基于地表敏感变形和房屋因素的矿区建筑物损坏评价方法

针对目前建筑物采动损坏评价因素的不尽合理与区域性评判结果的局限性,提出基于地表敏感变形和房屋因素的矿区建筑物采动损坏评价方法。采用理论分析、数值模拟和现场调查等方法对建筑物采动损坏评价进行了研究与探讨。首先,采用数值模拟方法,揭示地表变形、建筑物结构类型、主变形方向与建筑物长轴的夹角等因素对建筑物损坏影响规律,模拟结果表明:①当沿建筑物长轴的变形增大时,建筑物的损坏程度增大,得出了平房建筑加速损伤的地表变形临界值为曲率K=0.6 mm/m^(2),水平变形ε=6 mm/m;②不同结构的建筑物损坏程度不同,其中具有圈梁或构造柱的建筑物抗变形能力强,研究并确定了二层砖混结构(圈梁和构造柱)损坏程度的地表临界变形值;③建筑物对其长轴方向的地表变形较为敏感,影响损坏大,但对其长轴的垂直方向的变形不太敏感,而变形与建筑物斜交方向的建筑物损坏程度介于2者之间。其次,基于地表敏感变形因素、主变形方向、房屋因素共选取7个评价指标,建立建筑物采动损坏评价的未确知测度模型,根据各评价指标对建筑物的重要程度,采用层次分析法定权;最后,应用于峰峰矿区和徐州矿区3个村庄的建筑物损坏实例,结果表明:在选取的50户140余栋建筑物评价中,预测准确率在80%以上,预测精度高于传统方法,且预测效果良好,弥补了传统评价方法的不足,验证了评价指标选取和评价模型的可靠性。

结合改进Weibull时间函数的开采沉陷动态预测模型

煤炭开采引起的地表沉陷是一个多维动态变化过程,动态预测可以获取采空区上方任意位置、时刻的形变大小,对保护地面基础设施和人民生命安全具有重要意义。为实现地表沉陷的动态预测,针对Weibull时间函数模型结构复杂、参数较多等不足,基于开采沉陷相关理论,建立了仅含一个模型参数,且可以准确描述地表点下沉量、下沉速度、下沉加速度的改进Weibull时间函数模型。在此基础上,结合已有的地表沉陷盆地模型,建立了一种新的开采沉陷动态预测模型,详细阐述了模型参数的确定方法及其对沉陷盆地形态的影响,并结合某矿313工作面和3214工作面实测数据验证了模型的预测精度和适用性。结果表明:改进的Weibull时间函数模型最大均方根误差为52 mm,最大相对误差为2.1%,较改进前分别提高了60.3%和64.4%;开采沉陷动态预测模型预测的下沉曲线形态和实测下沉曲线形态一致,最大均方根误差为17 mm,最大相对误差为1.76%,表明该模型可以预测地表沉陷过程,具有较好的适用性和可靠性。该研究结果可为矿区地表沉陷动态预测提供参考。

基于SBAS-InSAR技术的老采空区注浆充填地表变形时空分布特征分析

InSAR技术已广泛应用于矿区地表沉降监测,但老采空区注浆治理区域地表变形时空分布特征研究较少。为获取老采空区注浆充填地表变形时空特征,本文提出了一种基于SBAS-InSAR技术的数据处理方法,该方法联合使用了D-InSAR技术、PS-InSAR技术、SBAS-InSAR技术等多种技术,以SBAS图像对选取策略选择时空基线较优的图像对进行组合,以D-InSAR技术为基础,生成干涉图集,通过PS方法选择稳定的散射相干目标点,对相干目标点相位信息进行解算,获取了相干目标点地表沉降速率及时间序列等信息。通过与部分水准数据的对比,表明该方法与传统水准测量具有一致性。基于39期RadarSAT-2数据及40期Sentinel数据,获取了研究区地表在注浆前、注浆中及注浆后的变形特征:研究区在注浆前(2015年7月—2016年12月)区域最大沉降速率达-98mm/a,最大抬升速率达134mm/a;在注浆中(2019年8月—2022年9月),区域最大抬升速率达18.7mm/a,最大沉降速率为-11.2mm/a;在注浆后(2023年1月—2023年12月)最大抬升速率达16.0mm/a,最大沉降速率达-10.0mm/a。区域地表变形速率呈现下降趋势。通过区域沉降速率、时序累计沉降值及典型相干点分析,获得了研究区从注浆前、注浆中到注浆后的地表变形分布特征,揭示了研究区地表变形从注浆前开采引起地表下沉及残余变形到注浆中地表缓慢下沉并抬升到注浆后地表变形趋于稳定的变化规律。

