐患。实验揭示了地表厚粘土层浅埋煤层单体支柱工作面开采时,顶板活动及矿山压力显现规律;为南梁煤矿单体支柱长壁工作面实现连续开采,提供了可靠依据。      

典型浅埋煤层长壁开采覆岩采动响应与控制研究

为了进一步完善典型浅埋煤层长壁开采覆岩运动与控制理论,以神东矿区22616工作面为工程背景,采用试验模拟、理论分析与现场应用相结合的方法,研究典型浅埋煤层长壁开采老顶破断特征及地表砂土层载荷传递效应,提出采场支架合理工作阻力计算方法,并成功应用于工程实践。研究结果表明:浅埋采场老顶滑落失稳瞬间,动载显现剧烈,覆岩台阶下沉明显,砂土柱间的摩擦作用导致地表砂土层载荷存在一定的传递效应,并非以其全部自重作用于基岩老顶。基于这一特性,引入岩柱法修正老顶结构经典力学模型参数,改进浅埋采场来压顶板支护力数学模型。理论计算采场初次来压控顶支架最大工作阻力为10 506.8 kN/架,周期来压控顶支架最大工作阻力为7 475.26 kN/架,均与现场观测数据较为吻合,采场ZY11000/24/50型液压支架刚好满足控顶要求,保障了工作面安全、高效开采,为典型浅埋煤层长壁开采工作面支架工作阻力确定及选型提供了重要参考。     

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。     

浅埋采场初次来压顶板砂土层载荷传递研究

通过实测发现了厚砂土层载荷传递现象,提出了顶板关键层载荷层载荷传递因子的概念。运用动态载荷相似材料模拟实验,得出了初次来压期间厚砂土层的“拱形”和“弧拱形”破坏特征,建立了载荷传递力学模型,得出了初次来压载荷传递因子的计算公式。     

巴彦高勒煤矿3-1煤层顶板垮落裂缝带发育特征

煤层顶板为高承压砂岩含水层,煤层开采过程中,为解决上覆砂岩含水层带来的顶板垮落及裂隙导水等安全问题,以鄂尔多斯盆地南部巴彦高勒矿井3-1煤层及顶板为研究对象,基于矿井地质、水文地质、开采技术条件及现场矿压显现特征,采用现场压力试验法和数值模拟法相结合,研究3-1煤顶板垮落裂缝带的发育特征,以及煤层在大采深、高矿压、高水压条件下的煤层覆岩运移特征及其主控因素。结果表明:数值模拟和现场压力试验结果基本一致,判断3-1煤开采后,顶板垮落带发育高度为38.7m,顶板垮落裂缝带最大高度为126m,裂采比为23.7。为煤矿预测煤层顶板裂隙带发育高度提供了一种新的方法。研究结果对内蒙古呼吉尔特矿区乃至周边相似地质条件矿区的安全开采和煤层顶板防、隔水煤柱的留设提供测试方法和参考依据。     

浅埋煤层厚沙土层顶板关键块动态载荷分布规律

通过动态载荷传递相似模拟实验方法,对浅埋煤层顶板厚沙土层的采动破坏机理及对顶板关键块的载荷传递进行了研究,得出了顶板关键块上的动态载荷分布规律,为揭示载荷传递机理和建立顶板动态结构理论奠定了基础      

浅埋煤层覆岩切落裂缝破坏及控制方法分析

陕北神东矿区厚风积沙松散层、薄基岩条件下浅埋煤层开采引起的地表沉陷,呈非连续切落式裂缝破坏。大量研究表明,这种裂缝损害受覆岩中关键层的控制。因此,研究浅埋煤层关键层的破断规律和失稳条件是解决这种条件下采动损害控制的关键技术。以神东矿区大柳塔1203综采工作面为例,应用理论分析和数值模拟方法研究覆岩中关键结构层稳定条件与采动损害之间的关系,为神东矿区生态环境保护,确定合理、经济的保水控制开采方法提供理论依据。      

