大采深厚松散层薄基岩条采地表移动特征研究

大采深、厚松散层、薄基岩条件下条带开采对地表建(构)筑物的影响,较之一般覆岩条件下条带开采引起的对地表移动变形影响要大。根据山东济北片区覆岩结构特点、煤层埋藏特点以及地面建筑结构分布特点,采用数值模拟研究、概率积分法预计方法、力学分析、现场观测等手段,针对深埋煤层厚松散层薄基岩这一条件下的条带开采引起的地表移动变形规律进行研究,并得出相应结论。也为诸多类似条件下条带开采地表沉陷研究工作提供指导。     

泉店煤矿薄基岩下联合开采工作面顶板活动规律研究

针对泉店煤矿11060联合开采工作面顶板薄基岩的典型特征,应用理论分析、物理模拟,现场实测等方法,对薄基岩煤层开采后的力学行为、覆岩变形破坏规律进行了分析和研究,总结了薄基岩厚松散层综放采场覆岩下沉、破断、冒落的过程及薄基岩工作面矿压显现的一般规律。     

厚松散层薄基岩地层井筒偏斜综合治理技术

针对厚松散层薄基岩地层井筒偏斜综合治理技术难题，以山东巨野矿区郭屯煤矿偏斜井筒地面注浆治理工程为背景，基于井筒松散层段偏斜与竖向压缩变形共存且向非对称开采工作面方向偏斜的全新破损特征，揭示郭屯煤矿井筒偏斜与竖向压缩变形机理，分析认为该2种特征分别是煤层非对称开采引发的底含非均匀疏水固结沉降叠加作用下地层水平倾覆推力和竖向附加力所致。本着确保安全、不停产治理的原则，制定了在役偏斜井筒不停产地面注浆综合治理方案，研发了系列井筒偏斜综合治理技术：(1)保护在役井筒“泄压-预警”双控地面高压注浆技术；(2)厚松散层单孔多层段注浆新型套管与施工工艺；(3)厚松散层地面注浆参数工程化确定方法；(4)在役井筒不停产运营下深孔高压注浆治理预警技术。综合监测结果表明：郭屯煤矿主、副、风3个偏斜井筒治理工程注浆过程中严格按照厚松散层薄基岩条件下偏斜井筒不停产综合治理技术进行实施，完成注浆孔钻探工程量31 026.8 m，注浆量达到35 536.66 m³，实现了矿井不停产注浆治理；治理后井筒向北向西不再继续偏移，主井井筒注浆期井口处向北和向西偏斜量分别减小12 mm和18 mm，副井...     

薄基岩厚松散层条件覆岩破坏规律研究

为了实现薄基岩厚松散层地质条件下水体压覆煤层的安全开采，采用相似材料模拟实验、理论分析，探讨了薄基岩厚松散层的采动破坏发育规律，提出了覆岩自稳结构的判据。研究结果表明：厚松散层薄基岩很难在基岩内形成有效的自稳结构，工作面推进一定距离后，基岩将全厚度断裂，松散层将作为一个整体跟随基岩弯曲下沉|解析了厚松散层的采动隔水能力，认为松散层底部岩层岩性、厚度及所受采动变形将是决定导水裂缝带继续向上发育的关键|结合三元矿薄基岩厚松散层水体下采煤，通过地面钻探实测，论证了粘土层具有较好的隔水能力，薄基岩厚松散层导水裂缝带发育高度止于松散层底部。     

煤层开采覆岩破坏与地表变形规律的数值模拟

基于研究矿区煤层覆岩的地质条件,结合数值模拟方法,研究了厚松散层薄基岩条件下不同采宽采厚开采的覆岩破坏与地表移动变形规律,得到了覆岩导水裂隙带高度随放采比及采厚增大而增大的结论,提出了该采区防水防砂技术,控制采高,加强顶板管理,为煤层的安全开采提供依据,为提高煤炭资源的开采率做出科学的分析和建议。     

薄基岩厚风积沙浅埋煤层覆岩变形破坏规律研究

为了研究薄基岩厚风积沙浅埋煤层开采时覆岩移动破坏规律,根据某矿工作面开采技术条件和岩石力学参数,采用数值模拟的方法,分析了采场上覆岩层破坏变形规律以及应力分布特征;基于关键层理论,推导了导水裂隙带的发展高度。研究成果为薄基岩厚风积沙浅埋煤层保水开采提供了理论依据。     

