水溶法采盐矿区地面塌陷机理分析

为了防范钻井水溶法开采盐矿诱发卤水溢出、地面塌陷等愈发严重的地质环境和公共安全问题,本文以安徽省定远县东兴盐矿为例,对采空区地面塌陷灾害机理进行了深入研究.根据岩盐矿体的埋藏条件和采空区地面塌陷的过程,结合帕斯卡定律讨论了盐矿采空区顶板岩层保持稳定的前提,是必须保持采空区密闭为基本条件;通过尖点突变模型给出的顶板岩层大变形失稳突变条件,是采空区的封闭性遭受破坏、卤水外溢导致顶板岩层失去支撑;根据ЛротодъякоНов塌落拱理论等方法估算了采空区顶板岩层失稳对地面的影响程度,提出了对开采盐矿诱发地面塌陷灾害的防范措施,对其它地区同类矿山安全开采具有重要的指导意义.     

基于沉陷预计的岩盐矿区土地损毁研究

以封闭溶腔环境和非封闭溶腔环境下的岩盐矿区为研究对象,采用概率积分法,在修正沉陷预计参数的基础上,分析不同溶腔环境下岩盐矿区的地表移动变形和土地损毁结果。封闭溶腔环境下沉陷预计参数的修正引入等价采高模型和水砂充填开采模型,非封闭溶腔环境下沉陷预计参数的修正引入等价采高模型。结果表明,不同溶腔环境下的预计结果的最大值存在显著差别,地表移动变形结果值取决于溶腔封闭性。在封闭溶腔环境下,岩盐矿区的下沉、倾斜、水平变形、水平移动和曲率的最大值分别为400 mm、0.35 mm/m、0.55 mm/m、180 mm和0.001 1 mm/m2,损毁范围内的农用地均属于轻度损毁;在非封闭溶腔环境下,岩盐矿区的下沉、倾斜变形、水平变形、水平移动和曲率的最大值分别为6 500 mm、0.6 mm/m、9.5 mm/m、2 800 mm和0.02 mm/m2,损毁范围内的农用地受轻度、中度和重度损毁的面积分别为1 095.70 hm2、148.44 hm2和107.78 hm2。通过对比,封闭溶腔环境下岩盐矿区的地表移动变形结果小于非封闭溶腔环境下的地表移动变形结果,在非封闭溶腔环境下岩盐开采可能造成大范围的土地损毁,岩盐矿区土地损毁预防措施要解决的核心问题是保障溶腔的完整性和封闭性。     

不同开采工况诱发边坡变形与时效稳定性分析

为解决露天端帮开采中边坡失稳问题,通过相似模拟和数值模拟方法建立不同开采工况的边坡结构模型,结合雷达监测系统分析不同开采工况下边坡原岩结构、稳定性劣化与时效稳定性之间的关系。结果表明：露天开采过程可分为开采初期、开采中期、开采终止3个阶段,直至开采终止边坡存在局部变形破坏现象,稳定性较好;端帮上层煤开采可分为表生改造、结构改造和时效变形3个阶段。表生改造阶段,边坡岩体围绕采空区形成变形,未对边坡形成扰动;结构改造阶段,会形成悬臂梁和固支梁结构,2种结构交替变化,使顶板上方破坏区呈半蝶型向边坡岩体上部扩展;时效变形阶段,受垮落岩体支撑边坡变形破坏未持续向上扩展,但存在竖向裂隙的延展,边坡稳定性较好,最终变形破坏呈金字塔状;端帮下煤层开采使的上下采空区形成贯通,边坡发生向采空区方向的失稳;露采后边坡时效变形分3个阶段,初期舒缓、中期加速、后期平稳,端帮上煤层开采后边坡时效变形分为加速移动和稳态移动2个阶段,这2个阶段随时间变化边坡稳定性均较好。     

采动底板力学特征及其对回采巷道稳定性影响

应用理论分析、计算机模拟和现场实测,分析了采动底板应力传播规律及其对底板巷道稳定性影响规律。研究表明:煤壁前方应力增高区附近底板压应力分布呈现"球根"状,随着埋深的增加,垂直应力先增加后减小,剪应力浅部采场边界高度集中,是引起层状底板剪切滑移的根本原因。张集矿1113(1)工作面回采过程,活化了已回采稳定的两工作面层间似连续-非连续-散体结构,导致非连续结构的剪切滑移失稳,和散体冲破相互咬合摩擦力的移动,引起了1113(1)工作面轨道巷广距离失稳。相邻采区开采顺序由上下煤层间隔同采调整为上下煤层顺序开采后,巷道表面位移显著降低,技术经济效益显著。研究成果可为煤层群开采采区设计、底板巷道稳定性控制提供理论基础。     

