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。

某矿43308沿空留巷围岩控制技术研究

针对某矿43308综采工作面运输巷采用柔模混凝土沿空留巷的方法保留下来的工程背景,在该工作面生产地质条件的基础上,对运输巷超前影响段及留巷段矿压显现规律进行数值模拟分析,结果显示,巷道超前影响段垂直应力峰值在工作面前方5~10 m的位置,较大影响范围为30 m;而在留巷段,在工作面侧向应力扰动下,围岩应力环境劣化,围岩变形加剧。对运输巷设计了超前段、滞后段补强的支护方案及巷旁支护方案,现场监测显示留巷围岩稳定。

多煤层采动围岩破坏规律及顶板老空水害防治研究

【目的】受地下水的持续补给作用,上覆煤层采空区及巷道形成了特殊的地下水存储和循环系统。我国大多数煤矿面临多煤层复合采动条件下顶板老空水害防治技术难题,导致煤矿日常顶板探放水工程量居高不下。【方法】以水文地质条件复杂矿井的煤层顶底板岩体为研究对象,采用现场电性实验、数值模拟实验、理论分析等手段研究多煤层复合采动条件下煤层间裂隙带的发育规律。【结果】研究结果表明:近距离煤层采动促使煤层采空区充分连通,形成双煤层采空积水区,双煤层底板扰动破坏带深度为15.6 m;随着下伏工作面的不断推进,围岩软弱结构面增多导致电阻率增大区范围扩大,向上扩展至58 m后裂隙带高度逐渐停止发育;当关键阻水层有效厚度不小于20 m时,顶板老空水探放工作量可得到最大程度的优化。【结论】鉴于此,提出了基于煤层层间距及有效关键阻水层的老空水害防治及保水采煤理念,煤矿顶板老空水体下保水采煤应当遵循“查清构造、控制层距、上防下采”的思路。研究成果不仅有效防控顶板老空突水威胁,也降低了煤矿老空区积水探放工作量及生产成本,同时可为受顶板老空水害影响的矿井多煤层保水采煤技术的研究提供借鉴。

复杂老采空区注浆治理充填效果评价研究

受煤矿老采空区影响的高层建筑场地,多方法开采陡倾煤层形成老采空区,场地地面沉陷区积水,下伏采空区处于充水状态,采空区经注浆充填法治理,充填效果直接决定采空区地基是否“活化”,影响场地的稳定性从而决定工程的整体质量和安全性耐久性,以采空区注浆治理充填效果评价为研究对象,通过场压浆系数比对分析进行评价研究,对于同类复杂采空区有必要考虑进行多次补充注浆,为类似项目提供了很好的借鉴。

北京门头沟区新城项目采空区地质灾害危险性评估

北京门头沟区存在较多小煤窑采空区,采空区是一种潜在而特殊的地质灾害,会引发地面变形、下沉、塌陷等环境问题,严重威胁人们的生命财产安全。采空区域开发之前必须对拟建场地进行必要的危险性评估。本文以门头沟新城某项目北部场地为研究区,开展了采空塌陷区域的调查,分析评价采空区塌陷危害范围和程度,以及对场地和建筑物的影响。研究结果表明,该区为采空塌陷地质灾害性“危险性中等”地段,规划用地的适宜性级别为基本适宜研究成果可为后期场地开发建设提供决策依据。

下伏采空区高速公路场地稳定性及参数敏感性分析

为分析下伏采空区影响下高速公路场地的稳定性,依托延吉至长春高速公路工程,采用概率积分法和数值仿真计算石碑岭采空区覆岩最大剩余变形参数,研究工程荷载作用下采空区地表竖向变形特性,并评价沿线采空区场地稳定性和场地工程适用性,以及采空区影响下高速公路场地地表沉降对各影响因素的敏感性。研究结果表明,工程评价区内石碑岭采空区中3号煤层处覆岩剩余变形量较小,4号和6号煤层采空区覆岩剩余变形量最大达398 mm;在路基荷载和桥梁荷载作用下,4号、6号煤层采空区地表竖向变形较大,需引起工程重视;考虑采空区场地剩余变形参数、工程荷载影响深度、采空区地基容许变形值,可将工程场地的采空区划分为稳定、基本稳定和欠稳定3种状态,采空区覆岩的垮落断裂带深度均大于影响深度的2倍;K3评价区所在场地基本适宜工程建设,而K1、K2评价区场地适宜性较差,建议采取注浆加固和灌浆充填处理;各影响因素的敏感性由大到小排序为开采厚度、开采深度、宽高比、与地基交叉角度。