基于改进灰关联分析和熵权法的开采区域划定

为划定厚松散含水层薄基岩下煤层安全开采区域,降低煤层开采的安全风险,通过分析国内外大量薄基岩厚松散含水层下煤层开采的工程案例,选取导水断裂带高度、厚松散层底部含水层单位涌水量、采高、厚松散层底部黏土层厚度、以及覆岩厚度5个指标作为煤层安全开采区域划定的基础指标,并以导水断裂带高度与采高平方根之比、底部含水层单位涌水量、底部黏土层层厚与采高之比以及覆岩厚度与采高平方根之比作为评价因子,将厚松散含水层薄基岩下采煤的综合安全性划分为5个等级。通过将熵权理论引入改进的灰关联分析法中,建立综合评价模型,对某矿厚松散含水层薄基岩下煤层安全开采区域进行了划定。结果表明,应用该模型划定的煤层安全开采等级与实际等级完全吻合。     

厚松散层覆岩移动机理及“类双曲线”模型

现场大量工程实践表明厚松散层移动与常规基岩移动有所差异。目前岩层移动规律的研究主要侧重在两方面:一方面是采场岩层控制主要研究煤层附近顶板基岩的破断和移动规律,另一方面是地测工程主要研究地表松散层的沉降规律。将这两者有机相联,希望能更精准反映基岩和松散层的整体变形及移动规律。基于基岩初次断裂和周期断裂力学模型,获得了主拉应力的分布规律和破断迹线,揭示了基岩的倒漏斗型破断机理;结合概率积分法和剪切滑移理论分析了厚松散层的漏斗型移动机理。由此认为厚松散层覆岩的整体移动呈现"类双曲线"特征,并建立了岩层整体移动的"类双曲线"模型,可更好的预测地表沉陷范围。运用改进的采矿不连续变形分析程序MDDA模拟获得了厚松散层覆岩"类双曲线"型破断运移规律,一定程度上验证了理论模型的合理性。     

浅埋薄基岩煤层覆岩应力效应及变形破坏分析

研究浅埋薄基岩煤层开采后在采空区上方形成的导水裂隙带范围对保水开采具有重要意义。基于煤层开采后地表移动和岩体内部移动的内在联系,采用随机介质方法,将地表移动的基本参数应用于岩体内部移动规律的研究中,建立了上覆岩层移动变形力学模型,推导了煤层开采后采空区上方岩层内的位移、应变和应力的数学表达式,分析了上覆岩层变形破坏的影响因素和破坏力学机理。在此基础上,给出了浅埋薄基岩煤层开采覆岩隔水层的破坏判据,为浅埋薄基岩煤层保水开采提供理论依据。     

厚松散层下开采地表移动预计及岩移参数分析

厚松散层薄基岩下开采引起的地表移动规律及地表移动参数 ,有其明显的自身特点和规律。在厚松散层地层结构条件下 ,可将其视为随机介质 ,采用概率积分法预计地表移动变形。针对永夏矿区和焦作矿区内赋存有巨厚松散层的地层条件 ,以地表移动实测资料为基础 ,用数学方法分析了巨厚松散层薄基岩下开采地表移动特征及地表移动参数 ,并得出了地表移动参数与地质采矿条件之间的函数关系式     

赵固矿区厚松散层下开采地表移动特征实测研究

为了掌握赵固矿区厚松散层条件下地表移动特征,以相邻的赵固一矿和赵固二矿地表移动观测站实测数据为基础,通过数据拟合方法,得到厚松散层下开采地表概论积分法参数;总结分析了厚松散层下开采地表移动特征,以及造成上述特有规律的地质原因和开采技术原因;以实测和拟合数据得出了赵固矿区走向地表移动各角量参数。研究表明:由于采动后地表含水层失水固结,造成采动附加下沉,导致下沉系数较大,主要影响角正切值偏小,且覆岩中松散层厚度占比越大,其下沉系数越大;煤层顶板基岩较薄,顶板悬臂效应大大减小,另外在采动压力作用下应力拱轴线位置土体固结压缩,造成拐点偏移距减小或者为负值,地表下沉盆地边缘收敛过慢;由于覆岩中松散层厚度占比较大,造成赵固一矿地表移动各角量参数均小于赵固二矿参数。     

