岩层与地表移动控制技术的研究现状及展望

岩层与地表移动控制技术是矿山开采沉陷学的主要研究方向 ,其目的是研究合适的采矿方法和相关技术 ,尽可能地减少岩层和地表移动 ,保护地表建筑物的安全。在综合分析大量文献的基础上 ,从部分开采方法、充填开采方法、覆岩离层注浆和协调开采方法等几个方面对目前岩层与地表移动控制技术的研究现状进行了论述。展望了我国岩层与地表移动控制技术的发展趋势。     

薄基岩巷采矸石充填围岩变形特征的数值模拟

巷采矸石充填开采是"三下"开采中控制覆岩移动变形和地表沉陷的有效方法之一。矸石充填开采既可以避免造成污染,又能够置换"三下"压煤、提高煤炭资源回收率,还可缓解部分副井提升压力,具有重要的理论意义和应用价值。为了确定厚表土层薄基岩下巷采矸石充填开采方案,采用数值模拟方法研究厚表土层薄基岩下充填开采地表沉陷特征及围岩变形机理。结果表明:在煤柱中布置宽5.0m,高5.8m的矸石充填巷,巷间煤柱宽10m的方案是可行的。通过数值模拟验证了在煤柱中掘进巷道并利用矸石回填以置换开采出部分条带煤柱技术的可行性,巷式充填采煤方式能有效控制上覆岩层移动,此种采煤方法为"三下"难采煤层提供了一种有效途径。     

减缓地表沉降的覆岩离层注浆新技术的研究

较系统地介绍了覆岩离层产生的力学机理 ,分析了适合离层注浆控制地表沉降的地质采矿条件 ,探讨了充填物在离层空间的力学机理及离层充填注浆设备及注浆系统 ,并对离层注浆的应用效果确定了评价指标     

特厚煤层不同开采阶段"弱-弱"结构覆岩破坏高度研究

为了确定老虎台矿特厚煤层不同开采阶段"弱-弱"结构覆岩破坏高度,以63005工作面所在区域为研究对象,构建FLAC3D数值计算模型,对研究区域水砂充填开采阶段和综采放顶煤开采阶段覆岩破坏高度进行分析,确定了覆岩破坏高度与采出厚度的关系.分别采用微震监测、EH-4探测法对研究结果进行了验证.结果表明:无论水砂充填开采阶段还是综采放顶煤开采阶段,老虎台矿"弱-弱"结构覆岩最大破坏高度均约为等效采高的8.5倍;63005工作面开采前后,覆岩破裂最大高度与油母页岩和绿色页岩的分界面密切相关,均被控制在分界面之下;覆岩破坏高度受到F18断层的影响,被约束在断层破碎带沿走向范围内;63005工作面开采后,绿色页岩层中F18断层的下盘出现离层破坏,且破坏范围呈逐步扩大的趋势.     

采煤区覆岩与地表沉降控制技术研究及展望

煤矿开采引起覆岩及地表沉陷的控制理论与技术研究是涉及全球性灾害学科的研究内容之一。笔者通过对采动覆岩破坏特征的分析,提出了覆岩破坏与移动的“竖四带”的分区模式;并在评述传统控制技术及效果的基础上,介绍了覆岩与地表沉陷控制的新技术－离层注浆技术的原理、特点及应用前景。     

采煤区覆岩与地表沉陷控制技术研究及展望

煤矿开采引起覆岩及地表沉陷的控制理论与技术研究是涉及全球性灾害学科的研究内容之一。笔者通过对采动覆岩破坏特征的分析，提出了覆岩破坏与移动的“竖四带”的分区模式；并在评述传统控制技术及效果的基础上，介绍了覆岩与地表沉陷控制的新技术——离层注浆技术的原理、特点及应用前景     

开采引起的覆岩冒落及地表沉陷的机理与防护

本文根据覆岩的实际受力情况，对开采引起的覆岩冒落和地表沉陷机理进行了研究。即首先是岩层离层与弯曲，接着岩体移动，从而导至上覆岩层冒落，出现地表沉陷，并给出了相应的预防和维护措施。     

