中埋深煤层综采地表裂缝发育规律研究

为揭示陕北侏罗纪煤田中埋深工作面高强度开采诱发的地表裂缝发育规律、空间形态及深度特征,以小保当煤矿首采工作面为研究区,采用地表裂缝填图、裂缝宽度变化动态观测和裂缝示踪开挖观测等方法开展了风沙滩地区中埋深煤层高强度开采地表裂缝静态、动态演化规律及空间形态的研究.研究表明:112201工作面地表裂缝主要有边界裂缝和面内裂缝两类,前者沿平巷、切眼发育,后者于面内平行切眼发育.边界裂缝和面内裂缝宽度小于1.0 cm占73％,宽度大于5.0 cm仅占3％;裂缝整体发育程度较弱;面内裂缝宽度一般小于2.0 cm,两侧无落差,滞后回采位置发育,平均滞后距30.14 m,滞后角84.1°;面内裂缝宽度随时间呈单峰型变化即表现为先开裂、后闭合(半闭合)型动态变化特征,平均活动时间约为7.8 d且缝宽增大和减小的时间基本相等,结合地表移动观测资料给出了裂缝活动时间T的计算公式;平行平巷边界裂缝呈"带状"分布在工作面平巷内侧56 m、外侧18 m的范围内,裂缝宽度则呈现开裂-增大直至稳定的变化特征;工作面地表裂缝空间形态分为楔形,梭形和分叉形3类,沙土层内发育深度不超过2.5 m.宽度小于5 cm的裂缝在采后2个月内被风积沙自然掩埋而难觅踪迹,宽度大于5 cm的裂缝在采后6个月内大多被风积沙自然掩埋.这一研究结果对风沙滩地区生态环境治理和水资源保护具有重要参考价值.     

羊场湾煤矿采动地裂缝发育特征及规律研究

采煤诱发的地裂缝是煤矿区最为常见的一种土地破坏形式,也是矿区土地复垦、生态环境修复所直面的一种灾害类型。准确掌握其发育规律、特征并对其进行预测是采煤沉陷治理的基础。以羊场湾煤矿为研究区,采用无人机航拍、野外调查和理论分析的方法对地表裂缝发育规律、特征及其与采矿地质条件的关系进行了归纳分析。结果表明:裂缝发育程度会随着开采深度的增加逐渐减弱,当开采深度大于350 m时平行开切眼裂缝几乎不再发育。平行巷道裂缝则以“环带”的形式发育,当开采深度大于550 m时,裂缝发育特征不再明显。地表裂缝发育范围可以简化为2个半椭圆和1个矩形的组合形状,并能通过地表移动变形参数和煤层埋深计算出地表裂缝发育范围。地表裂缝最大发育宽度随着采深采厚比的增加呈负指数形态减小。经拟合处理,得到了地表裂缝最大发育宽度预测公式。     

羊场湾煤矿采动地裂缝发育特征及规律研究?

采煤诱发的地裂缝是煤矿区最为常见的一种土地破坏形式，也是矿区土地复垦、生态环境修复所直面的一种灾害类型。准确掌握其发育规律、特征并对其进行预测是采煤沉陷治理的基础。以羊场湾煤矿为研究区，采用无人机航拍、野外调查和理论分析的方法对地表裂缝发育规律、特征及其与采矿地质条件的关系进行了归纳分析。结果表明：裂缝发育程度会随着开采深度的增加逐渐减弱，当开采深度大于350 m时平行开切眼裂缝几乎不再发育。平行巷道裂缝则以“环带”的形式发育，当开采深度大于550 m时，裂缝发育特征不再明显。地表裂缝发育范围可以简化为2个半椭圆和1个矩形的组合形状，并能通过地表移动变形参数和煤层埋深计算出地表裂缝发育范围。地表裂缝最大发育宽度随着采深采厚比的增加呈负指数形态减小。经拟合处理，得到了地表裂缝最大发育宽度预测公式。     