厚煤层协调全采沉陷控制技术及在村庄下采煤中的应用

我国煤矿“三下”压煤严重,滞压资源的回采与受护对象的保护存在矛盾,寻求解决资源高采出率与受护体安全问题的办法,是我国矿山开采沉陷研究长期以来的一个技术难题。针对条带开采资源采出率较低、充填开采成本较高、同步协调开采实施难度较大的问题,考虑煤矿主要地质采矿因素,基于开采沉陷基本规律、上下煤层重复开采影响规律和采区内多工作面的相邻开采影响规律,提出了村庄下厚煤层横向采宽控制、纵向分层采厚控制、开采顺序优化控制的联合协调控制技术思路和采区内工作面跳采、全采、分层开采3个阶段沉陷控制方法。为了提高技术应用效果,提出了开拓系统单翼布置和大采区、长工作面的优化设计方法。通过实测和理论分析,揭示了协调式跳采全采方法精准控制地表变形、改善村庄地表变形过程和分布状况的机理,得出了开采各阶段工作面优化设计参数。经过不同煤厚、不同采深条件的多个矿井20 a的应用研究,解放了大量滞压资源,实现了多个村庄下滞压资源的安全高效全采,采厚3.5~5.7 m、跳采宽度达305 m、年度出煤量达128万t/a,村庄煤柱采出率达到93.5%,避免了上千户村民的搬迁和异地耕作,创造了良好的经济和社会效益。

太原盆地地面沉降时序InSAR监测与季节性变形小波分析

太原盆地长期过量超采地下水,区域地下水位持续下降,导致了严重的地面沉降.地面沉降的时空演变特征与地下水位的动态演化具有很强的相关性.本文使用2015—2020年的Sentinel-1卫星数据进行时序SBAS-InSAR处理,获取了太原盆地地表形变速率和时间序列,并采用季节性形变模型分离形变时间序列中的线性趋势和季节性周期信号.基于小波变换分析方法,定量分析了地表沉降与地下水位的周期演化特征以及两者之间的时间滞后关系.研究发现:(1)地面沉降主要发生在太原盆地中部(小店—清徐—交城—祁县—太谷一带,速率达到-70.0 mm·a^(-1))、西侧边山(清徐—交城一带,速率达到-63.4 mm·a^(-1))和南部(孝义—介休一带,速率达到-72.2 mm·a^(-1));(2)由于地下水压采和“引黄入晋”引水工程等一系列水资源管理措施的实施,太原市区地下水位回升,地面由沉降转变为抬升,整体抬升速率约9 mm·a^(-1);(3)太原盆地中部(清徐—祁县—太谷一带)地表形变随着地下水位的季节性“开采—补给”作用而呈现出明显的“沉降—反弹”周期变化特征,年周期形变振幅达到26.2 mm;(4)盆地内季节性地表形变和地下水位变化之间的时间滞后关系不明显(仅为22天),说明该区域低渗透粘土对延缓含水层系统压实的影响有限.本文结果可为太原盆地地面沉降防控和水资源可持续开采利用方案的制定提供科学依据.

“采-充-留”协调开采技术原理与应用

我国岩层移动控制主要采用条带开采、充填开采和协调开采方法。针对条带开采采出率较低、全采全充成本较高的问题,提出了一种"采-充-留"相结合的部分开采、部分充填、部分煤柱的协调开采方法,给出了留设煤柱、充填开采工作面、垮落法开采工作面的布置方式和采充留尺寸确定原则,分析了由充填体与小煤柱所构建的联合支撑体的作用原理和形成非充分开采的岩层移动控制实质。通过模型试验验证了该方法对地表下沉的良好控制作用,揭示了其控制覆岩及地表移动的机理。采用"采-充-留"协调开采技术,对某矿村庄下采煤试验区进行了方案设计,地表移动变形预测表明,该技术具有良好的减沉效果,建(构)筑物的损害等级可得到有效控制。该技术为提高滞压资源采出率、降低充填成本、减缓地表损害,提供了新的手段。

急倾斜煤层水平分层综放开采岩层移动规律

为了进一步认识水平分层综放开采的开采沉陷特点,运用相似材料模型实验,对某矿大倾角煤层的开采沉陷过程进行了模拟研究,揭示了急倾斜特厚煤层水平分层深部开采岩层与地表移动规律．