盾构穿越砂卵石地层地表沉降特征细宏观分析

以成都砂卵石地层中地铁1号线的土压平衡盾构掘进施工为研究背景,采用室内试验、PFC2D二维颗粒流程序和 Plaxis 3D有限元软件对盾构穿越砂卵石地层地表沉降特征进行了细宏观数值模拟,揭示了土压盾构穿越砂卵石地层的失稳机制和沉降规律,并结合实际施工参数和实测地表沉降数据进行了对比分析,获得了土压盾构在砂卵石地层中掘进引起的地表横向沉降槽和纵向沉降槽曲线,分析了不同大小的开挖面土仓压力和盾尾注浆压力对地表沉降的影响,给出了砂卵石地层开挖面土仓压力的建议值和盾尾注浆压力参数的合理取值范围。细宏观分析表明,与注浆压力相比较,土仓压力对地表最大沉降曲线的形状影响较小;但必须关注土仓压力的变化,在砂卵石地层中由于土拱效应对开挖面稳定性影响较大,甚至发生突然坍塌破坏。     

也论覆盖型岩溶地面塌陷机理

为了更好地给覆盖型岩溶地面塌陷的处置和防治提供理论依据,根据可溶岩上覆盖层物质成分、地质结构及其物理力学性能的差异,首次将覆盖型岩溶地面塌陷机制区分为沙漏型、土洞型和泥流型3种类型。砂性土层分布区,由外界因素的触发导致沙颗粒向岩溶通道和溶洞漏失而产生的地面塌陷现象称为沙漏型塌陷。重力和岩溶提供的有效空间是产生沙漏型塌陷的必要条件,地下水作用加速了沙漏型地面塌陷发生,缩短了塌陷发生的过程。发生在黏性土和密实砂性土层中、由于土洞洞顶拱效应失效而产生的地面塌陷现象称为土洞型塌陷; 天然土洞通过地表水侵蚀与地下水潜蚀作用、砂土漏失和软土流失等3种方式形成; 土洞的形成和发展时期内洞顶上方土体是稳定的,在外部因素触发而导致洞顶拱效应失效时才发生地面塌陷; 土洞型塌陷具有隐蔽性和突发性的特点。由软弱土体流失而产生的地面塌陷现象称为泥流型塌陷。泥流型地面塌陷是软弱土体向溶蚀通道和溶洞中流失的结果。岩溶地面塌陷的触发因素包括地下水作用(垂直和水平渗流、土/岩界面处地下水位频繁波动)、外加荷载(动荷载和静荷载)和土洞顶板抗力降低(顶板强度降低、厚度减薄和结构破坏)等方面。这些外因触发了岩溶地面塌陷的发生。     

大断面厚顶煤巷道顶板冒落破坏的上限分析

根据大断面厚顶煤巷道顶板的破坏特性,考虑了顶板围岩应力水平与支护荷载的影响,利用Hoek-Brown强度准则及其相关联的流动法则,构造出厚顶煤巷道顶板的冒落破坏机构。基于塑性力学中的上限分析方法,结合变分原理,推导得到了大跨度厚顶煤巷道顶板的冒落破坏机制,并以赵楼煤矿某巷道现场实践为例,分析了不同计算参数对顶板冒落破坏机制的影响。计算研究表明：随着岩体经验参数A、抗拉强度、抗压强度及支护荷载的增加,冒落体尺寸随之增大,而当岩体经验参数B、围岩应力及岩体重度增加时,冒落体尺寸则随之减小;冒落体尺寸代表了巷道顶板安全性能的大小,其尺寸越大,表明使巷道顶板发生冒落破坏所需外力功越多,顶板安全性能也越高;岩体经验参数B、围岩应力水平与支护荷载对顶板围岩破裂机制影响较为显著,参数B决定了冒落体的破裂形状,随着参数B的增加,冒落破裂迹线的曲率不断减小;增大支护阻力是提高顶板稳定性的有效途径,其研究结果可为大断面厚顶煤巷道支护设计提供一定的理论依据。     

