深埋薄基岩采场覆岩冒落拱与拱脚高耸岩梁复合承载结构形成机理与应用

焦作煤田赋存深埋厚冲积层薄基岩煤层,覆岩构成的特殊性导致顶板活动剧烈、地表下沉系数大,采场面临强矿压、突水溃沙威胁,沉陷区出现裂缝和积水,破坏房屋和农田。为提高深埋薄基岩采场围岩控制效果,以赵固二矿14030工作面为工程背景,采用室内试验、理论分析和现场实测等手段研究覆岩采动裂隙发育特征、顶板结构形态与承载机理,探究支架选型与灾害防控方法。结果表明:覆岩变形存在初始静止、慢速增长、快速增长和突变增长4个阶段,前2个阶段覆岩稳定,第3阶段因变形局部集中进入非稳定状态,第4阶段因非连续变形进入裂隙发育进程;采动裂隙萌生于高位厚冲积层,下行扩展导致基岩全厚断裂,形成覆岩冒落拱与拱脚高耸岩梁复合结构;覆岩连续变形受关键层控制,非连续变形由冲积层冒落裂隙主导;基于关键层沉降特征解释了采动裂隙萌生于高位厚冲积层的原因,揭示了裂隙下行扩展并贯穿岩层交界面的能量原理,采用断裂力学理论推导了基岩发生全厚剪切破断的力学条件;构建了冲积层冒落拱与拱脚高耸岩梁复合结构力学模型,提出了冒落拱极限承载能力与实际边界载荷计算方法,得到了冒落拱发生结构失稳的力学判据,采动应力旋转促进冲积层载荷向拱脚两侧传递,增强了冒落拱自稳能力;提出了基岩破断面恒定法向刚度条件下高耸岩梁承载能力计算方法,确定了保持岩梁平衡所需支架具备的支撑能力;基于厚冲积层冒落拱与拱脚高耸岩梁复合承载机理,提出了液压支架强度-刚度双参量选型方法和覆岩突水溃沙通道快速识别方法,实测结果表明赵固二矿14030工作面支架选型基本合理,突水溃沙通道识别则为顶板注浆钻孔参数确定提供了指导。

厚土层薄基岩高强度开采覆岩破坏高度与特征

为研究厚土层薄基岩高强度开采覆岩破坏特征,以千树塔煤矿12305工作面为研究背景,综合运用UDEC数值模拟、现场实测和理论分析等方法研究了工作面开采后厚土层薄基岩类似地质条件下覆岩移动破坏规律。结果表明:随着工作面不断推进,覆岩破坏高度变化呈现出缓增、突增、稳定3个阶段,缓增和突增阶段主要发生在薄基岩中,而稳定阶段则发生在厚土层中,同时厚土层存在一定的液性指数,导致地表下沉滞后;通过冲洗液漏失量观测和注水试验得到该工作面导水裂缝带发育高度为84.5~86.5 m,裂采比为7.9~8.1,数值模拟及理论计算结果均与实测结果较为接近;阐述了厚土层薄基岩“两带”破坏模式,该模式中薄基岩和厚土层分别起到支撑和施荷的作用,薄基岩易被采动裂缝贯穿,而厚土层对采动裂缝的上向发育具有抑制作用。研究结果可为类似条件下矿井的安全生产提供参考。

