浅部老采空区地表建设可行性评价

针对浅部老采空区地表建设可行性问题,提出3个方面主要评价:老采空区覆岩是否已垮落压实;若未完全垮落,其稳定性如何,若失稳,地表是否会产生非连续变形;地表残余沉降与变形量值。研究并推导了荷载影响下浅部老采空区残留煤柱失稳和残留空洞覆岩整体失稳的判别公式;研究了残留空洞上覆岩层逐层破断向上发展的条件,推导了地表发生非连续变形的判别公式;指出浅部老采空区地表残余移动变形可采用残余变形系数法或等效厚度法进行计算。最终,根据不同采煤方法结合采取的措施给出了浅部老采空区地表建设可行性评价指标和准则。工程实例证明了评价方法的合理性和浅部老采空区地表建设的可行性。     

建筑荷载影响下的浅部老采空区覆岩变形破坏相似材料模拟研究

针对在深厚比较小的浅部老采空区地表建设易引发该区覆岩失稳破坏的问题,采用相似材料模拟试验方法,对浅部老采空区残留空隙分布、建筑荷载影响下的覆岩空隙演化及地表沉降特点进行了研究。研究结果表明:受荷载影响的老采空区残留空隙二次压缩或失稳是浅部老采空区地表产生新的较大变形的根本原因;老采空区覆岩残留空隙主要包括:岩层结构已平衡的在无外因扰动下将长期存在的离层、垮落和裂缝带内破损岩层虽经历长时间压实但仍存在的裂隙、开采边界覆岩未完全垮落而形成的空洞;浅部老采空区覆岩内不存在弯曲带岩层的整体性支撑效应或此类覆岩较薄不足以分散荷载的影响,荷载直接作用在垮落和裂缝带破损岩体上,使得破损覆岩再次压密失稳破坏;采空区边界残留空洞受荷载影响,在其上方发育纵向裂缝,随着荷载的增大覆岩沿纵向裂缝整体性断裂,直至切冒到地表,对拟建建(构)筑物的结构安全影响极大。     

采空区充水活化及覆岩变形规律试验研究

为了研究充水情况下老采空区“活化”机理及覆岩运动规律,基于相似理论制作了采空区相似材料模型,通过人工注水的方式模拟采空区垮落带浸水状态,进行了煤层开采及充水条件下覆岩沉降变形观测,对采空区充水后上覆岩层变形规律、覆岩破坏形式进行研究。结果表明,煤层被开采后,自下而上会产生垮落带、断裂带和弯曲下沉带,采动破坏岩石会支撑上覆岩体,使得采空区边界存在空洞区域;煤层开采后的老采空区存在大量空洞、空隙,充水后采空区覆岩会发生“活化”,垮落带破碎岩石进一步压实,离层裂隙中间区域的压密程度高于两侧,随着充水时间延长,覆岩裂隙逐渐拓展,且采空区充水第一次观测时沉降量较大,之后岩层沉降量变化有减小趋势;采空区充水后垮落带上方岩层沉降量最大,覆岩越靠近地表,采空区充水对覆岩影响程度越小。     

采煤塌陷区土地建筑利用技术与工程应用

我国采煤塌陷区土地量大面广利用率低,加大对采煤塌陷区土地利用具有重要意义。为科学评估采煤塌陷区土地建筑利用的可行性和适宜性,采用理论计算和工程验证方法研究了塌陷区建筑地基的稳定性。在充分分析研究区下方老采空区特征和分布情况的基础上,采用概率积分法并选择合理的残余沉陷预计参数计算了该区地表后期的残余沉陷变形。采用地基附加应力法计算了新建建筑荷载在采空区上方地层中的影响深度,通过对比其与垮落裂隙带高度的空间位置关系来定量评价老采空区地基稳定性,并综合考虑地表倾斜变形指标确定建筑物高度。为确保建筑物安全使用,提出了基于地表残余沉陷变形的建筑物抗变形措施。研究表明：研究区后期将承受Ⅰ级残余沉陷变形,新建建筑荷载影响深度不会波及到垮落裂隙带范围,不会导致老采空区“活化”,实践效果验证了评价结论的可靠性;对采煤塌陷区进行工程建设利用和商业开发具有可行性,可以有效利用塌陷区废弃土地资源,生态效益和社会效益良好。     

