考虑基础-土相互作用的采空区输电铁塔承载特性研究

采空区地表沉降后,输电铁塔基础可能发生沉降、倾斜,影响杆件变形及轴力分布,导致杆件失效。以某采空区750 kV输电铁塔为研究对象,建立了输电铁塔、基础与土相互作用的有限元模型,对不同基础型式、不同沉降位置的塔腿杆件轴力分布及变形影响规律进行了分析,同时分析了铁塔基础的受力特性。结果表明,当考虑相互作用影响时,杆件轴力和节点位移随沉降值呈非线性变化;相较于独立基础,不同沉降位置对大板基础的塔腿主材、斜材轴力的影响更大;当基础处于沉降位置时,防护大板能有效减小基础所受应力。

中等型采空区治理技术方案研究

目前,地下矿山安全生产形势十分严峻,采空区是地下矿山的重要隐蔽致灾因素之一,为有效防范并遏制采空区事故的发生,必须对矿山的采空区情况进行准确、详细的调查和了解,采取有效的治理措施并消除隐患。通过选用三维激光扫描仪进行矿山空区轮廓数据的采集并运用3D Mine、Rhino3D软件联合建立了三维实体模型。利用有限差分计算软件FLAC3D进行模拟计算,根据岩体质量和空区稳定性状况对现存空区进行稳定性分析和分级,根据分级结果制定相适应的空区处理技术方案,最终有效治理了现存的采空区,消除了空区隐患。

某矿区采空区及老窿积水区调查与治理技术措施研究

某矿区因长期无序、掠夺式开采,形成了大量不明的未处理层群采空区和老窿积水区,在复杂的层群空区条件下,造成矿区大面积地压活动和矿区透水事故隐患,是该矿区后续安全生产中面临的首要重大安全隐患。文章结合对前期该矿区采空区及老窿积水调查情况的整理,并通过对采空区及老窿积水区探测技术、空区治理及井下防治水技术的分析研究,提出了采用EH4大地电磁测深法与瞬变电磁法联合探测方法进一步探明采空区及老窿积水区的可行性,为矿区后续采空区及老窿积水区探测与治理提供参考。

采空区场地高速铁路路基动力响应离散元数值模拟分析

目的高速铁路穿越采空区场地存在重大安全隐患,为探讨采空区场地高速铁路路基的动力响应规律,方法利用3DEC离散元软件建立17组采空区场地高速铁路路基数值模型,分析不同列车荷载作用下路基内部的沉降变形和动应力分布规律,对比分析无砟轨道和有砟轨道路基内部动力响应的分布差异,分析采空区开采宽度、厚度对动力响应分布规律的影响。结果与无砟轨道相比,有砟轨道路基内部的动应力幅值明显更高,但其动应力的衰减速率也更高;动应力、动位移的时程曲线沿着路基深度方向出现不断增大的相位差;路基内部动位移幅值随着荷载作用时间增加而逐渐增大,但增大的速度不断降低,动应力幅值基本保持不变;动应力、动位移幅值与列车轴重存在明显的线性关系,随着轴重增加而线性增大;采空区开采宽度、厚度越大,列车荷载造成的动位移幅值也越大,但当开采宽度大于一定数值后,动位移幅值反而出现减小趋势。结论列车荷载、路基轨道类型和采空区场地的差异都会对路基内部的动力响应分布情况产生影响,研究结果可为采空区场地高速铁路的安全运行提供理论参考。

基于静力水准的采空区地表变形监测及误差分析

目前,采空区上方的地表沉降变形监测主要采用人工水准仪测量,该方法效率低、成本高、周期长,且无法实现自动化实时监测。为解决上述问题,引入静力水准自动化监测技术,在分析静力水准自动化监测工作原理及监测系统构成的基础上,对其可靠性、误差来源及消除方法进行了深入探讨,最后结合条带采空区上方地表监测实例从监测方案、测点布置、数据分析等多个角度进行了系统研究。研究结果表明:该技术能够满足条带采空区上方地表沉降变形自动化监测的要求,可为相关监测工作提供技术支撑。