厚松散层薄基岩下开采地表变形规律——以鲁南矿区为例

我国东部厚松散层薄基岩矿区开采地表沉陷普遍具有下沉量大、移动范围广、稳沉时间长等特征。本文以鲁南矿区某煤矿为例,探讨了不同松散层与基岩厚度比条件下煤层开采的地表变形参数变化规律,在现场实测的基础上,采用FLAC3D数值模拟技术,建立不同松基比(0.25~5.00)条件下煤层开采的地表变形计算模型,研究了地表变形特征,分析了松基比对概率积分法参数的影响,并从开采沉陷的角度对厚松散层薄基岩条件进行了定量分析与探讨。研究表明:(1)在开采厚度相同条件下,当松基比不断增大时,地表变形量呈明显的先增大后减小特征,在松基比达到某一限值后,地表变形趋于稳定;(2)下沉系数、水平移动系数和主要影响角正切均随着松基比增大表现为先增大后减小的关系,松基比拐点分别为1.75、1.25和1.25;(3)松散层厚度在平均采深中所占的比例对移动角、边界角具有较大的影响,边界角、移动角随着松基比的增大逐渐减小。基于上述研究,提出将松基比为1.25~1.75作为厚松散层薄基岩条件的临界值,为我国东部典型厚松散层薄基岩矿区地表变形预计和开采沉陷灾害防控提供了理论基础。

焦作矿区薄基岩厚松散层工作面微震响应特征

为探究不同基岩厚度对薄基岩厚松散层工作面微震响应特征的影响,以焦作某矿14030工作面为例,依据基采比划分8.8~9.5,12.7~17.8两个阶段,对不同阶段的微震事件数量和能量的时空分布规律进行研究。结合工作面地质条件资料,阐明了工作面基岩厚度与微震活动特性的对应关系:微震事件呈现低位岩层聚集、高位岩层离散分布的特征;基岩厚度较小时,微震事件在基岩段均有分布,微震事件影响范围并未突破基岩顶界面;微震事件数量与每日推进距离近似成正比;随着基采比的增大,周期来压步距增加,基采比为12.7~17.8阶段较8.8~9.5阶段的周期来压步距增加了2.29m,底板破坏深度减少了35.2%,且日均微震事件数量在日均推进距离增加的条件下亦显著减少。研究成果可为分析厚松散层薄基岩矿井微震活动、覆岩破坏和矿压显现特征的相互关系提供参考。

抽水蓄能电站内水压力作用下压力钢管壁厚对围岩分担率的影响

根据抽水蓄能电站引水系统压力钢管的受力特点,通过改变压力钢管的壁厚和内水压力,分析了不同内水压力和壁厚下的压力钢管位移和应力特征,计算了压力钢管壁厚对围岩分担率的影响。结果表明,相同内水压力作用下,压力钢管壁厚越大,钢管环向应力越小,围岩分担率也越小。增加壁厚虽然可以减少钢管环向应力,但降低了围岩分担率,不利于压力钢管和围岩联合承载。在满足钢管安全储备的前提下,可适当减小钢管壁厚,有利于压力钢管和围岩联合承载。

榆阳矿区覆岩导水裂缝带发育高度研究

为了准确地预计榆阳矿区覆岩导水裂缝带的发育高度,从而达到该区域保水开采的目的,以榆阳矿区煤层赋存条件较为典型的薛庙滩煤矿开采为背景,理论分析了主关键层位置、基载比、基采比等开采参数对覆岩导水裂缝带发育高度的影响,并采用相似材料模拟实验模拟了薛庙滩煤矿开采时上覆岩层的移动变形规律。研究结果表明:覆岩导水裂缝带发育高度与主关键层在"三带"中的位置有着密切的关系,主关键层位置可通过基载比和基采比进行判断,结合岩层断裂与其自身拉伸变形的关系,可以确定出覆岩导水裂缝带的发育高度;计算出薛庙滩煤矿煤层开采后导水裂缝带发育高度为167.21 m,即发育至地表。研究成果为进一步研究榆阳矿区"保水开采"奠定了理论基础。

西部生态脆弱区地表开采损害特征

为进一步揭示西部生态脆弱区地表开采损害特征形成的机理,在分析影响生态脆弱区地表开采损害特征主要因素(开采深度、开采高度、基岩厚度、载荷层厚度以及坡体自身稳定性)的基础上,研究生态脆弱区厚松散层薄基岩、黄土沟壑及山区丘陵下煤层开采的地表损害特征,并以基采比(基岩厚度与开采高度之比,JC)和基载比(基岩厚度与载荷层厚度之比,JZ)为关键参数,揭示生态脆弱区煤层开采损害特征形成的机理。研究结果表明:以基采比和基载比为基础,结合坡体稳定性引起的附加量,能够有效地分析西部生态脆弱区的开采损害特征,为进一步揭示该区域煤层开采地表损害特征的形成机理提供了依据。