村庄下倾斜煤层条带开采方法研究

针对我国"三下"(建筑物下、水体下、铁路下)压煤条带开采的实际情况,根据国内外有关条带开采的实践经验和技术要求,采用极限强度理论和压力拱理论对村庄下倾斜煤层条带开采进行了分开采深度设计,计算得出了条带开采的采出宽度和保留宽度;应用条带开采地表移动参数的模糊优化理论对概率积分法预计参数进行了选取,按照不同的开采深度,对村庄范围内的地表移动和变形值进行预计;根据预计的结果,对计算得出的条带开采尺寸进行检验和优化。研究表明,村庄下分采深条带开采尺寸设计和分采深地表沉陷预计,不仅可以提高地下煤炭资源的采出率,实现村庄在不搬迁情况下安全开采,也可最大限度地减小地下开采对地表建筑物的损害。     

粉煤灰膏体管道输送特性分析与研究

粉煤灰膏体充填是目前最为有效的建筑物下采煤技术,料浆运送是实现充填开采的重要环节。结合数学和弹塑性力学对粉煤灰膏体流变特性进行了理论推导,完成了实验研究,从粒径、比重、颗粒形状和膏体浓度等方面对输送机理进行探讨,结果可为粉煤灰膏体充填开采技术应用提供重要技术支撑。     

榆家梁煤矿离层注浆充填保水效果数值研究

为探究离层注浆充填对地层保水效果的影响,构建地层岩体渗流场和裂隙场空间演变模型,分析离层空间充填后地层岩体导水性能演化特征。结果表明：受覆岩影响,岩体裂隙长度、孔隙率和水力传导率高值区由离层两端向中心区域集中;未充填时,离层上方关键层两端受拉剪破坏影响,关键层两端裂隙发育明显,孔隙率和水力传导率增大;充填高度增加,关键层断裂后受充填体支撑未完全破坏,孔隙率和水力传导率相对减小;岩层裂隙、孔隙率、水力传导率和水头的模拟结果证明对离层进行充填可有效减少含水层渗流量,离层充填高度越大,保水效果越好。     

破碎岩体流变特性及其应用研究

受采动应力和水-岩耦合作用,松散含水层下薄基岩煤层采场易发生出水压架致灾事故,而巷采充填方法是解决此类问题的有效途径之一。为了研究巷道充填后上覆岩层的运移规律,首先采用流变仪对充填岩体进行了流变力学试验,其次采用FLAC模拟软件建立了巷采充填的数值计算模型,分析了充填开采时煤柱与充填体的应力、位移变化规律及基岩面的运移规律。研究表明:破碎岩体的压实过程由三部分组成:颗粒的重排、颗粒的破碎和孔隙的填充、颗粒的压缩变形;蠕变状态下,当时间t≥1天,轴向位移基本趋于稳定,破碎岩体达到了一定的强度;随着充填体变形模量的增加,充填体能够有效抑制高位承载岩层的下沉量,从而减小工作面发生压架突水灾害的几率     

深井大采高综采面矿压显现及覆岩破断规律研究

针对深井大采高综采技术中采场矿压控制难的特点,以潘二矿11223大采高综采工作面为工程背景,采用相似模拟、数值模拟、现场矿压监测、理论分析等方法,对深井大采高综采工作面矿压显现及覆岩运动破断规律进行研究。结果表明:深井大采高综采面覆岩运动破断后结构形态演化特征可概括为“组合悬臂岩梁结构——压实填充结构——非铰接岩梁结构——铰接岩梁结构”的动态演化过程,这种动态演化过程直接影响着工作面的矿压显现特征及覆岩破坏特点;得到工作面初次来压步距为34 m,基本顶周期来压步距15 m,来压由中部开始向两端转移;工作面前方应力集中区距煤壁平均4.4 m,应力峰值平均为26 MPa,工作面矿压显现特点受控于覆岩运动破断的动态演化力学结构,研究结果对类似条件下的工作面安全开采具有一定的理论依据和借鉴意义。     

