采动覆岩离层的数值模拟研究

采动覆岩移动及其导致的离层分布是一个受多种因素影响的极其复杂的问题，具有极强的不可视、不可触等特点，因此，理论分析和现场观测都是十分困难的。对矿区采动覆岩的破坏过程进行了数值模拟仿真研究，重点分析了覆岩中离层的发展高度变化规律、离层区域范围的确定以及煤层采出厚度的影响作用等。数值模拟再现了采动覆岩运移及离层产生的全过程，揭示了离层高度与工作面推进距离、离层区域发生范围和煤层开采厚度之间的关系。数值模拟结果确定了覆岩离层产生的位置、离层大小等，从而为采用离层充填注浆控制地表沉陷等提供了重要的理论基础和依据。     

覆岩离层变形力学模型及应用

针对采动覆岩非同步弯曲而产生离层的特征及覆岩离层注浆减缓地表沉降新技术实施的急需,根据弹性力学理论,将离层岩层假设为岩板,研究其变形特性,真实地反映了离层岩板在水应平力和自重应力作用下变形的本质,并建立了岩板挠度的力学模型,其力学模型可推广应用于离层注浆条件下的离层岩板的挠度计算,为离层注浆新技术的应用提供可靠的理论基础。     

矸石-粉煤灰充填采煤覆岩结构与变形规律

矸石-粉煤灰充填采煤可解决“三下”压煤和固体废弃物排放造成的环境污染问题。根据充填采煤工作面覆岩移动规律,提出矸石-粉煤灰充填采煤覆岩存在3类结构;在弹性地基薄板理论基础上,建立了基本顶力学模型,推导出了基本顶弯曲下沉的理论公式,给出了基本顶破断的临界条件;据此,分析了基本顶变形影响因素,并进行了工程实践。结果表明,基本顶最大下沉量理论计算值与实测值基本一致,各因素对基本顶弯曲下沉影响大小依次为:基本顶弹性模量、覆岩载荷、直接顶弹性模量、充填体弹性模量。邢台矿7606工作面采空区基本顶的最大下沉量为234 mm,沿专用铁路线地表最大下沉量为16 mm,仅直接顶产生了局部裂隙和离层,基本顶完整性较好,覆岩属于第II类结构,地表变形得到了有效控制。     

岩层移动与控制的关键层理论及其应用

采用模型实验、 数值模拟、 现场试验和计算机图像分析等方法, 对关键层判别方法以及关键层运动对采场矿压显现、 覆岩移动与地表沉陷及裂隙场分布的影响规律等问题进行了深入的研究。 从两层坚硬岩层破断顺序的研究入手, 揭示了关键层上载荷分布规律及其对关键层破断顺序的影响, 并由此建立了判别覆岩中关键层位置的方法。 研究了关键层破断块度对“砌体梁”结构下沉曲线形态的影响, 并提出了“砌体梁”结构下沉曲线的拟合方程。 确定了关键层对采场矿压显现产生影响的判别条件与影响规律, 揭示了关键层破断前后煤柱支承压力分布规律。 揭示了表土层与关键层间耦合关系的一些基本规律及其对改进地表下沉预计方法的指导意义。 揭示了覆岩移动过程中离层与“导水、 导气”裂隙两阶段发育规律与“O”形圈分布特征。 编制了采动裂隙量化分析的图像处理软件FIMAGE。 将关键层理论应用于我国卸压瓦斯抽放实践, 建立了卸压瓦斯抽放的“O”形圈理论, 并在淮北、 阳泉矿区卸压瓦斯抽放中得到应用。 将关键层理论应用于地表沉陷控制实践, 建立了覆岩离层注浆钻孔布置的原则, 指导城下条带开采试验, 取得了显著的经验效益。     

覆岩离层产生的机理及离层计算方法的探讨

利用岩层的物理力学性质和结构条件，对覆岩离层产生的力学结构及力学条件进行了理论探讨，分析了采动覆岩离层可能出现的位置，并提出了计算最大离层的方法，对现场更好地应用覆岩离层注浆减沉技术具有一定的指导意义。     

地下大空间开挖引起覆岩离层的空间模型

地下大空间开挖以后,上覆岩层发生离层,各岩层层板之间发生相互作用,而且岩板又可以看作薄板来考虑,因此就可以采用经典弹性力学建立三维叠合板模型并研究地下大空间的上覆岩层的分布规律,计算出多层叠合板岩层的挠度及其离层量的大小.     