水力渗透型煤矿采空区三维音频大地电磁快速解译

煤矿采空区或回采阶段工作面常面临水力渗透威胁,如何快速有效且低成本地预判水力渗透成为难题。提出并系统论述了一种面向水力渗透型采空区的音频大地电磁三维反演及快速解译方案。通过设计采空区理论地电模型,探讨采空区电阻率三维反演可行性。实测数据反演解释结果揭示:采空区巷道顶板区域存在明显低阻分布,部分工作面存在顶板裂隙导水造成的富水低阻区域,局部垮落带与上覆含水层明显连通。为可疑透水位置定位、水位和涌水量监测,以及后续开采规划制订提供了参考。从理论和实证角度,为音频大地电磁法的采空区富水状态分析和动态监控应用提供了新思路,相关方法能够有效提高水力渗透型采空区的解译效果。

老采空区地表沉降预测合理监测模式分析

为研究老采空区沉降监测数据时间间隔对预测精度的影响,本文利用某老采空区地表沉降监测点实测沉降数据,在等时间间隔、非等时间间隔两种情况下建立两种方案、六种沉降预测模式,采用长短期记忆神经网络(LSTM)预测模型对老采空区地表沉降进行预测,以平均绝对误差(MAE)和平均绝对百分比误差(MAPE)作为评价指标,分析不同时间间隔监测数据对预测精度的影响。结果表明,在总监测时长不变的情况下,预测精度随平均监测间隔时长的增长呈先增高后降低的趋势,即并非监测间隔越短,预测精度越高,而是在相应监测间隔范围内存在预测精度最优值。研究成果可为老采空区监测方案设计及沉降预测模式提供借鉴和指导。

倾斜矿体采空区非对称顶板-矿柱结构体协同承载机理

为解决倾斜矿体回采后大倾角顶板和非对称空区可能引发的采空区支撑结构体变形及破坏失稳问题,以某石灰石矿非对称顶板-矿柱支撑结构体为研究对象,构建结构体承载力学模型,求解顶板挠曲变形值及矿柱安全系数,分析不同倾角、跨度比下顶板变形特征及矿柱失稳破坏模式,研究其协同承载机理。结果表明:顶板变形、矿柱失稳破坏模式受采空区倾角θ和跨度比λ的双重影响,顶板变形大小随着θ的增加表现为双增长率,与λ的关系伴随着θ的变化而变化。矿柱失稳破坏模式受θ的影响程度随着λ的增加而减小,当0°<θ≤30°时,矿柱主要为小偏心受压破坏;当θ=0°和30°<θ≤60°时,随着λ值的增加,矿柱破坏模式从大偏心受压破坏向小偏心受压破坏转变。顶板维系采空区稳定的能力随着θ的增加逐渐降低,矿柱维系采空区稳定的最优λ值随着θ的增加逐渐减小,矿柱约束顶板变形作用大小随着λ的增加而降低。数值模拟和工程实例验证了理论计算结果的可靠性,为地下空场法矿山安全开采提供一定的理论支撑。

多因素影响复杂空区群下残留矿柱回收模拟研究

对于有着断层切割、多矿脉等因素影响下的某钨矿Ⅰ号矿脉6~8线保安矿柱的回收问题,采用理论分析和数值计算分析了该矿山采空区的稳定性以及残留保安矿柱的回采可行性。在此基础上提出了3种残留矿柱回收方案并进行对比分析研究。研究结果表明:矿柱周边的采空区相对稳定,矿柱自身内部的应变能得到了释放,回收带来的地压灾害风险降低,其发生变位性破坏导致自身的整体刚度降低,矿柱控制地压活动的作用效应随之减弱,可以考虑对该矿柱进行安全回采。残留矿柱回采出矿后,被断层切割的残矿回采区与原左右两侧采空区之间的间柱应力集中更加明显,也出现了较大面积的剪切破坏塑性区,说明残矿回采时可能有剪切破坏的风险,而对保安矿柱两侧被断层影响的采空区进行部分充填可以有效地抑制应力集中现象,减弱边帮的松脱趋势,有效减小残矿回采区上、下盘沿断层滑移趋势,可以实现对残留保安矿柱安全经济的回收。