井工转露天开采边坡岩体滑移机制的试验研究

井工转露天是一个新的论题,因开采时序的改变,导致边坡体的滑移机制产生了质的变化。应用底面摩擦模型试验和数值模拟方法,针对新的开采时序关系进行了模拟研究,揭示了露天矿延深开采扰动作用下井采区上覆岩体的平衡体系失稳与再活化过程及其演变规律;针对两种开采模式影响域的部分或整体的相互叠加作用特点,分析了自重应力与附加应力的叠加作用属性及开采时序变化对边坡体变形的影响规律,揭示了地下采区对边坡稳定性影响的分区性特点及其影响机制。     

水力压裂诱发断层活化失稳概率分析

为评估非常规油气开采过程水力压裂诱发断层活化失稳风险,基于新库仑稳定函数,通过编程求解诱震概率,分析不同诱因下断层稳定性和失稳风险。结果表明:孔隙弹性剪应力、孔隙压力和差异压实共同作用,是断层活化失稳重要诱因。当孔隙弹性剪应力介于6~10 MPa时,断层失稳概率高达68.9%,其增幅率越大,诱发远区断层失稳风险越高。孔隙压力增量超过3 MPa,对于定向不良断层极为不利;断层倾角和落差越大,差异压实作用越显著。     

浅埋厚煤层井田边界煤柱稳定性研究

针对神府矿区部分煤矿受采煤工艺变化和多次采动影响边界煤柱的稳定性难以保证的问题,本文以相邻的海湾煤矿三号井2206综采工作面和王才伙盘煤矿2201综采工作面为例,采用理论计算、数值模拟方法对常规开采时和卸压开采时边界煤柱的稳定性进行研究分析。研究结果表明:2206工作面和2201工作面边界煤柱的承载强度分别为9. 2、9. 99MPa,稳定性系数分别为0. 54、0. 58,常规开采后均处于失稳和残余变形状态;切顶卸压处理时,工作面前方边界煤柱有足够的弹性区,边界煤柱垂向应力最大为8. 0MPa,较大缓解了煤柱承载,对保障工作面安全生产有较好的作用。     

煤层条带开采整体安全系数确定方法研究

为评价工程中条带开采方案的煤层整体稳定性,确定开采方案的安全程度,基于强度折减原理,应用FLAC3D数值模拟软件,将工程实际与数值实验相结合,研究煤层条带开采对地表沉陷、围岩变形和破坏的影响,用安全系数对安全程度进行评价。提出条带开采整体失稳的临界状态判断标准为采空区之间及采空区至地表岩体塑性区域连通,并以地表最大沉降和顶板最大位移突然增大作为临界状态判断标准的验证条件,结果表明:应用强度折减原理进行数值模拟确定的条带开采整体安全系数与工程实际相吻合。     

埋藏深度对盐岩储气库溶腔变形的影响研究

以典型的单一溶腔盐岩地下储气库为例,采用ANSYS15.0建立了盐岩储气库计算模型,并通过ANSYS-FLAC3转换软 件将所建模型导入岩土通用计算软件FLAC3D中,最后通过FLAC3D模拟了七种不同埋藏深度情况下盐岩储气库溶腔的变形 情况。数值模拟结果为:随着埋藏深度的增加,盐岩储气库位移近似呈直线增加,盐岩储气库应力同样近似线性增加; 溶腔中上部及溶腔直径最大处位移及应力最大,溶腔变形最大。根据模拟结果,推荐类似本文所建的盐岩储气库埋藏深 度应控制在800～1 000 m为宜,才能保证其运行过程中最大位移不高于1.19 m,最大应力不高于80 MPa。尽管通过 FLAC3D模拟的盐岩地下储气库溶腔形状过于单一,与实际盐岩地下储气库具有一定距离,但是不乏代表性,同样能够为 盐岩储气库运营期间的安全稳定性提供有益的借鉴作用。     