厚冲积层薄基岩采场围岩三维力学特征

采用相似条件采场类比、现场实测和数值分析综合研究方法,研究了厚冲积层薄基岩采场围岩三维力学特征,研究表明:厚冲积层薄基岩采场矿压显现与基采比密切相关,随着基采比增大,采场矿压趋于缓和。按基采比大小可将采场划分为"有板有壳"、"有板无壳"和"无板无壳"3种类型。"有板有壳"类型采场,应力壳为采场第1掩体,其下位的断裂带板(梁)结构为第2掩体,采场矿压显现缓和;"有板无壳"类型采场,断裂带板(梁)结构为采场惟一掩体,其上位无"应力壳"承载,板(梁)结构失稳后采场矿压显现剧烈;"无板无壳"类型采场,无板(梁)结构和"应力壳"的掩护,冲积层荷载直接传递在液压支架上,该类采场易发生压架事故。"无板无壳"类型采场的覆岩结构沿竖向划分为两带,即"垮落带"和"弯曲下沉带"。并对形成3种类型采场的力学机理进行分析。

厚松散层薄基岩坚硬顶板工作面覆岩破坏电法监测

掌握导水裂缝带发育高度对于厚松散层薄基岩煤矿工作面安全开采具有重要的意义。在煤层采动影响前,在工作面巷道向煤层工作面顶板施工1个仰孔,布置孔中电极电缆,形成钻孔电法监测系统。在巷道中连接并行电法仪器和钻孔电缆,数据采集方式称为AM法。随采煤工作面位置逐渐接近并进入钻孔控制范围,监测电极电流值和视电阻率值发生变化。结果表明:对潘北煤矿厚松散层薄基岩坚硬顶板工作面电法监测显示,弯曲下沉带电极电流值和视电阻率值较为稳定,受采动影响程度较小;导水裂缝带内,电极电流值明显下降,视电阻率值明显升高;顶板高度0~40 m采动超前影响范围可达410 m左右;工作面坚硬顶板砂岩地层为控制覆岩破坏的关键层,采空区上方坚硬顶板岩层垮落滞后工作面9~16 m;工作面导水裂缝带高度为37 m,导水裂缝带未发育到基岩面,风化砂质泥岩裂隙在采动应力作用下存在闭合现象。

高密度电法在水电站选址覆盖层厚度探测中的应用

高密度电阻率法是以人工向地下施加外电场,然后通过探测场的参数变化获得电性局部差异,从而认识被测目标的一种勘探手段。该方法可利用覆盖层与下部基岩存在的电性差异来测定覆盖层的厚度。由于其效率高、探测深和精确的地电剖面成像,已成为在水文和工程地质勘察中最有效的方法之一。这里简要阐述了高密度电阻率法发展过程、勘探原理、野外工作方法,并将该方法应用到水电站选址覆盖层厚度探测中,获得了测区部位的视电阻率二维成像图。结合测区地形地质条件、地球物理特征,通过对视电阻率二维成像图异常形态,高低阻等特征的分析,推断出了地下覆盖层厚度,为水电站选址建设提供了依据。

厚松散层下采动系数确定方法

在用传统方法求取采动系数时,往往直接笼统地利用开采深度,而对岩性差异没有做区分对待。在分析传统方法确定采动系数存在问题的基础上,探讨了开采深度中的岩性差异对采动系数的影响程度。从充分开采的临界开采宽度出发,通过理论推导,给出了考虑上覆岩层岩性时走向和倾向采动系数的计算公式,分析了松基比、上覆岩层岩性等地质采矿条件对临界开采宽度和采动系数的影响。并结合具体地表移动观测站资料,分别采用传统方法、考虑松散层岩性时和未考虑松散层岩性三种情况,求取和分析了各开采工作面达到充分采动时走向和倾向临界开采宽度以及采动系数。结果表明：本文中提出的充分采动系数计算方法与采用传统方法得到的采动系数差别较大,相对误差在3.7%-51.7%。当其他影响因素不变时,松基比越大,上覆岩层岩性越软,充分采动系数越大。在厚松散层开采条件下,评定充分采动程度时,应该考虑上覆岩层中松散层的厚度。