薄基岩浅埋深矿区地表开采沉降预测及影响因素分析

目前我国西北部地区浅埋深薄基岩开采区地表沉降现象日益严重。以鄂尔多斯某矿区为例,基于该矿区覆岩性质、地质条件、开采技术条件、地表沉降点观测数据,运用概率积分法对首采区的地表开采沉降规律进行了分析预测,并对该矿区典型的薄基岩浅埋深开采地表沉降的主要影响因素进行了分析。结果表明：①概率积分法的矿区开采沉降预测结果与实测数据基本吻合,表明采用该方法预测矿区地表移动参数是可行的;②由于矿区整体构造简单,且工作面内煤层基本呈水平分布,煤厚、采深、倾角等因素变化较小,综合分析认为顶板松散层基岩厚度比（H_S/H_J）、开采强度（工作面推进速度）是该矿区地表沉降的主要影响因素;③对工作面走向的顶板松散层基岩厚度比（H_S/H_J）曲线、开采强度（工作面推进速度）曲线与地表沉降量曲线进行了对比分析,认为松散层基岩厚度比（H_S/H_J）、开采强度（工作面推进速度）对矿区开采沉降具有相反的作用,且开采强度（工作面推进速度）对矿区开采沉降的影响较大。上述分析结论对于地质构造稳定的鄂尔多斯地区矿区开采沉降分析预测有一定的参考价值。     

陕北榆神矿区煤层开采顶板涌水规律分析

榆神矿区是我国陕北煤炭基地的重要组成部分,针对榆神矿区煤层开采顶板覆岩含水层涌水规律研究不足等问题,通过系统分析地质与水文地质结构特征,将矿区开采煤层覆岩划分为松散孔隙、基岩与风化裂隙、烧变岩孔洞裂隙4个含水层组,以及主、亚2个隔水保护层组;根据煤层采动导水裂隙与覆岩含(隔)水层组不同组合关系下的含水层涌水特征,提出了浅埋煤层侧向直接涌水、中深煤层侧向与垂向复合涌水,以及深埋煤层侧向涌水与垂向弱涌水3种含水层涌水模式;并采用数值分析方法,以榆神矿区典型矿井为研究对象,构建了采煤工作面尺度上煤层开采3种模式涌水分析模型,模拟结果显示,浅埋煤层侧向直接涌水型(凉水井井田),主采煤层为4^-2煤层,采动导水裂隙直接发育至松散含水层,工作面顶部含水层被疏干,总涌水量为47 m³/h,地下水流场受采动影响大;深埋煤层侧向涌水与垂向微涌水型(小壕兔1号井田),主采煤层为1^-2煤层,采动导水裂隙发育至基岩含水层,总涌水量为21.87 m³/h,以侧向涌水为主,由于主、亚隔水层复合保护,垂向涌水微弱;中深煤层侧向与垂向复合涌水型(曹家滩井田),主采煤层为2^-2煤层(均厚约为11 m),在分层开采条件下导水裂隙发育至基岩含水层内部,其侧向涌水量为23.17 m³/h,垂向涌水量为12.67 m³/h,地表松散含水层地下水流场变化较小,在一次采全高条件下导水裂隙突破亚隔水层,发育至风化基岩含水层底部,总涌水量增至131 m³/h,对松散含水层影响较大。此外,当导水裂隙带高度小于180 m、不能沟通风化基岩含水层时,随导水裂隙带高度增加涌水量增加幅度不大,当导水裂隙带高度大于180 m、导水裂隙揭露富水性较好的风化基岩含水层时,涌水量增加幅度较大,由此可见,抑制导水裂隙发育高度与覆岩强含水层的接触关系,是控制煤层覆岩涌水的一项重要措施。     