采煤塌陷区土地建筑利用技术与工程应用

我国采煤塌陷区土地量大面广利用率低，加大对采煤塌陷区土地利用具有重要意义。为科学评估采煤塌陷区土地建筑利用的可行性和适宜性，采用理论计算和工程验证方法研究了塌陷区建筑地基的稳定性。在充分分析研究区下方老采空区特征和分布情况的基础上，采用概率积分法并选择合理的残余沉陷预计参数计算了该区地表后期的残余沉陷变形。采用地基附加应力法计算了新建建筑荷载在采空区上方地层中的影响深度，通过对比其与垮落裂隙带高度的空间位置关系来定量评价老采空区地基稳定性，并综合考虑地表倾斜变形指标确定建筑物高度。为确保建筑物安全使用，提出了基于地表残余沉陷变形的建筑物抗变形措施。研究表明：研究区后期将承受Ⅰ级残余沉陷变形，新建建筑荷载影响深度不会波及到垮落裂隙带范围，不会导致老采空区“活化”，实践效果验证了评价结论的可靠性；对采煤塌陷区进行工程建设利用和商业开发具有可行性，可以有效利用塌陷区废弃土地资源，生态效益和社会效益良好。     

软岩近距离煤层采动覆岩破坏特征模拟研究

为了研究软岩煤层组开采过程中围岩及地表的破坏移动规律,基于采动覆岩移动、裂隙分布规律及破坏机理,采用相似模拟研究方法,以依兰煤矿首采区工作面为工程原型,建立了地质力学模拟模型,分析研究了软岩煤层组的采动力学演化特性、顶板裂隙破断发展轨迹、地表移动变形规律和围岩塑性区分布范围.研究得出:依兰煤矿首采区上煤层采后覆岩破坏最大裂采比为7.5,多煤层覆岩综合裂采比为9.3,地表下沉系数为0.76,地表移动变形值达到Ⅳ级变形;揭示了覆岩纵向裂隙呈梯形分布于采空区两端,横向裂隙分布于顶板应力卸压区的特征;指出采空区围岩应力与空间位置有关,顶板应力变化幅度大于煤柱应力变化;分析得到"三软"覆岩移动变形速度较大,同时软岩煤岩层对采动围岩变形起到了缓冲作用,覆岩裂隙破坏范围在围岩中受到限制.     

厚黄土覆盖层下覆岩采动裂缝闭合特征及应用研究

为科学评价老采空区作为新村址的地基稳定性,采用钻孔冲洗液漏失量观测、彩色钻孔电视观测、理论计算方法对厚黄土覆盖层条件下煤层开采16a后覆岩采动裂缝闭合特征进行研究。结果表明:经过多年移动变形,采空区上覆岩层中未发现离层、空洞,采动裂缝已基本闭合,工作面煤柱上方未发现明显裂缝,隔离煤柱有效控制了覆岩裂缝发育。采动裂缝宽度与采空区距离呈现远小近大的特征,距离采空区较近的覆岩裂缝宽度相对较大,距离采空区较远的覆岩裂缝已基本完全闭合,导水裂缝带高度最大减少了21%。分析认为,建筑物附加载荷对老采空区的扰动、残留空隙二次压缩和地表残余变形对新村址影响较小,地基具有较好的稳定性。     

FLAC在老采空区地基稳定性评价中的应用研究

以皖北某矿老采空区上方地基稳定性评价为例,研究了应用FLAC进行老采空区地基稳定性评价的过程与方法。研究表明,使用FLAC模拟老采空区地表移动和变形必须对岩层参数进行修正。模拟计算结果显示,老采空区地表残余移动变形与一般开采条件下主断面地表移动和变形具有相同的分布规律,在载荷作用下,地表移动和变形的大小范围均增大,该区域地表残余移动变形不会影响新建建筑物的安全使用。     