面板堆石坝混凝土面板脱空影响因素敏感性分析

面板脱空的根本原因是面板与垫层之间的不协调变形,为了探究坝址区地形地质条件及库水位循环升降对面板脱空的敏感性,本研究采用子模型法准确模拟了面板脱空区域的力学响应特性,基于相对变位法研究了河谷宽高比T、覆盖层厚度F及水库水位循环升降次数K对混凝土面板脱空的敏感性。研究结果表明:混凝土面板脱空特征值的扩展会随三者的增大呈对数形式增长,其中,河谷宽高比T的增大削弱了河谷地形对坝体的约束,从而促进了面板脱空的发展,但当河谷宽高比T大于2.0时,其对面板脱空的敏感性会显著降低;覆盖层厚度F的增加促进了坝体的不均匀沉降,进而导致面板脱空区域向底部扩展,但面板脱空对覆盖层的敏感性会随着覆盖层厚度F的增加而降低;由于面板与堆石体变形特性的差异,在水库水位循环升降作用下,面板脱空区域缓慢扩展,并最终趋于稳定;三者中,F对面板最大脱空深度的敏感性最高,T对顺坡向脱空长度的敏感性最高。本研究成果可为面板脱空问题的防治提供相应的理论依据。

平煤十一矿瓦斯赋存规律研究

根据平煤十一矿瓦斯地质资料,运用瓦斯地质理论,研究了平煤十一矿的瓦斯地质规律,得出了矿井瓦斯赋存分布规律。在分析矿井地质构造分布特征的基础上,将井田划分为两个瓦斯地质单元,即发育较多封闭型逆断层的井田东翼为第Ⅰ瓦斯地质单元,瓦斯含量高;正断层为主的井田西翼为第Ⅱ瓦斯地质单元,瓦斯含量较Ⅰ单元低。通过定量逐步线性回归得到两个地质单元中瓦斯含量预测最优方程,得出在东翼第Ⅰ地质单元内煤层厚度、上覆基岩厚度对瓦斯赋存影响显著,在西翼第Ⅱ地质单元内顶板泥岩厚度、上覆基岩厚度对瓦斯赋存影响显著。

黄土沟壑区煤层开采损害特征研究

为进一步分析和揭示黄土沟壑区煤层开采损害特征形成的机理,在分析影响黄土沟壑区的采矿、地质条件及开采损害特征的基础上,分析了影响黄土沟壑区开采损害特征的3个关键因素:黄土沟壑区坡体稳定性、基采比和基载比,并以其为关键参数,分析了不同基采比和基载比条件下的覆岩破坏形态,揭示了黄土沟壑区煤层开采损害特征形成的机理。通过工程实例,验证了以基采比、基载比和坡体自身稳定性为关键参数进行分析的黄土沟壑区煤层开采地表损害特征的可靠性,可为进一步研究黄土沟壑区条件下煤层开采地表损害特征的形成机理提供依据。

厚松散层浅埋煤层开采地表下沉影响因素分析

为研究影响厚松散层浅埋煤层开采地表下沉的主要因素,应用正交实验法,借助数值模拟研究结果,对基岩厚度、松散层厚度及开采厚度3个因素进行影响程度排序。结果表明:基岩厚度是地表下沉的主要控制因素,在此基础上分析得出基载比和基采比是判定地表下沉及覆岩破坏程度的关键因素。通过回归分析拟合给出地表最大下沉值及地表下沉系数与影响因素的综合函数表达式,应用工程实例予以验证,结果表明函数表达式具有较高可信度。