含多弱层复合边坡滑坡治理三维数值分析

白音华二号矿滑坡区边坡治理工程是针对稳定性差的南帮非工作帮和南排土场构成的复合边坡进行的。滑坡体受多层弱层控制,治理过程中易导致边坡失稳,所以治理工程采取分区开采的条采方案,充分利用边坡治理的三维效应来进行边坡的失稳破坏研究和稳定性分析。选取滑坡区的典型剖面作为研究对象,基于强度折减方法(SRM),应用有限差分FLAC3D软件,在两种开挖条件下,对含多弱层的复合边坡的稳定性规律和破坏机制进行了数值模拟分析,揭示了多弱层对复合边坡的失稳破坏及稳定性的影响。研究结果表明,治理工程中,弱层被揭露一定宽度,滑体沿煤底板弱层水平错动、竖直方向拉裂破坏;随弱层暴露宽度的增加,边坡稳定性明显降低,说明治理边坡具有三维效应;开挖至3-3煤层底板,开挖坡角20°,弱层暴露宽度为400m,边坡的稳定系数刚好达到安全储备系数1.1,建议矿方首选此方案,可以最大限度的回收煤炭资源。     

威布尔分布计算充填采矿地表变形

为了准确分析采矿引起的地表沉陷变形对地表高压供电线路的影响,采用威布尔(Weibull)分布法计算地表下沉与偏斜值的大小。威布尔分布法计算充填采矿地表变形能够将地表变形的多个参数用于计算,并且函数便于用MATLAB编程处理。通过冀东一个铁矿的计算实例说明,采用充填采矿法控制地表变形后高压供电线路能够安全运行,该计算方法能够满足工程计算需要。     

矿山开采沉陷可视化系统设计开发及岩移参数求取

依据矿山开采沉陷相关理论,以概率积分法数学模型为基础、运用基于实测数据求参原理与方法,结合相关软件设计开发了矿山开采沉陷可视化系统。为研究矿区地表移动变形分布及岩移参数求取提供了技术支持。结合系统应用实例,利用地表观测数据拟合求参,对该矿其他工作面及类似地质条件矿区开采沉陷预计提供借鉴作用。     

近塌陷区矿山公路开采沉降规律及安全性研究

由于受到地下开采扰动的影响,如何保证矿山公路的安全性是研究者们关注的焦点之一。从工程实际出发,基于三维几何建模软件和MIDAS/GTS有限元软件的结合技术,通过建立地表三维模型和矿体三维模型,构建了关于塌陷区沉降模拟的精细三维模型,开展了地下开采过程中临近塌陷区矿山公路沉降特性及其安全性的数值模拟研究。结果表明,随着地下开采强度和范围的增大,地表沉降的规模和程度都在不断增加,临近塌陷区的矿山公路及沿线边坡受到了地下采动的影响也变大;虽然总体仍保持稳定,但是在公路的局部区域存在一定的安全隐患;计算结果和实地调查的情况一致,故得到矿山公路的沉降特性规律为下一步塌陷区的安全有效处治提供了基础数据。     

特厚煤层综放工作面多参量监测预警分析

根据某矿12220工作面特厚煤层综放开采,穿越F16逆冲断层的特殊情况,为保证安全生产及时提供预警信息,采用微震、钻屑量、支架阻力、地表变形多种监测手段综合分析回采过程中的参量变化规律。结果表明:微震活动的峰值能量周期约为3 d,回采间距约为4.5 m,且断层下盘较上盘的微震事件能量更集中;钻屑量的统计分析发现最大值出现在上巷下帮7～11 m和下巷上帮9～11 m范围内,划定该区域为巷帮高应力集中区,并将平均钻屑量3 kg/m作为黄色预警临界值,3.5 kg/m作为红色预警临界值;另外,根据支架前、后柱阻力变化情况,划定了2个连续变化的高压力区,发现在初撑力偏低,甚至不接顶、虚顶情况下,支架梁顶部煤体受自重和构造应力作用易发生准脆性受拉断裂破坏,且在穿越逆冲断层的回采过程中,支架阻力峰值呈现由中下部向上部转移的变化规律;最后,通过对地表走向、倾向测点的变形量数据进行统计分析发现,走向面后84.9～284.8 m范围内下沉量较大,下沉速率增幅明显;而工作面倾向中部下沉量最大,整体下沉变形呈二次抛物型,其中下部下沉速率增幅明显。     