采空区场地高速铁路路基变形控制研究现状与展望

我国煤炭产量高居世界首位,大量煤炭资源的开采,遗留了大面积的采空区场地。随着我国高速铁路的快速发展,一些关键线路难免会穿越采空区场地。采空区地基变形及高速列车密集动荷载下的活化变形对高速铁路安全运行存在着重大安全隐患。如何保障采空区场地高速铁路的安全运营是关键问题,其中采空区场地高速铁路路基变形控制研究是该类问题的核心内容。首先从理论研究、现场实测、模型试验和数值模拟4种研究手段分别总结了国内外高速铁路路基动力学和采空区地表变形的研究现状;接着重点从高速铁路列车动荷载分布及传递规律、高速铁路路基工后沉降相关要求、采空区地基与高速铁路路基相互作用机理、采空区场地高速铁路路基变形问题的可行性研究等4个方面介绍了采空区场地高速铁路路基变形问题的研究;最后简要总结了高速铁路采空区地基治理技术及采空区场地高速铁路路基抗变形措施等相关内容,并结合太原—焦作高铁和合肥—福州高铁线路穿越采空区场地而采取的实际治理方案及路基抗变形措施加以说明。在现有成果分析的基础上,探究了高速铁路动荷载最大扰动深度如何确定、高速铁路采空区地基本构模型如何选择、相似模型试验列车动荷载如何施加和高速铁路采空区地基治理体系如何完善等相关问题,并展望了该领域的发展方向。

基于时间函数组合模型的采空区地表沉降动态预测及剩余变形计算

当采空区场地进行高速铁路修建时,地表沉降动态精准预测和剩余变形计算对高速铁路的工程建设及安全运行尤为重要。针对单项时间函数在复杂采空区地表沉降动态预测中存在着适用范围有限、预测准确性和稳定性不高的问题,对Knothe、Weibull、Logistic与MMF时间函数的曲线形态及参数物理意义进行了分析;为获取时间函数参数的全局最优解,建立了基于果蝇优化算法(Fruit Fly Optimization Algorithm,FOA)和模拟退火算法(Simulated Annealing Algorithm,SAA)的混合算法;引入以最小误差平方和为准则的最优非负变权组合模型,并构建了Knothe-Weibull、Knothe-Logistic与Knothe-MMF等6种不同的双项时间函数组合模型。并在地表沉降预测的基础上,给出了采空区场地剩余变形的计算方法。结果表明:所提出的混合算法具有收敛状态稳定、求解精度高的优点,适用于时间函数参数的求解问题。组合模型在预测准确性和稳定性上均优于组合中的单项时间函数,能够突破单项时间函数在复杂地质采矿条件预测效果不佳的局限性,较好地提升时间函数在预测中的精准度和适用度。此外,组合模型在已临近实测沉降值的情况下扩展了预测曲线的有效区间,并借助变权系数将单项时间函数在有效区间的信息进行筛选并重组,得到全程吻合实测沉降值的最优沉降预测曲线。其中,Knothe-Logistic函数模型的均方根误差(RMSE)、平均绝对误差(MAE)、平均绝对百分比误差(MAPE)在3次预测中均最低,有效地解决厚松散层、薄基岩、浅埋煤层条件下采空区地表沉降动态精准预测问题。组合模型可为实现采空区场地高速铁路建设前地表沉降的稳定、高精度动态预测提供参考。通过基于Knothe-Logistic函数计算不同时刻地表点剩余变形得到的变化规律与实际开采过程相符合,剩余变形作为采空区场地地基变形的重要组成部分,可为采空区场地高速铁路建设的可行性评价提供一种依据。