软弱薄基岩裂隙发育特征及抑突(溃)机理

为探究西部地区软弱薄基岩覆盖下的厚煤层在开采时覆岩破坏的裂隙发育规律,以及该区在开采后突水溃沙的规律、机理等,在分析软弱薄基岩厚煤层开采覆岩裂隙发育规律的基础上,结合实际生产经验,对伊犁煤田突水溃沙抑制机理进行了研究。结果表明:工作面推采方向超前80~85m出现弧形地面张性斑裂,主斑裂纹与次斑裂纹的间距分别为10m和2m左右;导水裂隙带在软弱薄基岩下厚煤层开采时发育高度变化差异较小;伊犁煤田开采时涌水量小于30m^3/h,突水溃沙情况受到了抑制,主要由于顶板岩性软弱,无法形成较大的岩块、空隙、空洞,随采随冒且采动裂隙被迅速压实、上覆地层含水层十分松散,裂隙进入之后不能再继续发展、在低水压时涌出物填充裂隙等原因。该研究成果对西部软弱薄基岩厚煤层开采顶板水害防治,以及地表生态环境保护具有意义。

基于H/V谱比法的新疆地区不同类别场地地震效应特征研究

收集新疆地区不同场地类型强震动记录,根据水平/垂直谱比法,得到了区域Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类场地平均放大曲线,场地最大放大值分别为1.5、2.4及2.6。通过分析周期为0.1、0.3、0.5、1.0、3.0 s场地放大值与PGA、PGV、PGD、等效剪切波速V_(S20)值的相关性和趋势,发现不同周期对应场地放大值与PGA、PGV、PGD相关性较弱且场地放大值均维持在一定值,但不同周期对应场地放大值与V_(S20)呈负线性相关且Ⅰ类场地放大值下降速率较快。

天津滨海地区覆盖层特征

利用天津滨海地区钻孔地质与剪切波速测试资料,确定该地区不同场地的覆盖层厚度,并分析覆盖层分布特征及地震动影响。结果表明,天津滨海地区覆盖层厚度与地质构造单元凹凸差异有一定对应关系,受基底构造的明显控制;覆盖层厚度差异对地震动峰值与反应谱有一定影响,但假想基岩面的剪切波速变化对地表加速度峰值与反应谱的影响更为明显。

旁多水利工程大坝左岸基岩防渗设计

文章首先根据大坝左岸基岩工程地质条件,拟定了三种不同的防渗设计方案进行对比,并通过技术经济比较选定推荐方案,随后针对选定方案进行渗流计算,分析大坝左岸渗漏量以及总体渗漏量,为大坝左岸基岩防渗设计方案的确定提供依据。

浅埋薄基岩工作面覆岩活动规律3维物理相似模拟研究

针对浅埋采场在开采活动中常出现矿压显现剧烈、顶板和地表台阶下沉等问题,以神东矿区为背景,采用3维物理模拟试验研究浅埋深薄基岩工作面覆岩活动规律。模型试验尺寸长×宽×高为1 050 mm×2 000 mm×1 130mm,几何相似比为1∶100,容重相似比为1∶1.67,时间相似比为1∶10,应力比为1∶1.67,监测模型地表位移变化和顶板位移变化规律。结果表明:浅埋薄基岩煤层开采过程中,上覆岩层只出现冒落带和裂隙带,煤层直接顶随采随冒,基本顶初次来压步距为40 m,周期来压步距为20 m;上覆岩层及松散层出现台阶下沉现象,裂缝贯通地表,切眼和停采线附近出现溃沙现象,地表形成塌陷坑;上覆岩层运动以垂直运动为主,随工作面向前推进,顶板位移增加;靠近煤柱的上覆岩层出现搭桥结构,靠近煤柱的上覆岩层位移变化量较小,而远离煤柱的测点上覆岩层位移变化量较大;地表位移变化和上覆岩层位移变化整体上具有正相关性,但地表位移变化幅度较小,具有滞后性,且受到溃沙现象的影响,切眼和停采线附近地表形成塌陷坑且地表位移变化量增大。