The research progress and prospect for the technology of controlling surface subsidence by grouting separated layer in overburden at coal mines in China

The developed process and theoretical achievement for the technology of controlling surface subsidence by grouting separated layer in overburden is summarized in this paper. The research progress of the technology is discussed synthetically on the basis of practice and research results obtained at coal mine of China in recent years. According to the development tendency of mining under buildings, water bodies and railroads and the properties of the technology, the future research direction is proposed.

Safety appraisement on building natural gas pipeline over coal mining subsidence area

The target of the text is to scientifically appraise dynamic development of surface deformation in subsidence area and its influence on groundwork stability of natural pipe and then adopt some technological measures to ensure safe circulation of natural pipeline. Analysed the influence on natural pipeline from coal mining subsidence in the way of pipeline grade variation, vertical curve variation, transverse deformation, horizontal pull and compression deformation and pipe stress variation etc., and described detailed surface subsidence product and its used time among initial phase, active phase and decline phase in the course of surface movement deformation time. In the context of considering surface subsidence that doesn＇t reach basic latter end and residual subsidence quantity, the text confirmed the calculation method of residual deformation in surface subsidence area, and gave the technological measures about building natural gas pipeline in subsidence area finally.

不同盾构施工参数对地表沉降影响的数值分析

为研究盾构隧道施工阶段不同施工参数对地表沉降的影响规律,文中依托杭州某盾构隧道工程,运用Midas GTS NX数值软件建立盾构隧道施工三维模型,分析施工阶段注浆体弹性模量、注浆压力、掌子面推力等施工参数对地表沉降的影响。结果表明,不同施工参数工况下地表横向沉降曲线皆呈现倒V形,且最大值均位于隧道拱顶正上方;适当增大注浆压力、掌子面推力可以减小地表沉降量;注浆体弹性模量大小与地表沉降量成反比;不同施工参数对地表沉降量的影响作用由大到小排列依次为注浆压力、注浆体弹性模量、掌子面推力,研究成果可为相关工程提供参考借鉴。

浅埋房柱式采空区煤柱稳定性及控制研究

老采空区受矿区早期采煤方法的限制,具有较强的隐匿性,很难得到有效治理,为其地表构筑物建设带来巨大挑战。以昌盛煤矿房柱式老采空区治理为工程背景,采用理论分析、钻孔勘探、数值模拟以及现场瞬变电磁勘查等方法,分析了房柱式采空区覆岩裂隙特征;判别了房柱式采空区上地表的稳定性,数值模拟进一步分析得出,在新的单位载荷作用下,采场中央遗留煤柱将发生活化失稳,引起采场所有煤柱发生多米诺骨牌式破坏,进而导致房柱式采空区地表发生失稳。基于对房柱式采空区稳定特征及浆液在房柱式采空区流动的特性提出了散点式注浆充填方案,给出了浆液配比及注浆工艺。现场瞬变电磁勘查结果表明,散点式注浆充填法能有效实现老采空区的充分均匀充填,注浆效果整体良好,同时该方法可为对类似老采空区地表治理提供参考。

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。

构筑物下覆岩离层注浆控制地表变形模拟试验研究

为掌握离层注浆开采控制地表变形的规律,以数值模拟与相似模拟相结合研究了采空区形变及应力变化和覆岩运移演化规律,并进行现场工程试验。研究结果表明:(1)在离层注浆作用下,顶板压力增加,采空区被压实,采空区应力无明显变化;(2)离层上方关键层应力受到向上的注浆压力作用,内部应力在短距离范围内出现下降,随着向上远离离层,注浆压力作用影响下降,在巨大覆岩压力作用下,岩层向下的压力有所增加;(3)塑性区发育高度在离层注浆后基本不再向上扩展,转而变为横向扩展,关键层上方由于注浆充填作用未出现明显大面积破坏。由此可见,关键层下方离层空间注浆充填,对于关键层上方的岩层起到了很好的保护作用;(4)注浆区域的关键层及其上覆岩层下沉量较小,而注浆层位下方岩层和未注浆区域的岩层下沉量普遍明显较大,表明离层注浆对控制关键层及其上覆岩层的运移发挥了良好的作用。

煤矸石覆岩离层注浆充填绿色开采技术研究

为了解决葫芦素煤矿煤矸石量过大以及地表沉陷问题,采用煤矸石覆岩离层注浆充填绿色开采技术对关键层进行充填。基于关键层判别理论,确定了21404综采工作面上覆亚关键层1为注浆目标区域,通过14个间距为160 m的注浆钻孔,有效控制地表最大下沉量至85.89 mm。地表下沉稳定的同时,实现了对煤矸石的大量消耗,是平衡煤矸石产出消耗的重要手段。