碾子沟煤矿开拓方案设计优化

针对碾子沟煤矿的不良地质条件和老空区分布现状,详细分析了既有矿井工业场地的地形特点、井筒位置、井下巷道层位等因素,提出矿井存在问题及优化开拓方案的思路,从技术安全和经济等方面对开拓方案进行全面比选,最终确定斜井开拓方案。根据现场实施情况证明,优化方案系统简单、土方工程量大大减小、井下巷道避开了铝土质泥岩的影响,工业场地内既有设施得到了有效利用。

煤矿采空区场地稳定性评价——以晋城500kV变电站出线走廊为例

通过搜集采空区资料和现场勘察、分析研究,根据晋城500kV变电站出线走廊不同区段的煤矿采空区地表变形的不同特点,进行了地质灾害程度分区,定量预测变形量,对稳定性作出了科学评价,最后从岩土工程角度提出了需动态管理的地基基础处理措施建议。

采空区地表变电站场地稳定性SBAS-InSAR监测研究

常规地基沉降监测方法存在监测时段不连续和覆盖范围有限等问题,短基线集合成孔径雷达干涉测量(SBAS-InSAR)技术作为近年来发展的监测地表形变新技术,能够对研究区域进行全天候、实时、高效、大范围的监测。以平顶山市某下伏采空区变电站为研究对象,基于35景升轨Sentinel-1A数据,通过影像配准、相位干涉、最小费用流解缠、大气分离、特征值分解和地理编码等处理,生成平均形变速率图,最终得到该地区2015年4月至2020年12月的时间序列形变监测结果。结果表明:平顶山市区整体形变速率平缓,变电站拟建场地地表形变速率保持在-3~0 mm/a;部分地区存在明显变形,变电站拟建场地东北方向较远区域出现较大形变,形变速率可达-81~-33 mm/a;SBAS-InSAR技术监测精度可以达到mm级,可有效监测采动影响区域与周围未采动影响区域范围内的拟建变电站的地表沉降情况。在实际运用时,发现SBAS-InSAR获取到的形变序列在空间上更为连续,监测区域更加广泛,可监测时间跨度较长的地表形变。

煤矿老采空区上方高速公路建设场地稳定性评价

近年来,高速公路穿越煤矿老采空区的工程案例逐渐增多,如何保障车辆的运行安全是煤矿老采空区上方高速公路建设的关键问题。为此,以武云高速为例,首先选取6大因素、19个因子,构建了II级模糊综合评判模型,其次综合采用标度法和特征向量法确定评价因子的权重,而后结合德菲尔法和散点图法分析研究区域各评价因子的隶属度,最后对武云高速建设场地的稳定性进行评判。评判结果表明:研究区域处于基本稳定状态,通过采取简易抗变形设计即可保证武云高速公路的运营安全。研究成果丰富了煤矿老采空区上方高速公路建设的安全性评价体系,并为相关领域的研究提供了新思路,具有广泛的指导意义。

瞬变电磁法在采空区煤层气抽采井选址中的应用研究

为给采空区煤层气抽采井选址提供依据,降低废孔率,采用瞬变电磁法对采空区地质资料不明区域进行试验探测。研究了瞬变电磁法在沁水煤田采空区及积水区探测中的适用性,对瞬变电磁发射频率、发射线框大小、发射电流进行了不同参数比对试验;通过对比不同网度条件下的探测成果,在勘查区网度选择20 m×20 m时探测精度较高且经济合理;瞬变电磁法可较精确地圈定采空积水区域,在抽采井选址中提前避开,从而提高钻井抽采成功率。

因民铜矿大水沟矿段地下开采对主副竖井的稳定性影响分析

为确保地表主副井的稳定,采用有限差分程序FLAC3D模拟地下矿体开采对主副井稳定性的影响。计算了矿体开采过程中地表及主副井的下沉变形量,并参照我国评判采空区场地稳定性等级标准进行评判。模拟结果表明:岩层移动是一个自下而上传递的动态过程,地下开采对上部主副井产生的下沉变形量很小,未超过10 cm的地表下沉控制标准;同时地下开采也未在主副井所处的围岩产生塑性扰动区,说明主副井处于安全稳定的状态。研究结果为地下采场的布置设计和主副井安全运行提供了指导性的依据。