金竹山土朱煤矿开采地表沉降规律与灰色预测模型研究

针对金竹山矿业公司土朱煤矿煤层赋存条件,依据采动理论的裂缝垂直分带模型,分析地表沉降和塌陷的机理;提出在采煤活动阶段应进行地表实际位移观测,经数据处理后得到地面沉降曲线,以确保地面人类活动的安全;在采煤活动后阶段则实施灰色预测地面沉降,即通过采煤活动阶段的地表实际观测数据为历史原始数据序列,建立灰色Logistic模型;并对采煤活动后阶段的地面沉降进行预测。精度检验表明:灰色Logistic模型预测精度高,利用该模型预测地面沉降可减少地面沉降监测经费和实时提供预警信息,以确保开采区域内人们生命财产安全。     

地下开采沉陷对滑坡灾害的影响分析

我国西部矿区大部分位于山区及丘岭地区,这种条件下开采往往会导致滑坡灾害的发生。利用FLAC3D模拟地下开采地表沉陷规律,分析开采沉陷对滑坡稳定性的影响。通过GeoStu-dio软件模拟降雨入渗下滑坡暂态渗流场,将计算得到的暂态孔隙水压力分布用于滑坡的极限平衡分析,并考虑基吸力对非饱和土抗剪强度的影响。探讨渗透系数、裂缝位置和深度对滑坡稳定性的影响。研究表明:降雨是诱发黄土层采动滑坡的主要因素,开采沉陷对采动滑坡稳定性的影响受控于采动区滑坡体结构形态、入渗能力、裂缝位置和深度。     

Numerical simulation study of dust concentration distribution regularity in cavern stope

Based on the theory of gas-solid two-phase flow and the characteristics of cavern stope a model of dust migration was established. The dust concentration changing of cavern stope by ventilation in 20 min after blasting and the dust trajectory in different wind speed were simulated by Fluent Software. The results show that distribution of dust concentration is significantly affected by flow field of airway in cavern, and the dust concentration of inlet is higher than that of outlet and the highest one on the corner of inlet’s side. In the stope, the smaller the wind speed of inlet is, the shorter of dust can be captured, settled and discharged, the more obviously affected by the trajectory of gas flow field. It goes into the stage of clean cycle emissions after 60 s, the speed of dust concentration dropped is the biggest between 0 s and 70 s, the main dust in stope is respirable dust after 70 s, it needs much time to settlement.According to the measured data of metal mining, approximately 87% of dust was generated during the drilling and blasting in the mine (Wang, 1979). A lot of dust with high concentrations was produced during the cavern stope blasting and it was difficult to be discharged. It can help choose the right speed to rule out the dust quickly which produced during cavern blasting, if the dust concentration distribution and the dust migration law of different inlet velocity in the cavern can be verified, what’s more, the labor productivity can be increased. It has great significance for choosing reasonable ventilation parameters, reducing dust hazards of stope to researching the dust concentration distribution regularity in the stope.     

基于采动覆岩三维裂隙场演化规律的地面L型钻井瓦斯抽采技术*

为了解决目前采用的直立型地面钻井抽采范围小、工作面所需钻井数量多及瓦斯流量和浓度偏低的问题,基于屯兰矿12507工作面Ⅱ段工程地质情况,提出地面“L”型钻井提高瓦斯抽采效率的理论和实践研究。通过PFC3D颗粒流离散元数值模拟软件对工作面覆岩采动影响进行模拟,得到采动影响下的覆岩结构、裂隙和孔隙率变化。研究结果表明:屯兰矿12507工作面Ⅱ段的垮落带高度为15.87 m,裂隙带高度为49.46 m,采空区上方15~50 m、沿倾向方向距离采空区边界20~100 m的范围内裂隙较发育,孔隙率高且稳定。在屯兰矿12507工作面Ⅱ段进行工程实践,得到地面“L”型钻井在抽采效率、工作面上隅角瓦斯治理及采空区瓦斯有效利用方面优于普通地面钻井抽采,抽采系统工作149 d瓦斯抽采浓度平均为52.52%,抽采纯量平均为9.48 m3/min,上隅角瓦斯浓度平均为0.21%,降低了矿井瓦斯灾害出现的风险并提高了煤层气的利用。