砂卵石地层土压盾构掘进掌子面稳定性室内试验与三维离散元仿真研究

采用?800 mm模型土压盾构开展室内掘进试验,以探究砂卵石中土压盾构隧道掌子面失稳诱发地层变形特征。同时,补充开展三维离散元仿真以挖掘室内试验难以获取的掌子面失稳信息,并研究隧道埋深对掌子面稳定性的影响规律。研究结果表明：砂卵石地层中盾构隧道掌子面失稳发展到地表后,沉降曲面呈上大下小逐步收缩的沙漏状,影响范围小于砂土地层。考虑盾构动态掘进过程后,卵石颗粒接触关系变化十分剧烈,掌子面稳定性被削弱,极限支护压力随之增大。掌子面极限支护压力随隧道埋深基本呈线性增加,极限支护压力与初始支护压力之比则随埋深增大而减小。掌子面失稳机制可根据隧道埋深划分为3种模式。与既有研究相比,考虑了盾构动态掘进过程与实际工程更加接近,可为确保砂卵石地层土压盾构隧道施工掌子面稳定提供参考。     

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。     

深圳地铁一期工程浅埋暗挖施工地层变形模式

基于城市地下工程浅埋暗挖法施工的地层变形特点,提出了地层整体下沉和抽冒式地层变形的模式,分别建立了相应的力学模型,给出了相应地层变形模式下的稳定性特点和地层沉降曲线,并对其主要影响因素进行了分析。该模型可以较好地解释不同地层的变形特点和规律,分别揭示了黏性土和砂性土地层条件下产生大变形及地面坍塌的机理,指出地层变形通常是由结构层的失稳和破坏所致,并且在整体沉降模式下结构层表现为梁式结构,而抽冒型变形模式下结构层则表现为压力拱结构,因此,梁/拱结构的稳定性是地表沉降控制的核心。梁式结构层控制的重点是梁端支承点的加固和离层区域的及时补充注浆,而拱式结构控制的重点则是拱角地层的稳定性。由此可为地层变形的控制和环境评价标准的制定提供依据。结合深圳地铁一期工程6标段和3A标段的典型条件,分别针对整体沉降和抽冒结构模式成功地进行了地层变形控制实践,取得了理想的效果。同时也为深圳地铁及城市地下工程施工地层控制标准的制定提供了有益的建议。该成果对城市地下工程的环境控制具有普遍的指导意义和借鉴作用。     

深部土煤系风化岩接触带类型划分及其意义

深部土岩接触带是指厚表土底部一定厚度的土层及其下一定厚度的煤系风化岩组成的土岩组合体。由于它由高压态土体、高压水和软弱破碎风化岩体组成,故具有整体不良的工程地质性质,在接近该带下采煤时易发生采场顶板矿压突变剧增、突泥溃砂、突水等重大安全问题。在煤田地质勘探资料的基础上,根据深部土层土性和岩层岩性将深部土岩接触带划分为4种类型：砂土-砂岩接触类型、砂土-泥岩接触类型、粘土-砂岩接触类型、粘土-泥岩接触类型,分析了每一种土岩接触带类型对应的工程地质意义,并对丁集矿井西南区13-1煤层的土岩接触带类型进行了划分,认为13-1煤层土岩接触带类型以砂土-泥岩、砂土-砂岩为主,近松散层工作面受到底含水的威胁比较严重,工作面溃泥、溃砂、压架出水的可能性比较大,开采设计时要充分考虑。     

郑州黄河岸边开采地下水对大堤稳定性影响

通过对郑州市黄河大堤一线土体的沉降，压密固结，饱水砂土的地震液化研究，认为黄河大堤附近浅层地下水开采后所诱发的地面沉降，固结过程，不会对大堤造成危害，而饱水砂土的水位降低，还会减轻或消除地震时液化砂土现象，对大堤的稳定性有利。