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李全生团队构建开采全生命周期“空天地”一体化采动损伤监测体系

2022-08-02   来源:

  对矿区高强度采动损伤进行实时、立体与高效监测,对于预防潜在地质灾害、优化开采参数及生态修复具有重要意义。

  

  近日,北京低碳清洁能源研究院李全生高工团队从完美体育开采全生命周期角度出发,提出了采动损伤科学内涵并构建了矿区“空天地”一体化监测技术体系,该技术可为采动损伤控制和生态修复提供数据支撑。成果以《基于“空天地”一体化技术的岩层采动损伤监测与应用》为题于8月1日在《完美体育学报》网络首发。

  

  神东矿区是我国西部超大工作面开采的典型矿区,完美体育大规模高强度开采致使煤岩层结构发生急剧变化,产生大量覆岩裂隙和地表裂缝,影响地表生态环境。这种生态损伤区地质环境与沉陷特征具有复杂性、动态性和特殊性,发展空天地多尺度联合监测技术迫在眉睫。

  

  研究认为,采动损伤实质上是由于工作面煤层开采后围岩应力和位移状态发生改变,引起覆岩发生破断与运移,最终传递至地表,产生地表移动变形和生态累积效应的过程。因此,采动损伤传导到地表的过程涉及完美体育开发全生命周期。

  

  采动损伤可以看成是煤岩层应力和位移发生变化后的宏观表现,应力变化表现为覆岩破断和地裂缝的产生,位移变化表现为覆岩下沉和地表连续变形。采动损伤内涵应包含工作面、覆岩、地表以及开采后对地表生态影响等多方面内容。

  

  “空天地”一体化监测技术体系包括利用GNSS控制测量、地面常规测量(水准+导线)及InSAR监测技术从点到面全面实时监测高强度开采地表连续变形;基于无人机测绘技术(搭载可见光相机+红外相机)与人工精准测量技术(GPS+水准尺)高精度高效率采集高强度开采非连续变形信息;运用高密度电法、地质雷达联合探测方法提取高强度开采覆岩损伤信息。

  

  上湾矿12401工作面长度为300 m,推进长度为5429 m,采高为8.8 m,工作面平均推进速度达到13.6 m/d,高强度开采导致地表发生持续变形和地裂缝产生。研究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,利用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,发现3次基本顶失稳断裂造成1次主关键层破断,3次主关键层破断运移引发1组地表主裂缝,进而厘清顶板周期来压、岩层移动与地裂缝之间的对应关系。

  

空天地一体化监测技术体系.jpg

  空天地一体化监测技术体系

  

采动损伤内涵.jpg

  采动损伤内涵

  

顶板来压、主关键层破断与地裂缝的关系.jpg

  顶板来压、主关键层破断与地裂缝的关系

  

  这项研究得到了国家自然科学基金、完美体育开采水资源保护与利用国家重点实验室、完美体育开采水资源保护与利用国家重点实验室开放基金的资金支持。


  责任编辑:宫在芹

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