断层影响下覆岩离层注浆技术研究及应用

“双碳”目标下煤炭仍然发挥着战略资源的重要作用,但当前诸多矿区村庄下压煤量大,限制部分矿井采煤工作。以大社矿921103工作面为对象,分析了工作面开展覆岩离层注浆技术的可行性,计算出921103工作面导水裂隙带高度,并结合矿井实际情况确定了工作面离层注浆层位。研究并确定了工作面钻孔间距、钻孔结构以及注浆压力。根据921103工作面地质情况,在断层影响下对钻孔进行了优化设计,最终注浆量达19.87万t,注采比45.8%。地表变形监测结果表明,最大下沉值811 mm,平均下沉值331 mm,减沉效果显著,经济效益明显。

市政给排水工程的长距离顶管施工技术分析

随着城市基础建设的日益完善,为了满足城市建设与发展的需求,市政给排水工程项目逐渐增多。长距离顶管技术可以有效降低挖土量,节约施工用地,在施工中逐渐替代了传统的埋管技术手段。长距离顶管技术的应用可以有效提高施工质量,降低对环境的干扰与影响,是一种现代化的技术手段。分析市政给排水工程的长距离顶管施工技术,了解关键技术与工艺手段,可以有效提高施工综合质量。基于此,主要分析了市政给排水工程的长距离顶管施工技术要点。

大社矿覆岩隔离注浆合理层位高度

为了合理确定大社矿覆岩隔离注浆的最佳注浆层位高度,采用3DEC数值模拟的方法,结合大社矿921102工作面的实际情况,建立6种不同注浆层位高度(220 m、240 m、260 m、280 m、300 m、320 m)的设计方案,分析注浆充填材料对覆岩关键层的支撑作用,以及不同注浆层位高度对工作面地表减沉和地表倾斜的影响规律。结果表明,随着注浆层位高度的增加,地表最大沉降量也同时增大,建立注浆层位高度与最大下沉量的拟合曲线,注浆层位高度与最大下沉量呈指数关系;随着注浆层位高度的增加,地表倾斜变形量也同时增大,建立注浆层位高度与地表倾斜变形量的拟合曲线,注浆层位高度与地表倾斜变形值呈指数关系,现场工业性结果与数值模拟的结果基本吻合。

常村煤矿离层注浆充填开采地表沉降概率积分预测与数值模拟研究

以常村煤矿2311工作面为研究对象,通过概率积分法预测和离散元数值模拟,对比分析采取离层注浆充填开采与非注浆条件下开采引起的地表沉陷程度。结果表明:注浆开采后,地表沉降幅度可以得到有效控制,从而有效控制地表沉陷,提高煤矿资源回收率。

MJS高压旋喷桩在基坑支护工程中的应用研究

以南京市中山北路202号地下车库项目基坑支护工程为例,研究不同支护方案下秦淮河漫滩区深基坑开挖过程中支护结构的支护效果。采用ABAQUS有限元分析软件研究MJS高压旋喷桩单排悬臂桩支护、内支撑排桩支护这两种支护方案在施工过程中桩身水平位移、桩后地表沉降、桩身弯矩的变化。结果表明:内支撑排桩支护效果较单排悬壁桩更佳,基坑开挖过程中施加内支撑可以调整桩身受力,有效控制基坑变形;单排悬壁桩支护结构受土体的开挖深度影响较大,一般适用于地质条件较好深度较浅的基坑中。

离层注浆开采关键层变形特征及地表沉陷控制效应

为研究覆岩离层注浆开采条件下关键层变形特征及地表沉陷控制效应,准确预计地表移动变形值,对离层注浆开采关键层变形进行了力学分析,将关键层下方离层注浆充填体和煤岩体的组合视为弹性地基,并将之划分为压实区、欠压实区和实体煤区3种不同的区段,基于弹性地基梁理论,给出了关键层挠度方程和弹性地基系数计算方法;采用“两步法”,通过分层模拟的方式开展了离层注浆开采关键层变形与地表沉陷数值模拟,研究了不同工作面宽度条件下离层发育和关键层破断特征,以及不同注采比条件下地表移动变形特征;借鉴等价采高理论,将离层注浆开采条件下关键层弯曲下沉空间等效视为开采空间,结合概率积分法,建立了适用于离层注浆开采的地表沉陷预计模型。以淮北矿区袁店二矿7221离层注浆开采工作面为例进行了验证,结果表明:该地质条件下,离层注浆开采工作面宽度宜设计在90~120 m;采用提出的预计模型和方法能够对离层注浆开采条件下的地表沉陷进行有效预计,预计值与实测值平均误差9 mm,在允许误差范围内;离层注浆开采地表沉陷控制效果显著,减沉率约83%。