小断层影响下的采空区瓦斯运移规律研究

在煤矿开采过程中,小断层会导致采空区瓦斯聚集形成瓦斯富集区,对生产安全具有很大威胁,因此有必要研究小断层影响下的采空区瓦斯运移规律。通过UDEC数值模拟采空区上覆岩层破坏过程,从而计算小断层影响下采空区上覆岩层的空隙率,并利用FLUENT软件数值模拟开采过程中考虑小断层影响的采空区瓦斯运移规律。研究表明:①工作面距离小断层20 m远处,小断层从顶部首先出现滑移现象,采空区上覆岩层的位移开始受到断层的影响;工作面到达断层时,由于断层滑移,上盘岩体在断层面滑移产生回转现象,支撑着采空区岩层,覆岩垮落位移量出现大幅度减小,并且岩层垮落出现滞后现象;小断层的影响范围有限,工作面过小断层60 m之后,采空区上覆岩层位移规律逐渐恢复正常。②通过分析含小断层采空区上覆岩层位移特征,得到了采空区上覆岩层位移及其拟合公式,计算得到了三维空隙率分布规律:垮落带范围内,覆岩空隙率在4个隅角位置最大,并且断层靠近进回风巷的位置也出现了空隙率增高;裂隙带范围内,除断层靠近进回风巷的位置空隙率较大,其他位置空隙率相对较低且变化不明显。③获得了小断层影响下的采空区瓦斯运移规律:在工作面距离断层50 m远处,采空区瓦斯运移几乎不受断层的影响;在工作面推进至断层时,瓦斯沿着断层及其附近的高空隙率覆岩产生的优势逃逸通道向采空区深部运移,同时上盘的瓦斯也向深部转移导致大量瓦斯积聚在断层下盘,可能导致瓦斯随漏风流入工作面及回风巷;在工作面过断层50 m时,采空区瓦斯继续向上隅角附近转移;工作面过断层100 m时,采空区上覆岩层瓦斯运移出现回转现象,上隅角和下盘垮落带瓦斯体积分数高。

基于变分模态分解的采空区“三带”微震信号能量衰减规律

为探明微震信号能量在采空区“三带”结构中的衰减规律,拟开展采空区覆岩相似模型试验,采集人工激发微震波经由采空区结构传播的微震信号,通过变分模态分解(variational mode decomposition,VMD)处理微震信号,获取各频率下模态分量。针对采空区微震信号在VMD下各模态分量中心频率与能量之间的关系展开分析。根据中心频率法确定微震信号最佳模态数量,并计算微震信号欠分解状态、最佳分解状态、过分解状态下各分量能量;对各震源下信号最佳分解状态时各模态分量能量与中心频率分布关系进行拟合,分析在“三带”结构中,微震信号不同传播状态下各结构层对信号能量影响作用。研究结果表明:(1)在VMD过程中,人工激发震动信号有效模态数量在6~11范围内,微震信号能量随模态数量变化明显。(2)采用幂函数可实现对微震信号模态能量与频率关系的拟合,且拟合状态良好(决定系数大于0.9),其中低频模态分量包含能量占信号总能量近50%;采用高斯函数可以拟合震源各分量能量在频域上的分布表现,拟合状态较好,且表现出高斯单峰特征。(3)微震信号穿越采空区“三带”结构,微震信号能量随震源位置与传感器距离增加而减小,同时信号能量随震源位置到达传感器穿越岩层数量增加而减小,信号能量在经由垮落带时,能量变化明显,相较于裂隙带和弯曲下沉带,垮落带对信号能量衰减作用明显。