厚冲积层条件下开采沉陷地区地表裂缝形成机理

探讨了在采煤工作面上方地表裂缝产生的原因，从岩土力学角度分析了地表裂缝与水平变形之间的关系，并且给出了地表裂缝宽度的具体计算公式。     

浅埋煤层过沟开采地表裂缝动态发育规律研究

为研究煤层在过沟开采时地表裂缝在不同位置的动态演化规律,以陕北某矿14210工作面为原型,运用相似材料模拟实验并结合VIC-3D系统研究了地表裂缝的发育特征。研究结果显示：沟谷处地表裂缝发育宽度先增大再急速减少最终闭合;左侧坡面与右侧坡面地表裂缝发育宽度先增大后小幅减少再趋于稳定;根据其发育位置与应变变化将地表裂缝分为左侧坡面张拉地表裂缝、沟谷挤压地表裂缝及右侧坡面张拉地表裂缝3类。通过对14210工作面过沟开采进行安全性预测可知：在过沟开采期间导致乌兰不拉沟泉水涌入工作面的因素大致分为裂缝宽度、裂缝分布密度、沟中水位、工作面推进速度4个因素。     

厚松散层条件下地表采动裂缝宽度的计算方法

地表采动裂缝是地下煤层开采引起地表采动损害的一种显现形式。限于研究手段和方法,目前对地表采动裂缝宽度的定量计算鲜有研究。基于实测资料,根据几何学原理推导了地表采动裂缝宽度的计算公式。与实测对比验证表明,该式计算结果与实测基本吻合。为煤矿区土地复垦工程量计算和土地损害程度提供了判断方法。     

大采高浅埋深开采地表裂缝成因分析研究

为了掌握大采高浅埋深开采地表裂缝发育规律,以超化煤矿22001工作面为研究对象,通过现场监测和理论分析,获取地表裂缝分布特征及变形参数,分析了地表非连续变形的形成原因。结果表明:动态裂缝超前距为38.5 m,发育周期19 d;裂缝最终呈现密度大、宽度小、无台阶型发育、压缩变形区域小、裂缝角偏小的特征。上覆岩层中关键层的破断是地表裂缝产生的根本原因,因覆岩岩性较软,松散层较厚,应力在传递过程中受到削弱,进而降低了台阶裂缝发育的可能性;黄土层抗拉能力弱,故地表形成了密集分布、无台阶发育的裂缝特征。     

浅埋高强度开采覆岩结构演化及地表损伤研究

为掌握浅埋高强度开采覆岩结构演化规律及不同开采条件下地表损伤规律与损伤机理,采用数值模拟、现场实测、理论分析等手段以神东矿区典型工作面为工程背景开展研究。首先以采空区峰值应力为指标分析了覆岩结构演化规律;其次探究了地表下沉系数和宽深比之间的关系;最后在实测地表裂缝发育特点的基础上开展了工作面中部地表裂缝发育机理研究。结果表明:①工作面从开切眼至超充分开采状态时上覆岩层大体经历了3个阶段,第Ⅰ阶段:无压力拱阶段;第Ⅱ阶段:单压力拱阶段;第Ⅲ阶段:双压力拱阶段,其又分为Ⅲ_1(采空区单拱脚阶段)和Ⅲ_2(采空区双拱脚阶段)2个阶段。②宽深比在0.4～2.0的14个方案研究得出的地表下沉系数和宽深比近似成抛物线关系,选取神东矿区7个工作面的下沉系数实测值和预测值进行对比验证,误差分别为7.6%,14.5%,4.4%,7.5%,9.7%,9.7%,15.3%,其中5个工作面的误差在10%以内,且误差整体较小。③工作面中部地表裂缝动态发育具有"双周期+稳定期"的特点,包括5个发育阶段,即裂缝宽度增大阶段、裂缝宽度减小阶段、裂缝宽度稳定阶段、裂缝宽度再增大阶段、裂缝宽度再减小阶段,通过演化模型阐释了工作面中部裂缝的动态发育机理,并建立了裂缝动态发育和地质采矿条件的关系模型。     