条带开采下沉系数计算与优化设计的神经网络模型

在综合分析条带开采地表下沉系数影响因素的基础上,采用神经网络方法建立了条带开采地表下沉系数的计算模型。模型以国内外成功的条带开采实例为学习训练样本和测试样本,对模型的计算结果与实测值进行了对比分析,分析结果表明,该模型的计算值更接近于实测值。在上述研究的基础上,在给定条带开采采出率的条件下,以条带开采的地表下沉系数最小为原则,运用该模型实现了对条带开采尺寸的优化设计。该研究的成果,为条带开采地表下沉系数的理论计算及条带开采尺寸的优化设计探索出了一种新的方法。     

近距离煤层群叠加开采采动应力与覆岩位移场演化特征

为获得近距离煤层群叠加开采条件下采动应力与覆岩位移场的演化特征,以潘二矿近距离煤层6,7煤层地质条件为背景,采用相似模拟与工程实践相结合的方法进行了研究。结果表明:近距离煤层群叠加开采形成的覆岩宏观运移形态和特征与单一煤层开采相似,叠加开采时,覆岩呈多岩层整体协调运移的规律,具有位移叠加增长效应;7煤层的开采使覆岩起到一定的垫层作用,缓和了矿山压力,使近距离煤层叠加开采时具有应力减弱效应;与开采7煤层相比,6煤层开采过程中,周期来压步距减小,来压时支架载荷减弱,动压系数相应减小,但周期来压时,存在部分岩层发生台阶式下沉的现象。基于近距离煤层群叠加开采研究结果,在近距离煤层群开采的设备选型时,选用了高额定工作阻力的液压支架,在周期来压期间,采取了一定的辅助措施,同时加强了组织管理,生产中没有发生冲击液压支架及其他动力灾害的现象。     

极近距离煤层综放开采工作面覆岩“两带”发育规律研究

为深入研究极近距离煤层综放开采工作面覆岩“两带”的动态发育规律,采用理论推导、数值模拟和现场实测相结合的方法,分析袁店一矿824工作面覆岩“两带”的裂隙演化特征。结果表明：从岩层层向拉伸率角度,研究上覆岩层垮落带和导水裂隙带的垮落程度,考虑角度影响推导出岩层弯曲下沉边缘段变形前后的长度计算公式,根据覆岩的碎胀特征计算各岩层的最大下沉量,预测垮落带和裂隙带的范围分别为30.2～41.2 m和70.7～78.2 m;采用3DEC数值模拟分析该矿824工作面开挖后上覆岩层垮落的基本形态和裂隙分布规律,结合其应力、位移云图和监测线位移曲线的分布特征,得出垮落带和裂隙带的高度分别为32.50 m和77.25 m;采用分布式光纤应变监测系统,监测工作面前方80 m处上部顶板的受力情况,得出受采动影响的光纤应变呈起伏变化,且应变分布与地层岩性存在对应关系,得出垮落带高度约30.4 m,裂隙带高度约74.8 m,验证采用层向拉伸率和覆岩碎胀性2个方面来预测工作面覆岩“两带”高度的合理性,可为类似方面的研究与施工提供相应的技术依据。     

煤层底板卸荷扰动断裂机制宏细观研究

基于断裂力学和重整化群理论,采用综合研究方法,从宏细观角度对开采扰动底板损伤岩层动态失稳机理进行了研究。结果表明,煤层回采后,底板岩层存在高应力束组成的主应力拱,最大主应力大小决定裂纹的起裂与扩展,裂纹的生长路径受控于最大主应力的方向。采场高支承压力引起岩层原始裂纹起裂,宏观上表现为底板岩层的预先剪切随机破坏;近场区域最大主应力场部分偏转,引起底板岩层中垂直应力显著降低、浅部水平应力急剧增加和斜向采空区方向产生高剪应力,迫使裂隙在原有扩展长度基础上进一步生长;工作面继续推进,采空区内底板岩层水平方向上压缩和竖向膨胀引起岩层拉破坏,当底板岩层损伤发展到临近损伤值时,极小范围的扰动被强烈放大,底板岩层由随机破坏转为"雪崩"式宏观断裂。