岩层移动离层演化规律及其应用研究

通过试验与理论分析 ,对岩层移动过程中的离层位置与离层量、离层动态发育特征及其影响因素进行了深入研究。结果表明 :覆岩离层主要出现在各关键层下 ,覆岩离层最大发育高度止于覆岩主关键层。当相邻两关键层复合破断时 ,尽管上部关键层的厚度与硬度比下部关键层大 ,其下部也不会出现离层。关键层初次破断后的离层区长度和最大离层量仅为关键层初次破断前的2 5 %～ 3 3 %。因此 ,离层区充填应在关键层初次破断前进行 ,并保持关键层不破断。针对目前覆岩离层区充填工艺不能阻止覆岩关键层初次破断的问题 ,提出了离层区充填与留设煤柱相结合的“覆岩离层分区隔离充填减沉法” ,发展了覆岩离层充填减沉技术     

覆岩主关键层运动对地表沉陷影响的 钻孔原位测试研究

 通过神东矿区补连塔煤矿31401工作面内部岩移的地面钻孔原位观测与地表沉陷观测的对比研究,就覆岩主关键层运动对地表沉陷的影响进行实测研究。研究结果表明：厚47.01 m的粉砂岩主关键层控制了上覆基岩直至地表的移动变形,上覆岩层的运动随主关键层破断出现周期性跳跃变化;受主关键层的控制作用,地表沉陷测站观测时间间隔长短显著影响了测点的下沉速度曲线,观测时间间隔越短,其对应的下沉速度曲线呈现的周期跳跃性变化越强;观测时间间隔越长,其对应的下沉速度曲线更为均化。因此,在浅埋煤层开采中,为了准确反映地表下沉的动态过程,应该缩短观测时间间隔,才能正确掌握采动覆岩内部移动与地表沉陷的内在联系,推动开采沉陷预计的发展。     

覆岩离层变形力学机理数值模拟研究

以研究覆岩离层受力状态及其发生机理为目的，采用RFPA岩石破裂分析系统，模拟研究位于采动后形成的压力平衡拱内岩层水平应力、垂直应力、剪应力集中位置及与初始应力的倍数关系，为覆岩离层产生位置、离层大小等研究和确定提供了重要的理论基础。     

覆岩离层产生的机理及离层计算方法的探讨

利用岩层的物理力学性质和结构条件,对覆岩离层产生的力学结构及力学条件进行了理论探讨,分析了采动覆岩离层可能出现的位置,并提出了计算最大离层的方法,对现场更好地应用覆岩离层注浆减沉技术具有一定的指导意义.     

辛置煤矿间歇开采岩移机理及沉陷规律研究

为了研究巨厚黄土层下间歇开采岩移机理及地表沉陷规律,基于辛置煤矿的地质采矿条件,对条带开采煤柱的稳定性进行了理论分析,得到了倾斜煤层煤柱稳定性的判别函数;采用UDEC数值分析方法反演了百亩沟村庄下前期条带开采覆岩及地表沉陷特征,揭示了岩层移动的机理,获取了研究区域主断面的地表沉陷值。隔离煤柱回收后,依据现场实测数据,分析了间歇开采地表动态和静态地表沉陷特征,求取了地表移动角值参数和概率积分预计参数。研究结果表明,前期条带开采煤柱能够形成稳定的核区,煤柱安全系数为2.34,关键层不破断,地表最大下沉217 mm,最大水平拉伸变形为0.41 mm/m,小于窑洞的Ⅰ级抗拉伸水平变形的临界值。间隔煤柱回采后,地表移动初始期和活跃期偏短累计219 d,最大下沉点下沉量与下沉时间服从负指数函数关系;地表终态最大下沉1 537 mm,水平拉伸变形为3.98 mm/m,地表建(构)筑物所受的采动损坏程度超过了Ⅱ级。间歇开采后地表沉陷下沉系数为0.74,开采影响传播角系数为0.6。     

岩层移动的组合岩梁理论及其应用研究

提出了采场上覆岩层移动的组合岩梁模型，将岩层移动的关键层、岩层组合以及层间离层统一在组合岩梁模型的体系中，建立了关键层、岩层组合以及层间离层的统一判别准则，并进行了实例分析。对组合岩梁模型在岩层移动规律研究、地表沉陷控制以及在矿井瓦斯防治中的应用进行了深入地分析。组合岩梁模型的建立，为采场矿压和岩层移动的研究提供了一种新的思想和方法。     

急倾斜煤层开采岩移基本规律的模型试验

针对新集三矿急倾斜煤层开采复杂的采矿地质条件，运用实验室相似模型试验方法，对西三采区煤层开采引起的岩体移动和地表沉陷的基本规律进行了研究，总结出了新集三矿急倾斜煤层开采重复采动所引起的厚冲积层岩体移动基本特征和地表沉陷的相关参数。所得结果对现场开采及地表沉陷治理具有一定的指导作用，对于同类地质和开采条件的矿区具有重要参考价值。     

Surface subsidence due to underground mining operation under weak geological condition in Indonesia

Subsidence analysis and prediction with measured data have been conducted and applied to local strata and mining conditions worldwide. Underground coal mines chose the most suitable analysis and prediction method for them. However, there was no study based on the measured data of subsidence induced by underground mining operation in Indonesia. This paper describes the condition of underground coal mine in Indonesia and then discusses the subsidence behavior due to longwall mining operation based on measured data in Balikpapan coal-bearing formation in Indonesia.     