浅埋高强度开采地表及覆岩破坏特征--以神东矿区为例

采用现场实测与理论分析的方法对神东矿区地表非连续变形及地表移动持续时间进行了研究。阐释了高强度开采的内涵,并提出以地表最大下沉速度、采动损害程度及工作面来压强度作为判断指标。总结了神东矿区基岩全厚切落式和基岩部分破坏式2种岩层移动类型。分析总结了神东矿区地表移动以伴随非连续变形为主要特征的高强度开采规律:地表最大下沉速度达700mm/d,非连续变形以裂缝与台阶为主;采动裂缝以裂缝带形式发育,主裂缝间距与工作面周期来压步距基本一致,最前裂缝带内主裂缝滞后角约79.8°,地表最宽裂缝滞后角58.2°;裂缝发育条数及宽度与表土性质密切相关,风积沙区裂缝宽度一般小于30mm,黏性表土区一般大于50mm,裂缝宽深近似线性相关。本文可为类似开采条件下采动损害控制、地表环境治理、开采设计提供参考。     

浅埋高强度开采地表破坏特征:以神东矿区为例

采用现场实测与理论分析的方法对神东矿区地表非连续变形及地表移动持续时间进行了研究。阐释了高强度开采的内涵,并提出以地表最大下沉速度、采动损害程度及工作面来压强度作为判断指标。总结了神东矿区基岩全厚切落式和基岩部分破坏式2种岩层移动类型。分析总结了神东矿区地表移动以伴随非连续变形为主要特征的高强度开采规律:地表最大下沉速度达700mm/d,非连续变形以裂缝与台阶为主;采动裂缝以裂缝带形式发育,主裂缝间距与工作面周期来压步距基本一致,最前裂缝带内主裂缝滞后角约79.8°,地表最宽裂缝滞后角58.2°;裂缝发育条数及宽度与表土性质密切相关,风积沙区裂缝宽度一般小于30mm,黏性表土区一般大于50mm,裂缝宽深近似线性相关。本文可为类似开采条件下采动损害控制、地表环境治理、开采设计提供参考。     

煤层开采地表裂缝发育深度探讨

探讨煤层开采引起的地表裂缝发育深度规律。通过对Griffith-Mohr联合断裂准则进行分析、推理,认为煤层开采引起的地表裂缝深度有一定范围,主要与土体的物理力学性质有关,并提出了开采地表裂缝最大深度的计算公式。     

煤矿工作面上方地表裂缝分布、宽度与水平变形之关系研究

煤矿工作面上方地表经常会出现一些裂缝,确定地表裂缝的分布、宽度及其与水平变形之间的关系,有助于对其引起的地面破坏进行预防和治理。通过对现场实测的裂缝分布情况的研究,得到了裂缝在平面上的分布形态、裂缝在宽度上的分布规律和裂缝与开采引起的地表变形的关系,并给出了相应的拟合公式。研究表明:开采引起的裂缝宽度与水平变形之间存在密切的相关;裂缝区与拉伸变形区对应;裂缝区裂缝宽度之和总是小于水平变形之和,仅有部分水平拉伸变形可以通过地表裂缝反映出来。     

矿山开采沉陷的完备预计模型

针对厚表土层沉陷的复杂性,研究了土体受直接开采沉陷后引起的失水固结和排水固结的计算方法,沉陷土体产生流动的条件和计算方法及地表裂缝发育演化的规律等。通过研究获得了一个完备的开采沉陷预计模型,即地表沉陷=开采直接影响模型+附加固结沉陷模型+附加流动沉陷模型;获得了地表裂缝深度和宽度的估算公式。所获得的成果可以全面解释厚表土层条件下所体现出来的各种特殊规律,比较准确地预报地表的移动变形和裂缝情况,实践证明可以有效地应用于生产实际。     

湿陷性黄土覆盖区煤层开采地表裂缝发育规律研究

黄土覆盖区煤层开采在湿陷性影响下地表裂缝发育尤为剧烈。以神木某矿1206工作面为研究背景,将理论分析、理论计算和实验室试验作为研究手段,并结合FLAC~(3D)数值模拟技术,对煤层开采湿陷性黄土地表裂缝产生机理和发育规律展开相关研究。研究结果表明:(1)地表裂缝是由采动水平变形超过土体的极限拉伸变形值造成,基于摩尔-库伦强度理论和开采沉陷预计理论,推导出煤层开采地表裂缝发育深度预计公式;(2)实验室测试结果说明,饱和湿陷性黄土相对天然状态黏聚力衰减71%,内摩擦角减小59%,变形模量降低39%,泊松比增大28%,雨季降水入渗引起的黄土湿陷变形和强度衰减直接导致地表裂缝发育加剧;(3)通过地表裂缝发育深度预计公式,得出黄土地表因受湿陷性影响裂缝发育深度增大77%,与数值模拟和现场实测结果基本相符。研究可为相似地质条件采动地表损害规律研究提供有益参考。     