老采空区场地稳定性及兴建建(构)筑物适宜性评价

随着小煤矿继续关闭退出,小煤矿老采空区场地是当前工程建设中不可避免的课题,如何评价老采空区场地稳定性以及兴建建(构)筑物适宜性,是工程建设关注的重点之一。本文结合岷江梯级航电工程面临塘坝煤矿老采空区场地实际情况,重点阐述了煤矿老采空区场地现状以及后续开采对场地的影响,并评价了场地稳定性、兴建适宜性等级。

考虑煤矿采空区和岩溶影响的某拟建场地适宜性研究

选取受到煤矿采空区与岩溶双重影响的河北省唐山市某建筑场地为研究对象,借助详细地面调查、钻探、物探、气体检测等综合手段,分析了场地工程地质条件与工程地质问题,研究结果表明,场地位于开滦集团赵各庄矿西翼及地方煤矿老采空区上,地表移动明显,另外还存在煤自燃现象与岩溶,因此场地属于建筑抗震不利地段,场地的整体稳定性差,适宜性差,建议采用加注氮气灭火、注浆加固裂隙带、封堵钻孔等措施进行不良地质现象的治理。

基于组合赋权灰云模型的老空区建设场地稳定性评价研究

针对老空区上建设场地的稳定性评价问题,选取影响老空区稳定性的10个因素作为老空区建设场地稳定性评价的指标体系。运用层次分析法和变异系数法综合赋权确定各指标权重,并利用灰云模型理论,建立了采空区建设适宜性评价模型。将该模型用于江西萍乡中心城区空间增长区范围及周边分布的煤矿老空区稳定性评价。研究结果表明,该评价模型具有较好的准确性和实用性,可为老空区建设场地稳定性评价提供一种可行的思路和方法。

我国建(构)筑物场地下伏煤矿采空区勘察技术进展

煤矿采空区勘察是制约上方场地能否进行工程建设及长期安全运营的重大技术难题。以我国煤矿采空区勘察技术规范制定为时间脉络,回顾了近30年来在采空区勘察方法、变形预测、稳定性评价等方面所取得的成果,指出了目前勘察实际工作中遇到勘察大纲编制指导性不强、钻探技术要求与勘察工作结合不紧密、工程物探难以满足勘察需求、勘察成果综合分析不够、采空区场地特殊岩土问题研究不深入等代表性问题。从高精度变形监测、精细物探、定向钻进、信息化等,展望了勘察工作规范化及新技术应用等方面在未来的发展趋势,提出了需要围绕煤矿采空区地球物理反演、原位测试与评价、变形监测与预警等进一步研究的方向,为防治采空区灾害提供参考。

门头沟校区拟建场地地质灾害危险性评估

采空区是一种潜在而特殊的地质灾害,会引发地面变形、下沉、塌陷等环境问题,严重影响着人们的生产生活,在采空区场地进行棚户区改造和配套教育设施建设,首先必须对地质灾害的危险性进行科学评估。本文以北京景山学校门头沟校区拟建场地为研究区,开展地质环境条件和地质灾害现状调查,分析评价地质灾害的危害范围和程度,以及对场地和建筑物的影响。研究结果表明,该区的主要地质灾害为采空塌陷和不稳定斜坡,中南部局部区域为地质灾害危险性等级“大级”地段,同时给出了场地的适宜性评价,提出了相应的防治措施,为场地开发建设提供了决策依据。

俯采工作面上隅角瓦斯治理技术优化研究

针对上隅角瓦斯超限现象,分析了典型通风方式上隅角瓦斯超限原因及常用治理技术;进而分析了5302综采工作面上隅角瓦斯治理技术中上隅角压埋管技术的局限性,提出了取消上隅角压埋管,缩小采空区组钻孔间距的优化方案;并对各方案进行数值模拟,确定了组钻孔间距为6 m时为最合理的组钻孔间距,用于现场实践,取得了预期效果。