孟巴矿厚松散含水层下协调保水开采模式

孟巴矿的地质采矿条件具有近地表松散富含水层厚、煤层顶板厚、煤层厚的"三厚"特征,开采煤层覆岩中含有多个含水层组,矿井水害是威胁矿井安全生产的主要因素。在覆岩多水体条件下,为了有效防止近地表厚松散UDT含水层进入井下,导致淹井灾害发生,提出上保下疏的开采水害防治模式。一分层安全开采的关键技术是控制复合关键层的结构稳定,应用初始后屈曲理论解析其稳定性,得出结构关键层的极限破坏长度,通过线性回归给出分层开采覆岩导水裂缝带发育高度预计计算公式,分析确定了一分层开采工作面宽度不超过150 m,限高开采3 m;依据对UDT含水层防护的安全煤岩柱高度确定二分层开采高度,二分层开采后覆岩结构关键层发生破坏,既能够有效疏放LDT隔水层以下含水层水,又能够保证LDT隔水层的完整性,达到UDT水体不发生下泄的目的,保障了矿井安全开采;根据工作面协调减损开采原理,确定开采分层合理错距约为82 m,下分层的巷道布置在上分层开采采空区下的厚煤层分层错距协调限高开采布置模式,实现有效降低了覆岩应力的叠加效应,减轻LDT隔水层的变形破坏程度。开采结果表明:厚煤层分层协调布置开采方法,有效减轻了UDT含水层下LDT隔水层应力叠加损伤程度,保护了隔水层的完整性;一分层限高综采,二分层限高综放开采分次疏放了煤层顶板至LDT底板2个含水层组,解决了矿井排水能力较小条件下的水害防治问题;分层工作面错距协调布置开采方法,有效降低了开采边界导水裂缝带发育高度,减小了LDT变形破坏程度,同时释放了一分层区段煤柱应力,实现了覆岩整体下沉,不但有效地降低了覆岩破坏高度,而且减小了冲击矿压冲击强度,开采期间UDT水位变化幅度稳定保持在一定范围内,实现了多水体条件下上保下疏的厚煤层分层安全开采模式。     

浅部松散含水层下开采上“两带”观测与相关规律研究

针对煤层露头附近开采,对上覆岩层造成的破坏程度的问题,采用钻探、物探以及地表沉陷观测,进行了导水裂缝带发育高度和地表岩移规律研究,取得了浅部松散含水层下开采引起覆岩变形破坏及地表沉陷规律,得出了垮落带、导水裂隙带（简称上“两带”）发育高度及地表沉陷的主要参数。对煤矿浅部松散含水层下开采的水害防治工作及安全生产具有重大意义。     

露天边帮煤井工长壁综放开采工作面顶板压力计算

受露天矿剥离和内排回填的影响,采用井工长壁采煤法回采露天矿边帮煤的采煤工作面的顶板结构、覆岩活动规律、矿山压力显现规律与常规井工矿井地层条件下的工作面相比存在显著差别,因此,顶板压力计算方法也需要根据露天矿边帮煤特殊的顶板覆岩结构特点和应力场环境进行理论和实验研究。以黑岱沟露天矿一采区西帮和南帮煤为研究对象,分析其边帮煤层顶板覆岩结构特点。对于经过内排回填,且剥离较多的低台阶处煤层仅保留较薄且强度较低的基岩顶板,其上覆盖厚层的松散排土。这种软弱薄基岩厚松散覆盖层的顶板本质上不存在关键层,露天矿台阶下保留的软弱薄基岩仅仅作为井工长壁工作面的直接顶提供有限的保护作用。由于厚层的松散排土载荷作用,软弱薄基岩的破碎也较为严重。按照传统的矿山压力理论,这种不存在关键层的软弱薄基岩厚覆盖层的顶板压力应当按照支架上方全部岩层重量进行计算。然而,根据相似材料实验结果显示,支架实际受压比其上方岩层重量小得多。实验证明在没有关键层的顶板岩层中仍然存在某种保护结构。根据实验观察和矿山压力理论分析,结合放矿理论,提出了软弱薄基岩厚覆盖层的椭球拱结构和直接顶自承能力相结合混合力学模型。在露天矿边帮下煤层还存在另一种未进行内排回填的薄基岩无覆盖层的顶板覆岩类型。对于这种顶板覆岩类型,提出了薄基岩无覆盖层的台阶式悬臂梁结构和直接顶自承能力的混合力学模型。本文总结了露天矿边帮煤层3种顶板覆岩类型,推导建立了露天边帮煤井工长壁开采工作面3种顶板结构条件下的顶板压力计算解析公式。按照软弱薄基岩厚覆盖层的椭球拱结构和直接顶自承能力相结合混合力学模型计算的顶板压力与相似材料实验结果相吻合。考虑了直接顶自承能力计算的顶板压力比传统不考虑直接顶自承能力的顶板压力小约14%。采用实验和理论分析方法,对露天边帮煤井工长壁工作面开采过程顶板垮落、覆岩活动,顶板压力计算等矿山压力问题进行了系统研究。     

