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。     

大采深综放开采覆岩移动规律离散元数值模拟研究

为研究大采深综放开采条件下地表移动变形过程中上覆岩层的演化机理,在分析陈家沟煤矿八采区8512,8513综放工作面地表移动观测数据的基础上,确定了覆岩关键层特征参数及其控制作用,并应用3DEC离散元数值模拟软件,模拟同等开采条件下,多工作面开采后覆岩移动变形特征。通过方差与回归分析法分析模拟数据与实测数据的置信度为0.95,保证了模拟参数的科学性与合理性。模拟结果表明:工作面宽深比为0.24时,关键层2以下的岩层均断裂破坏,关键层2起着控制覆岩沉陷的作用,关键层2以上岩层在移动过程中还会出现离层结构,到达地表的沉陷量小于关键层2的挠曲量;工作面宽深比为0.48时,关键层2底部破断、结构失稳,会产生下沉突变;工作面宽深比为0.72时,关键层2完全破断,但由于关键层2上覆厚泥岩的作用,抑制导水裂缝带的发育,发育高度基本趋于稳定,高度为196 m,裂采比为16.3;工作面宽深比为0.96时,覆岩关键层2与其下伏岩层之间的离层闭合,关键层2的铰接结构范围在横向扩展的同时也伴随着整体下沉,关键层2下伏岩层破断后持续密实到一定程度之后,就不再继续下沉,只是随着开采范围扩大,下沉盆地横向发育,此时地表基本达到充分采动状态。此成果能够为该矿"三下开采"评价提供理论依据,为后期开采提供科学性指导,为大采深综放开采条件下地表移动变形规律提供理论参考。     

厚黄土区大采高一次采全高地表移动变形规律

厚松散层下大采高一次采全高工作面开采强度大,回采率高,地表沉陷变形和岩移参数有其自身特点和规律。为研究大采高工作面地表移动变形规律,在王庄煤矿8101工作面上方设置了地表移动观测站。通过对观测资料的分析研究,揭示了厚黄土覆盖区、厚煤层一次采全高条件下地表沉陷变形特征,获得了该地质采矿条件下地表岩移预计参数和各种角值参数,分析了地表裂缝的发育、分布特征、裂缝宽度和深度等规律。与综放开采条件下的观测成果相比,大采高一次采全高工作面地表移动变形更加剧烈,沉陷过程在空间上和时间上更加集中,对地面建构筑物的影响更为显著。     

厚松散层浅埋煤层大工作面开采沉陷模型研究

首先基于西部矿区大规模高强度开采特点,分析了大工作面开采后形成的地表沉陷区特征,并根据地表沉陷区最终的移动变形特点将其分为3类:三向移动变形区(1-4区)、双向移动变形区(5-8区)及单向移动区(9区)。基于关键层理论并考虑松散层移动特点和基岩破断特征,建立了充分采动条件下的地表沉陷区全断面预测模型。在此基础上,根据地表移动变形特点求出了大工作面超充分开采后地表沉陷区全断面的分区预测模型,结合实例以走向主断面移动变形为例,以地表最大下沉值、地表沉陷边界至拐点的水平距离为指标,将实测值和预测值对比,结果显示两指标的误差分别为8.5%和8.7%,在一定程度上表明了预测模型的合理性。运用该理论可以更精准的研究大工作面超充分开采形成的地表沉陷区域,为分区预测、分区研究、分区治理修复开采引起的地表生态损伤奠定了一定的理论基础。     

煤矿开采地表移动与变形规律常规化研究模式

根据煤矿地下工作面回采引发开采沉陷的研究现状,探讨了矿山开采沉陷的地表移动和变形规律常规化研究模式,即综合应用岩移观测站实测数据的图解法、数值模型的模拟计算法、变形预计的拟合验证法和已有研究成果的参比法等,就能较科学地确定合理的地表移动变形预计参数与岩层移动角值,也可利用相似材料试验模拟覆岩采动的裂隙发育特征,钻孔观测工作面采动后覆岩离层发生的位置,以及三维激光扫描获取地表沉陷盆地的扩展规律。     

超高水材料覆岩注浆减沉实验研究

通过相似模拟实验技术建立相似比为1∶200的采场及上覆岩层模型,基于岩层的关键层理论对煤层采动过后的岩层移动进行理论分析,得出采煤工作面在推进120 m后,分布在关键层下部的上覆岩层发生离层并随着时间的增加进而影响到地表变形。利用建立的相似模型,模拟由地面向覆岩打钻孔至主要离层空间进行注浆,利用超高水材料良好的流动性、凝固时间可调及三向应力状态下不可压缩的特性,在地表下沉之前对离层裂隙进行充填,来控制由于煤层开采导致的地表沉陷。考虑到超高水材料的流动性、强度及凝固时间须符合注浆充填的要求,通过配比实验确定充填的材料的水灰比为1∶12。     