综放开采覆岩结构破坏与裂隙演化的数值分析

为了研究五阳煤矿综放开采条件下的覆岩与地表移动、变形和破坏规律,在现场地表观测的基础上,将地表变形看作是一个采空区上方岩体不断破碎断裂发展的过程,运用离散元软件建立了一个非连续介质模型,从岩体内部结构演化角度研究了开采模式和开采速率对覆岩结构演化及地表变形的影响规律.模拟结果与现场观测基本一致,研究表明开采速度提高主要引起开采过程中顶板结构面发育不充分,覆岩整体承载能力降低,地表变形速率增加,对地表建筑物危害加大.采高的增加则会使覆岩结构发育范围和程度明显增大,地表变形更剧烈,范围更广.     

大柳塔煤矿多煤层开采覆岩变形破坏模拟研究

针对大柳塔煤矿远距离多煤层开采冒裂带发育及采动影响问题,通过相似模拟和数值模拟计算,系统研究了2个主采煤层开采过程中覆岩垮落、裂隙发育及地表沉陷规律。研究结果表明：浅部2-2煤覆岩主关键层破断后,顶板基岩会发生直达地表的整体切落现象,5-2煤一次采全高长壁开采冒裂带连通上部采空区,形成工作面涌水的导水通道;重复采动岩层与地表移动和变形值增大,非连续性破坏增加;采空区上覆岩体依据主应力分布可划分为双向拉应力区、拉压应力区和压应力区3个区,主应力状态对采动裂隙的形成、发育起着控制作用;采动影响与工作面几何参数密切相关,地表沉陷随着工作面斜长或采厚的降低而减小。研究成果对大柳塔及类似条件下的煤矿安全开采与设计有指导意义。     

铁矿充填剩余空区地表建筑建设适宜性评价方法

为了评价张马屯铁矿采空区充填剩余空区地表建设的适宜性,通过现场实测、理论分析和经验类比相结合的研究方法,分析了小片采空区、连片采空区和上下两层采空区3种不同类型充填剩余空区的顶板 稳定性,划分了地表不同程度残余变形区域,研究了建筑物载荷影响深度与覆岩破坏高度的相对关系,分析了地表监测点沉降特征,评价了建筑建设适宜性,并提出了建设场地安全保障措施。研究表明：张马屯铁矿 剩余空区顶板稳定,不会发生大面积塌陷,建设场地地表75.8%区域内建筑受到I级轻微损坏变形,15.6%区域内建筑受到Ⅱ级轻度损坏变形,危险程度较低,地表新增360 kPa建筑荷载对剩余空区稳定性无影响,地表 整体沉降较小,剩余空区稳定性较好,建设场地进行工程建设（建筑高度36 m以下）的适宜性较好。     

长壁矸石充填开采上覆岩层移动特征模拟实验

长壁矸石充填工作面采空区由于被充填材料占据,上覆岩层移动特征将不同于垮落法管理顶板,采用相似模拟和数值计算模拟工作面回采和矸石充填过程。通过改变支架初撑力和工作阻力、充填材料的夯实力,模拟不同充填率情况下上覆岩层应力变化和岩层移动特征,结合现场实测结果认识长壁矸石充填开采上覆岩层移动规律。研究发现：支架工作阻力对充填效果影响显著,充填支架高初撑力和工作阻力可以限定顶板的变形,保证足够的时间使更多的充填材料充进采空区,进而减小缓慢下沉带高度,控制地表变形。采空区内充填材料限制直接顶的变形、下沉以及冒落,直接顶以断裂和冒落为主,冒落后整齐地排列在采空区矸石上。基本顶以弯曲下沉形式随直接顶移动,上覆岩层冒落高度显著降低。     