开采沉陷若干理论与技术问题研究

简要介绍了多年来中国矿业大学北京校区在开采沉陷理论与技术方面的主要研究成果：矿区地表移动规律；巨厚松散层条件下开采地表移动规律；块段开采条件下覆岩移动机理及地表移动变形计算；极不充分开采地表移动变形预计方法；基于倾角变化的开采沉陷模型研究；曲面分布形式煤层开采地表移动预计方法；覆岩离层注浆减缓地表沉降机理及减沉效果评价方法。开采沉陷预测分析系统的开发研究等。     

榆神矿区中深煤层开采覆岩损伤变形与含水层失水模型构建

煤层开采覆岩变形损伤是含水层失水主要原因,针对榆神矿区中深煤层开采影响下含水层失水规律研究程度不高问题,根据矿区主采煤层覆岩的地质与水文地质结构特征,总结提出中深煤层开采覆岩损伤变形影响下含水层"侧向直接与垂向渗漏"复合失水模式,以COMSOL多物理场耦合数值分析软件为平台,提出了中深煤层开采覆岩变形损伤与含水层失水数值分析模型的构建方法:①利用岩石力学模块,通过建立煤层开采条件下覆岩采动应力、孔隙率与渗透率耦合关系,模拟输出弯曲带覆岩各剖分节点的位移变形量,计算采动渗透系数变化;利用Mohr-Coulomb塑性破坏准则识别出采掘扰动下导水裂隙带的发育范围;②利用COMSOL软件平台中大变形几何体自动重新剖分计算模块,重新进行网格剖分,形成采动变形二次剖分网格;③在达西渗流模块中,根据含水层与导水裂隙带间的地下水运动状态的转化特征,把采动导水裂隙范围数值处理成达西渗流边界,重新输入采动渗透系数参数,以建立含水层地下水失水分析模型。最后以榆神矿区曹家滩煤矿为分析案例,建立工作面尺度上煤层开采覆岩损伤变形与含水层失水分析模型,模拟得出工作面2~(-2)煤层分层开采(5 m采高)条件下导水裂隙最大高度为128 m,发育至直罗与延安组基岩含水层内部,含水层失水总量35.84 m~3/h,其中侧向直接与垂向渗漏失水量分别为23.17,12.67 m~3/h,煤层开采对近地表松散含水层影响小;一次采全高(10 m采高)条件下导水裂隙最大高度为202 m,发育至富水性好的风化基岩含水层内部,失水总量增加至130.31 m~3/h,其中侧向直接与垂向渗漏失水量分别为92.65,37.66 m~3/h,煤层开采对松散含水层影响较大。     

大采高浅埋煤层开采地表移动变形特征研究

 大采高浅埋煤层开采地表地表移动变形具有一定的特殊性,在对韩家湾煤矿2304工作面开采地表移动观测的基础上,确定了韩家湾煤矿开采岩层移动参数,分析了影响采空区地表裂缝形成的主要因素,给出了厚松散层浅埋煤层开采地表移动变形破坏规律。为今后矿井“三下”开采以及保护煤柱的安全合理留设提供相关参数与科学依据。     

厚松散层大采高开采地表移动变形规律研究

针对神东矿区工程地质条件,构建了上湾煤矿地表移动观测站,选取了该矿12401工作面近1年地表移动观测数据,根据解析法计算工作面岩层移动角值参数,并运用FLAC3D对地表下沉及水平移动进行数值模拟。结果表明:地表下沉量与覆岩岩性成正比,下沉速度与覆岩岩性成反比,在厚松散层工程地质条件下,基岩离层被压密,岩体结构被破坏,造成地表下沉量和下沉速度增大,地表移动变形对矿区建筑物造成影响和损坏,衍生为地质灾害的诱导因子,当开采综合边界角为60°时,可减少地表移动范围,降低矿区地质灾害发生。