特厚急倾斜煤层水平分层开采岩层及地表移动机理

以窑街矿区三矿地质条件为原型,采用相似材料模型试验方法,研究了特厚急倾斜煤层水平分层开采岩层移动机理和地表移动规律。结果表明,特厚急倾斜煤层水平分层开采时,浅部开采阶段岩层以应力拱结构控制岩层移动,深部开采阶段岩层以铰接岩梁结构控制岩层移动;根据覆岩破坏形式,将采动岩层移动分为松散岩块区和层状岩层区。揭示了特厚急倾斜煤层水平分层开采具有显著的重复开采和变方向传播的特征;随着工作面自上向下逐层布置回采,地表移动盆地具有向顶板侧扩展和下沉值不断累计的特点,最终形成一个整体的移动盆地。研究结果可为地表及岩层移动预测模型的建立提供依据,从而指导类似条件下煤炭资源的合理开发。

峰峰矿区九龙矿水库下采煤安全性分析

以九龙矿南五采区地质采矿条件为例,根据岩层移动理论,计算确定了该矿断层条件下煤层群(2,3,4号)开采覆岩导水裂缝带高度为62.4 m,防水安全煤岩柱高度为70.0 m;分析了陷落柱和库区钻孔的封堵状况对导水性的影响。采用概率积分法和Kriging插值法,预测确定了东武仕水库下采煤地表淹没线分布,分析了淹没线变化对附近村庄的影响和安全性。参照该矿-600 m以浅水体下采煤实践,综合确认九龙矿东武仕水库下采煤具有可行性,通过水文观测和适当的防范措施,可以实现该矿水库下安全开采。

特厚急倾斜煤层水平分层开采地表移动预计方法

特厚急倾斜煤层水平分层开采具有重复开采、沉陷影响累积的特点,其岩层移动模式和地表移动形态需要建立新的预测模型来描述。在实测分析和相似模型试验的基础上,根据急倾斜煤层开采覆岩与地表的移动的变形机理和传播方向变化特征,建立了基于开采影响传播角变化的特厚煤层水平分层开采地表移动的预计模型,提出了分层充分与非充分开采条件下沉系数与煤厚、采深、煤层倾角的波兹曼拟合关系式,提出了预计参数的确定方法。通过实例验证分析表明,预测模型能较好地反映实际规律,预计参数物理意义明确,易于确定。

三维激光扫描技术在采动区房屋变形监测中的应用

基于三维激光扫描技术,提出应用房屋特征点提取采动区房屋移动变形的方法,并通过误差分析理论,评价三维激光扫描直接获取数据与间接计算数据的精度,结果显示其精度能满足房屋移动变形监测要求。应用三维激光扫描数据,分析采动区房屋移动变形规律,对村庄房屋下开采的安全开采具有指导意义。

急倾斜煤层开采地表非连续变形计算方法研究

提出了急倾斜煤层开采地表非连续变形的度量方法 ;采用有限元法分析了层间弱面条件下地表非连续变形的影响因素 ;创建了急倾斜煤层开采地表非连续变形关于采动程度、弱面位置、弱面宽度、弱面介质特性的计算方法 .实例分析表明 ,计算方法应用简便 ,效果良好 ,为地表非连续变形的计算提供了新途经 .

岩层与地表移动的矢量预计法

矢量预计法是基于倾角变化的开采沉陷模型及其岩层移动参数分析方法 ,把煤层倾角作为预计模型的变量 ,视水平煤层和竖直煤层开采的对称下沉盆地为模型的边界条件 ,依据随机介质理论 ,构建了闭区间 [0° ,90°]上的岩层与地表移动预计方法 .引入的岩层移动参数独立于开采煤层的几何要素 ,是对顶、底板岩层岩性的综合反映 ,因此矢量法参数对于不同级别倾角煤层具有继承性 ,本方法不仅为解决大倾角煤层开采沉陷问题提供了预计依据 。

基于倾角变化的最大下沉值计算方法

最大下沉值是度量层状矿体(如煤层)开采引起的地表移动变形程度的重要参量。地表最大下沉值与开采工作面几何要素相关,基于倾角变化的最大下沉值计算模型综合反映了这些因素的影响关系,在一定程度上从岩层移动机理揭示了开采沉陷的层面效应和尺寸效应,为建立不同级别倾角煤层开采沉陷的统一模型打下了基础。