高头窑矿区地表采动裂缝演化规律研究

结合色连一号矿8101工作面地貌特征、工作面日推进度及对应地表裂缝实测资料,得出了裂缝在非冲沟和冲沟地表的分布规律:主要以平行于工作面的暂时裂缝和平行于工作面巷道的永久裂缝两种形式存在;非冲沟段地表裂缝较冲沟段多,宽度与深度也大。统计裂缝的各个参数并计算了地表移动超前裂缝角。实测不同地貌下裂缝的发育过程,共同揭示了"裂缝产生—裂缝扩展—台阶下沉—裂缝闭合"的动态演化规律,并针对该矿区地貌特征提出了加强裂缝演化观测、裂缝填埋压实等管理措施。     

黄土沟壑区特厚煤层开采地裂缝发育规律研究

黄土沟壑区特厚煤层开采易产生地裂缝,加剧生态环境破坏,危及矿区安全。本文以山西省某矿区104工作面为研究背景,结合现场调查、数值模拟和理论分析等方法,研究了采动地裂缝静态分布特征、动态演化规律及其形成机理。研究表明:地裂缝分为拉伸型、台阶型2种类型与分叉、平行2种组合方式。宽度0～5 cm的裂缝数量占52%,宽度5～10 cm的裂缝数量占28%,宽度10～15 cm的裂缝数量占14%,宽度大于15 cm的裂缝数量占6%,黄土沟壑区采动地裂缝发育程度更强;根据地裂缝分布位置,可以分为动态面内裂缝(工作面内且与开切眼基本平行)及永久边界裂缝(开切眼、停采线及平巷附近)2种类型。动态面内裂缝具有“山峰”活动规律,裂缝宽度呈现“先开后合再稳定”的变化特征,永久边界裂缝宽度呈现“只开不和”的变化特征,裂缝初始宽度与最大宽度满足线性正相关关系;地裂缝的形成是由下至上的动态发育过程,即“采煤—覆岩移动—地表变形—产生地裂缝”。通过构建“井下开采—覆岩移动—地裂缝产生”三维一体模型和地裂缝动态发育模型,定性分析了地裂缝的活动机理。研究成果对黄土沟壑区生态环境修复及采动损害防护具有重要参考价值。     

高强度开采覆岩岩性及其裂隙特征研究

为分析高强度开采工作面覆岩岩性及其裂隙特征,以高家梁煤矿20313工作面为研究对象,分析了工作面顶板含水层赋存情况,通过试验获取了砂质泥岩顶板细观结构和矿物组分及物理力学性质,采用相似模拟试验、理论分析、CAN-II〖BP(〗=2\*ROMAN〖BP)〗大地电磁探测仪和现场调查综合分析了工作面开采后的覆岩破坏情况。结果表明:工作面顶板砂质泥岩随着与煤层距离的增大,颗粒间接触逐渐由点-点、点-面接触转变为线-面、面-面接触,且颗粒体积有增大趋势;由煤层至地表,抗拉(压)强度减小,断裂后接触面积更大,且遇水后颗粒体积膨胀,挤压颗粒间的孔隙,孔隙通道减小,降低宏观通水性;覆岩及地表裂缝以张开、闭合、压实的过程重复向前发展,虽然覆岩含水层及隔水层产生了破坏,但裂隙宽度较小,地表没有出现明显的塌陷裂隙;工作面开采后覆岩内会形成稳定的压力拱结构,覆岩破坏不会与地表裂隙贯通,地表潜水不会直接与井下工作面贯通。采动后工作面断层上盘侧岩层整体上破坏更严重;在断层下盘侧,虽然采动后CAN型综合值云图内出现了较多环状闭合曲线,但仍有平滑层状曲线包裹,说明采动覆岩的连续性分布较好,岩层内裂隙发育程度低;20313工作面开采后地表多以细小拉伸或挤压裂缝为主,裂缝数量较少,基本上所有裂缝经历了“张开-扩展-闭合”完整发育过程,裂缝发育周期最长的为15 d,最短为7 d;裂缝宽度最大为6.3 cm,台阶落差最大为8.7 cm,地表植被生长及分布情况与开采前基本一样,说明工作面开采的安全性及地表生态基本不受影响。高强度开采覆岩裂隙发育特征得到了大量理论与试验研究,物探法是开展覆岩裂隙现场探测最方便、快捷的手段,提高物探仪器对覆岩裂隙探测的敏感度及物探结果解释的准确度是物探法探测覆岩破坏得以推广的技术前提。     