采动覆岩与地表下沉关系模型及离层量估算方法

地下开采可能导致地表沉陷、基础设施损毁、土地破坏或地面积水等,进而诱发生态环境恶化。而采空区固体充填和覆岩离层注浆是控制岩层移动,减小采动损害的有效技术手段。传统的覆岩离层注浆往往采用关键层理论、数值模拟、相似材料模型实验和理论分析手段,因涉及的物理力学参数多、边界条件限制等,计算过程复杂,仅能给出离层层位,难以定量确定离层量。开采沉陷研究表明,采动覆岩与地表移动方向指向采空中心,移动边界可以简化为线性边界,基于下沉盆地主断面上地表下沉与任一覆岩下沉的面积相等和煤系地层的层状特征,构建了采动覆岩与地表下沉的关系模型,较好地反映了覆岩与地表下沉随边界角、工作面宽度、开采深度的发展演化规律。采动覆岩与地表下沉比值随埋藏深度增加而增大,反映了采动下沉效应从顶板向覆岩、地表的传递规律;随着宽深比的增加,同一层位岩层下沉与地表下沉比值减小,地表下沉增大;当边界角减小时,地表下沉范围增大,地表下沉值减小。结合钻孔揭示的覆岩结构与组合,可以逐层计算上覆岩层和地表的下沉值,利用两相邻岩层下沉的非一致性,可以确定各岩层间的离层量,通过计算导水裂隙带高度,剔除导水裂隙带内无法形成封闭充填空间的无效离层,进而优选确定出适用于覆岩离层注浆的最大离层及层位,为覆岩离层注浆减沉设计提供了简单、便捷的离层识别方法和离层量定量计算方法。

基于D-InSAR技术的煤矿工业广场动态沉降特征研究

近年来,我国东部厚含水松散层矿区不断出现工业广场的沉降变形,地表建(构)筑物受到不同程度损坏,严重影响煤矿安全生产和正常运行。为研究长时间序列的工业广场沉降,以华东某煤矿为例,基于17景Sentinel-1A卫星影像数据,获取地表动态变形信息,结合精密水准测量,分析D-InSAR技术监测地表沉降的精度,研究工业广场时空动态沉降特征,揭示厚含水松散层矿区工业广场变形规律。研究表明:(1)D-InSAR监测与26个水准监测点沉降量的最大误差为5.95 mm,平均误差为2.18 mm,满足工业广场沉降监测需求。(2)随着工作面持续推进,6个月监测期内工业广场平均沉降量为16 mm,最大沉降点沉降量为36 mm,位于工业广场西南角偏向工作面一侧;最大倾斜值为0.31 mm/m,最大曲率值为0.016 mm/m^(2),在监测时段内,工业广场地表建(构)筑物破坏远小于Ⅰ级损坏值。(3)GIS空间分析表明,沉降量在0~20 mm的区域面积占比93.10%;最大下沉点的动态下沉量与其至采空区中心的距离呈明显的线性负相关关系,随着采空区中心逐渐向工业广场推进,其下沉量逐渐增大。(4)工业广场沉降由开采引起的覆岩整体沉降和含水层失水固结沉降2部分组成,根据最大下沉点的动态沉降量,工业广场沉降分为2个阶段;其中第一阶段疏水沉降尚未显现,第二阶段以失水固结沉降为主。(5)工作面开采对工业广场沉降基本没有影响,应是底部含水层失水固结导致地表沉陷的范围增大,进而影响到工业广场。上述结果为今后类似条件下工业广场沉降问题的研究提供了理论依据和技术参考。

基于“空天地”一体化技术的岩层采动损伤监测与应用

矿区采动损伤监测是研究地表移动变形规律、开采损害预警、减损设计的重要依据。由于西部特殊开采地质条件、生态损伤累积效应和传统开采沉陷监测技术在观测精度、数据处理、成本投入和监测效率等方面的缺陷,从煤炭开采全生命周期角度出发,提出采动损伤科学内涵并构建矿区“空天地”一体化监测技术体系。以神东矿区上湾煤矿12401工作面为研究背景,利用BDS+GPS进行控制测量,为地表形变监测提供高精度空间三维坐标;基于InSAR技术探究地表沉降量和形变速率的时空演化规律;采用无人机与现场实测方法厘清地裂缝发育规律与工作面推进速度、来压步距的对应关系;运用固定站式三维激光扫描精确获得地表下沉量;通过高密度电法和探地雷达揭示地下深层隐伏裂缝的发育趋势与部分岩层的离层现象。研究成果发现开采后地表存在抬升现象,在抬升与下沉交界处容易形成地裂缝。中部动态裂缝宽度变化存在“单峰裂隙”与“双峰裂隙”演化规律,前峰裂缝宽度约为后峰的1.5倍,前后峰值间隔10 d左右。通过InSAR精细观测区、GNSS控制点与三维激光扫描结果进行多源数据融合,得到工作面地表沉降云图和采动损伤数据信息,厘清基本顶周期来压、主关键层破断与地表主裂缝的周期性传导关系。