大西沟铁矿露采境界内空区顶板安全厚度研究

大西沟铁矿露天开采安全受原地下开采残留空区的影响。为确保境界内台阶开采的安全,采用4种理论计算方法和数值模拟,确定不同跨度采空区的顶板安全厚度,建立顶板安全厚度与采空区跨度的函数关系,对境界内采空区进行分类,并结合采空区顶板安全厚度确定其处置时机。研究结果表明,采空区顶板安全厚度随跨度增加呈二次函数增长,露采境界内已探知的5个空区均为简单易处理的Ⅰ类空区。当前阶段应在1343.9 m标高对2个采空区进行处理,未来应在1368 m标高对2个采空区进行处理,在1356 m标高对1个采空区进行处理,处理手段均为爆破崩落。研究结果为大西沟铁矿境界内采空区的安全处置奠定基础。

伪三维电阻率成像技术在煤矿采空区勘探中的应用

传统的直流电阻率法二维成像方法在复杂地质结构勘探中存在局限性,无法准确恢复三维地下电性结构,同时当测区范围比较大时,真三维直流电阻率勘探要求一次性布极,受硬件、成本等因素限制,基本不具备实施条件。本文以襄樊到荆州铁路沙岗煤矿老窑采空区勘探为例,设计了二维多剖面交叉布线的伪三维勘探方案,使用常规高密度电法设备进行野外数据采集,通过基于八叉树网格剖分的三维电阻率成像算法获得了工区地层和小煤窑采空区的高精度三维电性结构,经与区域地质资料、钻探成果资料对比验证,工区内高电导率异常分布特征可以良好地反映工区地层界线和老窑采空区空间分布特征。上述应用研究表明,基于伪三维采集方式的三维电阻率勘探方法可以有效识别具有连通性特征的地质异常信息和勘探目标,具有良好的成像精度和实用性,对突破二维成像的局限性和三维电阻率勘探的推广应用具有现实意义,在近地表不良地质勘探领域具有广泛的应用前景。

深部条带老采空区覆岩破坏多参量监测研究

针对深部条带老采空区覆岩移动变形问题,确定了裂隙发育、拉压应变、岩层物性等主要参量指标,采用钻孔电视法、分布式光纤感测法、井间电法CT、微震法构建了采空区覆岩“点-线-面-体”多参量监测模式;运用该监测模式对工程实例进行实测分析,获取了采空区覆岩全方位、多层次的移动破坏特征,得出覆岩裂隙多集中在465 m以下,少量空洞位于垮落带及煤柱上方靠近采空区侧,煤柱塑性区范围约8 m的结论,综合判定采空区覆岩结构可在长时间内保持相对稳定。结果表明:“点-线-面-体”多参量监测模式在内容上能够有效涵盖条带采空区覆岩移动变形的各参量指标,时空上可实现点(静态)、线(动态)、面(静态)、体(动态)相互结合的全过程监测,监测结果间能相互验证,可满足深部条带采空区覆岩移动变形监测要求。

充填条件下采空区稳定性分析

对某矿山采空区稳定性进行了分析。首先对采空区现状进行了详细调查,明确其分布状态及体积;其次,基于FLAC3D模拟结果评价采空区现状及充填后的稳定性变化规律。结果表明,矿山主要存在5个采空区,分布在700~860 m中段,采空区总体积约40.45×10^(4)m^(3);当前采空区顶板不稳定,存在较大垮落风险,1^(#)~4^(#)采空区之间未贯通的岩体受力集中,塑性区贯通,有可能产生大规模失稳破坏;对700~820 m中段之间采空区逐步充填后,采空区失稳风险逐渐消除,不会影响700 m以下中段生产活动。建议优先对1^(#)~4^(#)采空区进行充填处理,降低采空区垮塌和贯通的风险。