深部隔离煤柱对岩层与地表移动的影响规律

焦坪矿区大采深、厚煤层综放开采条件下,地表下沉量较小,呈现非充分的采动影响现象。通过相似材料模型试验,分析了本区地质开采条件下工作面宽度、隔离煤柱尺寸、上覆岩层岩性与地表移动的内在关系,揭示了岩层移动的基本特征。研究证实了深部开采条件下工作面间留设一定宽度的隔离煤柱对地表沉降起到有效的控制作用,这可为本区及类似条件的其他矿井提供参考。

非充分开采地表移动预计模型

在概率积分预计方法的基础上,通过引入开采沉陷率和拐点偏移距关于宽深比的玻兹曼函数,建立了顾及不同开采充分性的开采沉陷预计模型.为各类非充分开采(大采深煤层开采、条带开采、房柱式开采等)的岩层和地表移动计算提供了新的统一的数学模型.

形态参数下地表采动裂缝三维建模及可视化方法

实现对地表采动裂缝的三维建模及可视化能促进裂缝的形状、成因研究,并为开采沉陷监测和生态环境恢复提供科学支持。目前三维建模方法和软件主要面向建筑物、管道、地质体等地物地貌,若直接应用于地表裂缝的建模与表达会存在野外测绘工作量大、形态规律表达不准确、呈现不逼真等问题。本文结合三维地形建模、分形、空间插值等理论,提出了基于几何形态参数的地表裂缝三维建模方法,并利用Arc Engine平台实现了对裂缝的三维可视化;选取甘肃省东峡矿区为试验区,根据裂缝分布与形态预计参数,实现了对区域内裂缝的模拟,并通过与实测数据和高分辨率影像进行对比,验证了该方法能真实逼真呈现裂缝的形态、延伸与细节信息。

上湾矿高强度开采地表裂缝发育规律实测研究

神东矿区上湾矿1-2煤层倾角小、厚度大、埋藏较浅、赋存稳定,采用宽工作面大采高综采技术,高强度开采对地表环境的影响也更加剧烈,为了掌握该矿地表裂缝发育规律,对12401工作面推进过程中切眼侧1 km范围观测区进行了地表裂缝实测研究。设计了地表裂缝分区分方向观测方案,采用手持GPS测量裂缝轨迹、钢尺测量裂缝宽度、铁钎测量裂缝深度。历时3个月,获得了回采工作面开切眼侧观测区的2303条裂缝的分布信息。研究结果表明:①分析确定了本矿地质采矿条件地表裂缝的拉伸、压缩、台阶、塌陷4种类型及其分区分布情况。②得出了地表裂缝的周期性发育规律和集中于采空区范围的分布规律,确定了裂缝分布主要参数。测得裂缝间距约10 m,裂缝最大宽度0.7 m,最大深度4~10 m,最大长度298 m,最大台阶高度0.45 m,切眼侧走向裂缝角76.0°,上山裂缝角86.0°,下山裂缝角84.7°。③在工作面沿走向推进过程中,地表周期性产生与推进方向垂直分布的主裂缝,经历"产生—扩展—收缩—稳定"约14 d的发育过程,主裂缝宽度大于50 mm,平均间距129 m,相对于推进位置滞后角79.8°~87.1°。通过对上湾矿12401工作面开采地表裂缝的实测研究,为科学评价该矿地质采矿条件下地表采动损伤状况提供了依据。

急倾斜煤层开采非连续变形的相似模型实验研究

与缓倾斜煤层开采相比 ,急倾斜煤系地层常隐含软弱夹层 ,其露头容易出现台阶和裂缝 ;与切割岩层的结构面比较 ,层间软弱面并不对移动盆地起全局控制作用 ,而只产生局部影响 通过综合考虑急倾斜地层与层间弱面两个因素 ,阐明了急倾斜煤层开采地表非连续变形的发生条件 ;采用相似材料模型实验 ,研究了岩层垮落、弯曲、离层的方式和形态 ;提出了急倾斜煤层开采岩层的层梁移动模式 ;揭示了地表非连续变形的形态特征和变形机理 ,为进一步研究地表非连续变形的计算提供了依据 图 7,表 2 ,参

唐山矿深部开采覆岩离层与法向裂缝分布规律研究

采用数值模拟与概率积分相结合的方法,对唐山矿铁二采区T2291工作面开采进行了模拟,将覆岩裂缝按层间和法向两个方向分别研究,综合确定该工作面回采后覆岩裂缝分布范围。与数字式全景钻孔摄像实测的对比结果表明,模拟与实测结果相吻合,可以采用该方法确定覆岩裂缝的分布范围。