浅埋深厚煤层高强度开采地表沉陷规律研究

以西部神东矿区大柳塔煤矿为工程背景，选取典型的浅埋深高强度开采工作面52307工作面为研究对象，设立地表岩移观测站，并结合RTK观测技术与三维激光扫描技术进行实时监测，基于关键层理论和CISPM综合地表沉陷预计模型软件，综合分析在浅埋深高强度开采条件影响下，地表移动变形特征、地表岩移角值参数变化以及地裂缝发育等问题。研究结果表明：在工作面从开切眼向前推进过程中，地表下沉值在开切眼位置较小，之后突然迅速增大，下沉曲线急剧变陡，当达到最大下沉值时，下沉速度开始变缓；地表移动变形主要集中在工作面中部，工作面四周下沉变形较小，地表移动影响范围较小；大柳塔矿区地表岩移角值参数偏大，基岩移动角和边界角分别达到了87.7°和84.1°。开采引起的地裂缝整体呈“C”字型主要分布在工作面中部；随着工作面的不断推进，地裂缝从开切眼位置开始继续向回风巷一侧缓慢延伸、发育并逐渐闭合，最终形成连续包围“漏斗”型形状；地裂缝总是滞后于工作面出现，地裂缝滞后距与工作面推进速度呈线性增大的关系。根据地表沉陷规律及地裂缝发育分析结果得出，在浅埋深厚煤层高强度开采条件下，由于工作面开采强度大、推进速度快、关键层结构单一且...     

地表切落式裂缝破坏及控制研究

以补连塔矿12407综采工作面为例,通过分析关键层的破断失稳条件并进行关键层结构稳定的数值模拟。结果表明:神东矿区地表损害形式呈切落式裂缝破坏,覆岩中的关键层起到控制这种破坏的作用;总结出了3种沉陷控制方法,即:限高分层开采;覆岩离层带注浆充填减沉方法、二次条带式开采沉陷控制方法,旨在为神东矿区地表生态环境保护提供防治措施。     

厚松散层大采深多工作面接续开采地表移动规律研究

为了研究厚松散层大采深地质条件下多工作面接续开采地表移动变形规律,以开滦钱家营矿十采区岩移观测站观测数据为基础,对多工作面接续开采后地表动态变形进行分析总结,拟合计算了不同开采宽度下地表移动变形预计参数和岩移角量参数,补充了该地质条件下地表移动变形特征.     

正断层存在的地表沉陷特殊性规律研究

工作面周边存在较大断层时，一般采用留设断层保护煤柱法，使覆岩移动不直接影响到断层。为分析受正断层影响的地表移动变形规律，通过工作面开采前后地表裂缝与房屋墙体裂缝损坏的现场调查，发现位于常规沉陷影响边界之外至断层露头范围内仍有平行于断层走向的地表裂缝及墙体裂缝性损害；应用FLAC3D模拟研究了正断层影响下的上盘煤层开采时地表沉陷特征及断层带应力变化特征。结果表明：受开采扰动影响的断层带附近原始构造应力得到释放并产生一定变形，反映至地表为非对称性的偏态下沉；建筑物下伏岩层有较大断层时，应在边界角法或沉陷预计法留设地面建筑保护煤柱的基础上，考虑留设合理宽度的断层安全煤柱；同时提出断层带周边的应力变化可作为断层受开采沉陷影响与否的判定依据。     

新驿煤矿条带开采地表下沉规律研究

为研究新驿煤矿条带开采地表下沉规律,根据五采区具体地质条件对条带开采参数进行了设计,并对不同开采方案地表沉陷规律进行了预计,结果表明:1新驿煤矿上部覆岩多为无坚硬岩层,不存在"关键层",采用条带开采,地表沉陷较及时,且数值较大。2对五采区进行条带开采方案比较,开采宽度为60 m时,最大变形值在Ⅰ级变形范围内,可以保证村庄房屋的正常使用;工作面开采宽度为70 m时,可对房屋产生轻微影响;工作面开采宽度为80 m时,可对房屋产生破坏影响。     

短壁开采覆岩随时间变形的试验研究

相似模拟试验研究是一种重要的科学研究手段.针对五阳煤矿某短壁开采区域的岩层情况和采矿地质条件,运用相似理论建立了该煤矿相似模拟试验的平面应力模型.观测矿山开采过程中上覆岩层的移动情况,得到了在不同采留比条件下,煤柱、关键层的变形及地表沉陷规律及其与时间的相关性,为开采参数选择及地表沉陷预计提供参考.     