高强度开采覆岩岩性及其裂隙特征

为分析高强度开采工作面覆岩岩性及其裂隙特征,以高家梁煤矿20313工作面为研究对象,分析了工作面顶板含水层赋存情况,通过试验获取了砂质泥岩顶板细观结构和矿物组分及物理力学性质,采用相似模拟试验、理论分析、CAN-Ⅱ大地电磁探测仪和现场调查综合分析了工作面开采后的覆岩破坏情况。结果表明:工作面顶板砂质泥岩随着与煤层距离的增大,颗粒间接触逐渐由点-点、点-面接触转变为线-面、面-面接触,且颗粒体积有增大趋势;由煤层至地表,抗拉(压)强度减小,断裂后接触面积更大,且遇水后颗粒体积膨胀,挤压颗粒间的孔隙,孔隙通道减小,降低宏观通水性;覆岩及地表裂缝以张开、闭合、压实的过程重复向前发展,虽然覆岩含水层及隔水层产生了破坏,但裂隙宽度较小,地表没有出现明显的塌陷裂隙;工作面开采后覆岩内会形成稳定的压力拱结构,覆岩破坏不会与地表裂隙贯通,地表潜水不会直接与井下工作面贯通。采动后工作面断层上盘侧岩层整体上破坏更严重;在断层下盘侧,虽然采动后CAN型综合值云图内出现了较多环状闭合曲线,但仍有平滑层状曲线包裹,说明采动覆岩的连续性分布较好,岩层内裂隙发育程度低;20313工作面开采后地表多以细小拉伸或挤压裂缝为主,裂缝数量较少,基本上所有裂缝经历了"张开—扩展—闭合"完整发育过程,裂缝发育周期最长的为15 d,最短为7 d;裂缝宽度最大为6.3 cm,台阶落差最大为8.7 cm,地表植被生长及分布情况与开采前基本一样,说明工作面开采的安全性及地表生态基本不受影响。高强度开采覆岩裂隙发育特征得到了大量理论与试验研究,物探法是开展覆岩裂隙现场探测最方便、快捷的手段,提高物探仪器对覆岩裂隙探测的敏感度及物探结果解释的准确度是物探法探测覆岩破坏得以推广的技术前提。     

镇城底矿开采沉陷规律研究

通过对镇城底矿上组煤22105工作面和下组煤28103工作面重复采动后地表沉陷裂缝发育情况实际观测,计算工作面地表沉陷裂缝角和下沉系数,推知工作面起动系数,并结合矿井其他十一个回采工作面地表沉陷系数,计算本矿地表沉陷裂缝角和下沉系数,推知本矿起动系数,分析地表沉陷裂缝发育的影响因素及其危害,提出治理措施。     

沟谷地形下开采覆岩裂隙发育特征研究

为了研究沟谷地形条件下薄基岩浅埋煤层覆岩采动裂缝发育规律,以神府矿区为研究基地,对安山煤矿5-2煤开采工作面的覆岩采动裂缝发育特征进行分析,建立弱强度覆盖层作用下的基本顶受力模型,即“非均布载荷梁”结构模型。通过对非均布载荷梁结构的力学分析,推导基岩承载结构稳定性的判别条件,确定了基本顶两端压力、剪力及垮距等参数的计算公式,揭示了弱强度覆盖层厚度及坡度变化对覆岩采动裂缝间距的影响规律。实践表明,依据非均布载荷梁模型确定的覆岩采动裂缝间距与周期来压步距近似相等|覆岩采动裂缝随基岩破断失稳而呈周期性动态发育演化特征,工作面上方地表附近塌陷型和台阶型采动裂缝较为发育,采空区上方地表裂缝逐渐演化成错动量及张开量较小的闭合型地表裂缝。