考虑底板岩层移动的急倾斜煤层开采沉陷预计

分析了急倾斜煤层开采岩层和地表移动特点,总结了急倾斜煤层开采地表下沉盆地的4种类型,并对这4种下沉盆地的形成原因进行揭示。给出了急倾斜煤层开采沉陷预计建模的4条原则,并针对该原则提出了一种基于概率积分法的急倾斜煤层开采沉陷预计模型,该模型能清楚地解释急倾斜煤层开采煤层顶底板岩层移动和地表下沉的相互关系。建立了预计方法的坐标系,分析了预计参数的物理意义,并给出了预计参数的变化规律。编制了基于本文方法的计算机程序,并利用矿区观测站实测数据对本方法进行了验证。实验结果表明,本文方法对于倾角大于70°的急倾斜煤层开采沉陷预计效果较好,能为矿区的环境保护,地表移动预警起到决策支持作用。     

近距离煤层群下行开采覆岩运移特征试验分析

为研究近距离煤层群多次开采对覆岩运移的影响,根据潘二煤矿近距离煤层群(8、7、6、5煤)地质和开采技术条件,采用相似材料模拟试验开展了下行开采覆岩运移特征研究。分析得出了多次开采覆岩变形、破坏及运移规律,近距离煤层群多次开采与单一煤层开采形成的覆岩宏观运移形态和特征相似。随着开采次数增多,覆岩下沉系数呈线性递减。多次开采覆岩变形、破坏至连通的时间和空间位置关系与开采厚度、开采次数、层间距及层间岩性等因素密切相关。研究表明,覆岩运移的多次演化叠加不仅是影响顶板来压和控制、瓦斯抽采布置和效果的关键因素,也是采动应力演化致灾的主导因素。     

我国煤矿巷道围岩控制技术发展70年及展望

总结新中国成立70年来,我国煤矿巷道围岩控制领域取得的主要研究成果,涉及巷道围岩地质力学特性,围岩变形、破坏特征与机制,围岩控制理论及技术。介绍煤系沉积岩地层强度、煤岩体结构特征及煤矿井下地应力分布规律,采煤引起的采动应力场分布特征及对采动巷道围岩稳定性的影响。指出煤矿巷道围岩变形具有分阶段性、流变性和冲击性,巷道围岩破坏有煤岩破坏、结构面破坏及围岩结构失稳破坏3种模式,软岩、强采动、大变形是我国煤矿巷道围岩控制的主要特点。论述5类巷道围岩控制方法与原理:控制围岩松动载荷、控制围岩变形、在围岩中形成承载结构、围岩改性及围岩卸压。阐述巷道围岩在掘进全过程的控制原理,重点介绍预应力锚杆支护理论及支护应力场的概念。将巷道围岩控制技术分为5类:表面支护、锚固、改性、卸压及联合控制技术,介绍金属支架、锚杆与锚索、注浆加固、水力压裂卸压及联合控制技术的发展历程和应用情况。最后,分析煤矿巷道围岩控制中存在的问题,并展望未来技术发展趋势。     

Experimental research on strata movement characteristics of backfill–strip mining using similar material modeling

In consideration of the high filling costs and backfill material shortage at present, backfill–strip mining, which combines the advantages of strip mining and backfill mining, has gradually been adopted to control surface subsidence. In this study, similar material modeling is established to simulate strata movement characteristics of backfill–strip mining. The displacement and deformation values of this similar material modeling are precisely acquired through close-range photogrammetry and optical image methods, respectively. On this basis, structural and movement characteristics of the overlying strata are investigated in different stages to reveal the strata subsidence control mechanism of backfill–strip mining. The dynamic deformation characteristics of the overlying strata in mining are also explored. This study provides a scientific technical reference for safe mining engineering design and surface disaster protection for backfill–strip mining.

     

地表动态移动变形预测函数研究

 在研究国内外开采沉陷动态分析时间函数的基础上,运用概率积分法对地下开采引起地表沉陷随时间和空间的变化规律进行研究,提出动态地表移动变形的坐标–时间函数。该函数不仅比克诺特(Knothe)时间函数W(t)增加了坐标变量x,而且,还增加岩移参数(q,r,v,?,?,t0),这些参数与概率积分法静态分析的参数相统一。研究分析起动时间t0随坐标x变化的关系式;用下沉坐标–时间函数W(x,t)与Knothe等多个典型时间函数相比较,不但克服Knothe等时间函数一阶导数、二阶导数的不完善性,能正确反映下沉、下沉速度、下沉加速度的变化规律,而且,对x求偏导数,获得动态倾斜、动态曲率、水平移动、水平变形等的坐标–时间函数。从而,建立半无限开采和有限开采条件地表移动变形动态分析的基本公式。在此基础上,结合课题进行实例验证。研究表明,常规的静态分析函数只是该地表移动变形的坐标–时间函数的一个特例;该坐标–时间函数能正确描述地表沉陷动态过程;多个既有岩移参数建立的各坐标时间函数不仅能充分反映地质采矿条件,而且可推广性强。