浅埋深大采高工作面条带离层注浆地表减沉技术

为解决浅埋深大采高工作面开采引起的地表沉降问题,运用理论分析和数值模拟研究方法,对F6201综放工作面开采过程中覆岩离层发展的动态规律进行了研究,得出条带分区域离层注浆的开采条带宽度应小于极限拱的跨度;离层注浆钻孔的最佳位置位于主关键层下界面离层发育空间最大处;钻孔注浆最佳时机应是开采跨度达到极限平衡拱的跨度时,即离层发育刚达到充分状态时。结果表明,该技术条件下地表减沉率可达79.35%。     

采煤沉陷积水区地表移动变形监测方案研究

为了治理采煤沉陷积水区地表的生态环境,对工作面开采造成的地表移动变形、采煤沉陷区积水区水下地形监测,通过对开采沉陷区的地质条件和地表变形特征进行分析,提出三维激光扫描仪配合测深仪的地表移动变形监测方案。为同类采煤沉陷积水区生态治理提供借鉴。     

离层带注浆充填时地表移动计算及充填效果监测

讨论了不同岩层组合条件下离层带注浆充填时地表下沉的预计问题，分别考虑了(1)岩层水平成层和倾斜成层；(2)注浆密实和部分未注浆；(3)顶部岩层坚硬，在各方向上压缩相同和顶部岩层软弱，浆液向后充填和上山方向挤出，各方向上压实不等的各种情况.简要介绍了采用地震波场对离层带浆液充填情况的探测原理，并据此进行地表沉陷的预计工作.     

基于关键层理论的概率积分法开采沉陷预计

以概率积分法的单元开采下沉计算公式为基础,以下沉前和下沉后的关键层构成的空间作为积分区域,预计沉陷区地表的移动变形。解决了单独采用概率积分法预计时在边界区收敛过快的问题,克服了拐点偏距选取的难题,增强了沉陷预计的科学性。     

采动影响下断层面离层空间产生及其对开采空间传递作用分析

当工作面上覆岩层中含有断层时,地表下沉规律与不含断层时具有显著差别。为了研究断层对开采空间传递的作用,利用空间守恒,通过理论推导发现工作面开采会使断层面产生离层空间,断层对开采空间传递具有增大效应并利用数值模拟进行了验证。研究结果表明:增大的开采沉陷空间主要来自于断层面离层空间;关键层下部软弱岩层在断层面的离层空间主要来自于采空区垮落岩石的再次压缩;关键层及上部岩层在断层面的离层空间主要来自于关键层与下部软弱岩层之间离层空间的减小;影响断层面离层空间大小的因素主要有工作面推进长度、基岩厚度、保护煤柱宽度、煤层厚度、断层倾角等,并且断层倾角与主要影响角的大小关系决定了断层面离层空间的产生。     

淮北矿区注浆充填开采地面沉降规律及分析研究

地下采煤引起岩层移动及地表沉陷,会对房屋建筑等设施造成严重损害。淮北矿业自2009年以来在杨庄、临涣、刘店等煤矿多个采煤工作面进行了采动离层注浆充填开采试验,同时进行实时地表移动与沉降观测。文中结合注浆充填开采工作面地质采矿条件、上覆岩层以及工作面参数等数据,采用注浆充填方式使地表减沉控制技术得以很好利用。     

基于影响函数法的厚硬关键层条件下覆岩移动预测模型

针对某矿8104工作面上覆岩层移动变形预测进行研究,将基于影响函数法的开采地表沉陷预计方法推广应用于地表至开采煤层之间的覆岩的移动变形与预计分析,建立厚硬关键层条件下覆岩移动预测模型,预测出的岩层下沉的数据绘制完整的上覆主要岩层在煤层回采过程中沿走向、倾向方向上的下沉曲线,以及对应的沉陷分布等高线、应变分布等高线,直观地反映出关键层对覆岩沉陷的影响程度及范围。     

采动地表沉陷全过程预计方法与存在问题分析

精确、可靠的开采沉陷预计结果既是井下工作面优化设计、采动损害程度评价的重要依据，也是土地复垦、生态重建设计和老采空区地表再利用稳定性评价的基础。随着实践认识的提高，开采沉陷的研究热点也逐渐从传统的移动稳定的终态预计转向采动地表移动变形的动态预计；当连续6个月累计下沉不超过30 mm时，则认为传统的采动地表移动已经停止，但随着冒落破碎岩石的压实压密导致的缓慢残余下沉仍将持续，且残余下沉的预计也逐渐引起了研究者的重视。基于采动地表移动规律，将采动地表沉陷移动全过程划分为2个阶段：第1个阶段是包括初始期、活跃期和衰退期的地表动态移动变形期；第2个阶段为衰退期结束后的残余下沉期。针对第1个阶段，分析了现有预计方法的优缺点，提出了基于时间函数与概率积分法结合的开采沉陷动态过程预计方法和时空基准，明确指出了只考虑时间而不考虑开采过程进行动态预计、对比验证的错误，强调了终态预计只是动态预计的一个特例，且该动态预计只适用于滞后下沉而不适用于残余下沉的预计。针对第2个阶段，顾及冒落破碎岩石压实压密引起的残余下沉量小，基于衰退期下沉与残余下沉的连续性、残余下沉线性衰减性，给出了给定地质采矿条件下地表残余下...