缓倾煤层采空区滑坡形成机制数值模拟研究

以贵州都匀马达岭滑坡为例,采用离散元方法,研究了缓倾煤层采空区滑坡的变形发展过程,提出了该类矿区滑坡防治建议。研究结果表明:采空区顶板塌陷导致上覆岩层弯曲-沉陷,地表产生沉降变形,同时采空区边界部位产生倾倒式拉裂,在地表形成深大拉裂;采空区上部岩体沉陷变形导致坡脚部位岩层往坡外剪切滑移;中部滑面沿变形后倾向坡外的层面和陡倾节理组合形成阶梯状滑面。滑坡形成机制可概括为由采空区顶板变形引发的阶梯状蠕滑—拉裂—剪切滑移式滑坡。缓倾煤层采空区滑坡的防治应从防止采空区顶板塌陷入手,通过回填矸石或加强顶板的永久支护来防治采空区上覆坡体的变形。     

卸压煤层气地面井的破坏方式探讨

本文在介绍卸压开采引起的上覆岩层的移动变形特征的同时,重点分析了卸压开采上覆岩层的移动形式,并在此基础上分析了卸压煤层气地面井的受力情况,根据煤层气井的受力情况进一步探讨了卸压煤层气地面井的主要破坏方式,得出卸压煤层气地面井所受的基本外载力有轴向拉（压）力、径向外挤压力、层间滑移剪切力以及它们的共同作用力,进一步探讨得出卸压煤层气地面井的破坏方式有轴向拉伸变形破坏、径向挤压变形破坏、层间剪切变形和错断破坏以及双轴共同作用下的错断破坏,本文的研究结果对卸压煤层气地面井的稳定抽采有着重要的意义。     

浅埋房式采空区下煤层长壁综采矿压规律研究

根据温家梁三号煤矿地质生产条件,采用理论分析、数值模拟及现场实测等方法,分析了浅埋房式采空区下综采长壁工作面矿压规律。结果表明:工作面充分采动后覆岩呈现冒落带与裂隙带的"两带"发育特征;在工作面来压期间出现顶板沿支架前方煤壁处切落现象,台阶下沉量高达1.0m,在地表形成断裂地堑。     

采煤沉陷区建设用地综合治理成套技术及应用

以淮北矿业集团拟建办公中心在采煤沉陷区进行建设为例,提出了针对老采空区的综合勘察技术;基于老采空区残余空间、破裂岩体裂隙分布规律、建筑荷载作用下老采空区的变形破坏规律及地表变形的时间效应,提出了采煤沉陷区建设用地地基稳定性评价方法;基于工程实践,提出了老采空区注浆治理的设计和检测方法,并初步形成老采空区治理效果检验标准;最终形成了包括老采空区勘察技术、采煤沉陷区地基稳定性评价技术、老采空区注浆治理技术、注浆效果检测及后评价技术的采煤沉陷区建设用地综合治理成套技术。该技术的应用为采煤沉陷区土地资源利用提供了新途径。     

老采动区覆岩裂隙发育特征及活化机理研究

采用钻孔勘探、钻孔电视、地球物理测井、岩石力学测试等技术和方法对老采空区覆岩裂隙发育特征进行了研究。研究结果表明:老采空区弯曲带岩层的整体性未遭破坏,表现为连续平缓的弯曲变形,局部有裂隙产生;裂缝带岩层产生裂隙或断裂发育,但尚未塌落;垮落带岩层断裂破碎塌落,有残留空洞发育。对其中的53条采动裂隙发育特征统计显示,裂隙平均间距1.08m,间距小于2.0m的裂隙占统计数据的85%,老采动区采动岩体裂隙以低角度裂隙为主,倾角小于30°的裂隙占统计数据的68%;煤炭开采引起的地下空洞、离层、裂隙和垮落带的欠压密、孔隙饱水等现象是老采动区活化的根本原因。     

老采空区上方地基稳定性及残余变形规律研究

以峰峰矿区为例,通过对地面荷载与采空区多种组合关系的建筑物基础附加移动和变形的影响规律研究,得到各因素对建筑物稳定性的影响情况。研究结果表明,当建筑物荷载不扰动垮落断裂带时,建筑物安全;当扰动垮落断裂带时,建筑物与采空区相对位置不同所承受的变形也不同,结合实测的资料对老采空区残余变形规律进行了研究,得到残余下沉仍符合开采下沉盆地一般规律的结论。结合研究结论对建筑物的布局和设计提出了建议。