采动覆岩离层注浆地表沉陷“四区”控制模型及应用

覆岩离层注浆技术已被证实是一种能够满足矿井无损开采与固废减排的新方法。为了有效控制采动引起的地面构筑物沉降,以关键层理论为基础对离层注浆开采全过程进行稳态分析。首次提出了采动覆岩离层注浆地表沉陷“四区”控制模型,分别为常规区、过渡区、注浆区和控制区,并推导出“四区”范围的计算公式。以3501工作面控制地面焦化厂沉降为工程背景,结合相似模拟与现场实测的沉陷观测数据对提出的“四区”模型进行验证,结果表明:相似模拟离层注浆地表沉陷曲线呈不规则的“V”字形,工作面地表下沉量先快速增大,到达最大下沉点后,地表下沉量先快速减小,随后减小速率逐渐变缓,沉陷曲线表现出明显的“四区”分布,最大下沉量为1589 mm,出现在常规区与过渡区的接触边界,过渡区与注浆区接触边界下沉量为497.94 mm,控制区内基本无下沉;基于概率积分法预测的注浆条件下采动引起的地表下沉量、水平变形、倾斜和曲率与现场实测结果相符,但明显小于未注浆条件下的预测值,确定了注浆条件下地表变形满足构筑物Ⅰ级损坏等级的要求;结合矿井的实际工程地质及实际观测数据,得到常规区范围为261.19 m,过渡区范围为246.09 m,注浆区范围为655.25 m,控制区范围为199.53 m。提出的“四区”控制模型为研究离层注浆开采沉陷问题提供了基础理论依据。

盾构隧道施工参数对地表沉降的影响研究

以广州市地铁十八号线万顷沙站—万横中间风井盾构区间隧道工程为研究背景,运用有限元软件,探讨了隧道埋深比、掘进压力、注浆厚度3种因素引起的地表变形的影响。在分析中使用控制变量法,在其他条件不变的情况下,改变掘进压力等施工参数并选取合理的值域后进行数值模拟,研究各种参数对地表沉降的影响程度。结果表明:(1)随着隧道埋深比的增大,横向地表沉降量峰值出现先增加后下降的变化规律,沉降槽曲线也逐步趋于缓和;(2)地面横向沉降峰值随掘进压力的增大而增大,当掘进压力超过掌子面土体应力释放值时,沉降量峰值与掘进压力成正比;(3)地面横向沉降量与注浆层厚度成反比。

矩形顶管施工参数对地表沉降影响分析及控制

为了探究砂质粉土地层矩形顶管施工对周边环境的影响,依托南京某城市地铁车站出入口过街通道矩形顶管工程,采用三维数值模拟和现场监测相结合的方法研究了矩形顶管法在施工过程中呈现的地表沉降规律.探讨了是否及时注浆、支护压力、注浆压力及注浆量对地表沉降的影响,并针对工程中土体变形问题给出了相应的地表沉降控制建议.结果表明,在掘进过程中,顶管机在不同的区段应采用与土层相适应的支护压力和注浆压力,同时,要采用同步注浆的措施以及适量的注浆量才能有效控制地表沉降量,当支护压力、注浆压力、注浆量等施工参数分别设定在开挖面侧向静止土压力的1.0~1.5倍、150~175 kPa、注浆充盈系数为1.25~1.75时地表沉降控制效果最佳.

基于时序InSAR和GIS技术的城市地表沉降分布式监测研究

针对地下水开采和地质结构变化等情况导致的地表塌陷问题,研究了一种综合时序InSAR和GIS技术的城市地表沉降分布式监测方法。基于传统的InSAR技术运用孔径雷达合成三维空间信息图像,通过差分处理图像干涉相位。利用GIS技术与时序相结合,识别提取特征PS点构建时序形变图像,分析解缠相位关系,修正地形图像基线参数,精确计算地表沉降平均值和单位沉降量,实现对观测区进行具体的分布式监测分析。通过实验证明,研究的方法能够有效实现对复杂地形区域的地表沉降分布式监测,与实际监测误差不超过0.8%,具有良好的应用效果和监测效率。