岩块尺度对采空区煤自燃区域的影响研究

为探究综放采空区岩块尺度对煤自然发火的影响,采用Fluent软件数值模拟不同直径岩块条件下采空区的煤自燃规律,分析采空区氧浓度场和风速场,分别以氧气体积分数和风速为指标,确定采空区氧化带面积并以二场叠加场作为采空区煤自燃危险区划分标准,研究煤自燃危险区域与岩块直径的关系。研究结果表明:当岩块直径由0增加到10 m时,以氧气体积分数为指标,氧化带宽度变小,面积由5563.84 m^(2)减至2602.69 m^(2);以风速为指标,氧化带面积由3376.60 m^(2)减至1262.95 m^(2);将2种指标确定的氧化带进行叠加得到煤自燃危险区,随着岩块直径的增加,其面积由1854.04 m^(2)减至552.91 m^(2),煤自燃危险区最大宽度由20.40 m缩减至9.06 m。研究结果可为采空区煤自燃发火区域的确定提供参考。

相邻空区影响下三软巷道变形破坏规律与煤柱留设宽度研究

为了探究相邻空区影响下三软煤层巷道掘进时不同煤柱宽度下巷道围岩变形破坏规律,采用理论计算、数值模拟、物理相似模拟与现场实测相结合的研究方法,分析存在临空区后不同区段煤柱宽度下巷道围岩应力演化规律、塑性破坏范围以及位移分布特征。结果表明:临空区是造成巷道掘进后非对称破坏的主要原因,使煤柱主应力方向与垂向夹角增大,巷道两帮应力呈煤柱侧大于实体煤侧的非对称分布特征;三软巷道破坏形式以剪切破坏为主,破坏主体为两帮,随着煤柱宽度增大,主应力方向与垂向夹角减小,巷道围岩破坏程度降低,临空区对巷道不同位置的影响程度不同,巷道中部围岩破坏程度大于端头处且煤柱侧破坏程度大于实体煤侧;煤柱宽度增大对巷道围岩应力以及煤柱破坏的改善程度有限,现场结果显示当煤柱宽度为20 m时巷道正常维护满足需求。

地空瞬变电磁法在煤矿采空区中的应用效果分析

煤矿采空区一直是工程中难以解决的重点难题之一,现工程中一般是结合开采资料及煤层分布进行综合分析。由于大型煤矿多采用自然塌落法来处理采空巷道,而非金属类矿山的填充法,随着时间的推移,会出现非常多的塌陷,导致采空区内部情况非常复杂,难以查清。尤其是在老旧的煤矿当中,由于过去技术落后,矿洞测绘资料存在一定的失真,导致很难明确定义现采空区的具体范围,为工程的顺利开展提出了重大的课题。结合黑龙江依兰煤矿(日伪时期的开采老旧煤矿采空区),在地形地貌条件特别差,人难以攀登的条件下,应用地空瞬变电磁法,初步解决了该采空区的范围和规模。

柿树底金矿高阶段大跨度老旧隐蔽采空区安全治理实践

目的:复杂老旧隐蔽采空区的治理一直是空场法开采矿山面临的重大难题。柿树底金矿为了解决大面积、多中段、已塌陷老旧隐蔽采空区的安全治理问题。方法:通过采空区禀赋特征调查,开展了高阶段大跨度塌陷采空区似膏体非胶结充填治理技术研究与工程应用实践。结果:采用非胶结全尾砂充填治理采空区,消除了老旧隐蔽采空区的安全隐患、防止了地表的继续沉降和塌陷、避免了大规模地压灾害事故。结论:非胶结全尾砂充填治理采空区研究对于减少矿山运营成本、实现矿山固废零排放具有巨大的经济与社会效益,为国内广大空场法开采矿山的采空区治理提供了借鉴。

基于采空区热源的工作面风温变化规律及控制

针对采空区高温热源漏风携热及机电设备影响工作面温度的问题,以济宁二号矿3302工作面为例,采用数值分析方法,建立了工作面物理模型,研究了基于采空区热源下工作面风流温度的变化情况,分析了不同热源位置、供风量对工作面温度场的影响规律,依据附面层理论及模拟云图,确定了最佳挡风帘尺寸。通过现场实测,布置20 m+10 m风帘的阻隔效果最佳,布置后工作面风温降低2.3℃,能够有效防治采空区内高温热源携热漏风。