發(fā)布時(shí)間：2020-11-11 22:45

　　 榆神府礦區(qū)淺埋煤層頂板賦存有厚層的紅黃土泥蓋,其膠結(jié)性好、粘土礦物含量高、透水性差,使得覆巖采動(dòng)破壞規(guī)律發(fā)生新變化,導(dǎo)水裂縫帶多在泥蓋層尖滅或受到抑制,目前許多學(xué)者并未深入認(rèn)識(shí)這一點(diǎn),在進(jìn)行水體下開(kāi)采論證、保水開(kāi)采設(shè)計(jì)時(shí),仍沿用厚基巖柱條件下裂采比進(jìn)行計(jì)算,忽視了泥蓋層的彌合隔水性,結(jié)果往往偏保守。因此有必要對(duì)淺埋薄基巖厚泥蓋型煤層覆巖采動(dòng)破壞規(guī)律進(jìn)行研究,對(duì)于頂板水害防治與評(píng)價(jià)、保水開(kāi)采實(shí)踐具有重要的意義。本文以榆神府礦區(qū)郝家梁煤礦2301工作面為工程背景,開(kāi)展了淺埋薄基巖泥蓋型煤層覆巖采動(dòng)破壞規(guī)律的相關(guān)研究,并應(yīng)用于保水開(kāi)采實(shí)踐。首先分析了榆神府礦區(qū)地層結(jié)構(gòu)及其力學(xué)特性,提出了覆巖采動(dòng)破壞的“泥蓋效應(yīng)”,對(duì)泥蓋型粘性紅、黃土試樣進(jìn)行了物理力學(xué)及水理性測(cè)試;其次采用物理相似模擬試驗(yàn)、數(shù)值模擬、覆巖采動(dòng)裂隙現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析等多種相結(jié)合的技術(shù)手段研究了泥蓋型煤層覆巖采動(dòng)破壞規(guī)律;然后采用隨機(jī)介質(zhì)理論闡述了泥蓋效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理,并對(duì)粘性紅土層的采動(dòng)隔水性進(jìn)行了試驗(yàn)研究;最終提出一種泥蓋型煤層防水保護(hù)煤柱尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)新方法,并應(yīng)用于郝家梁煤礦2301工作面開(kāi)采實(shí)踐,實(shí)現(xiàn)了保水開(kāi)采的目的。有助于合理確定保護(hù)煤柱尺寸參數(shù),以提高開(kāi)采上限、增加資源回收率。論文主要取得以下幾方面的研究成果:(1)分析了榆神府礦區(qū)地層結(jié)構(gòu)及其力學(xué)特性,提出了覆巖采動(dòng)破壞“泥蓋效應(yīng)”概念,闡述了泥蓋效應(yīng)的本質(zhì)在于泥蓋層對(duì)導(dǎo)水裂縫發(fā)育的彌合修復(fù)作用,并將泥蓋型煤層覆巖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化薄基巖厚泥蓋型、薄基巖薄泥蓋型、厚基巖薄泥蓋型和厚基巖厚泥蓋型等四種地質(zhì)模型。(2)通過(guò)對(duì)粘性紅、黃土試樣進(jìn)行物理力學(xué)及水理性測(cè)試,可知粘性紅、黃土試樣均含有較多的以綠泥石、伊利石和蒙脫石等為主的粘土礦物,均具有一定的內(nèi)聚力和體積膨脹性,其抗剪強(qiáng)度高、抗裂能力強(qiáng),且土體飽和滲透性系數(shù)小,具有透水性弱、隔水性良好的特征,這使得粘性土層下煤層開(kāi)采覆巖采動(dòng)破壞易產(chǎn)生泥蓋效應(yīng)。(3)覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育的相似模擬試驗(yàn)表明:受泥蓋層彌合修復(fù)作用,覆巖采動(dòng)裂隙會(huì)經(jīng)歷“張開(kāi)—閉合”的過(guò)程,且“兩帶”發(fā)育受粘性土層抑制性影響,發(fā)育不完整不充分、豎向沒(méi)有明顯的分帶性,沿橫向方向覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育隨基巖厚度變化呈分區(qū)性,覆巖采動(dòng)變形破壞呈“整體式沉陷”的特點(diǎn)。(4)由泥蓋型煤層覆巖采動(dòng)數(shù)值模擬結(jié)果可知:受泥蓋型粘性土層抑制性影響,覆巖采動(dòng)變形破壞程度減輕,阻止了覆巖塑性區(qū)進(jìn)一步向上發(fā)育,覆巖“兩帶”發(fā)育高度降低、分布形態(tài)也發(fā)生變化,導(dǎo)水裂縫帶“馬鞍形”結(jié)構(gòu)形態(tài)消失,且隨基巖與泥蓋層的起伏發(fā)生變化。(5)覆巖采動(dòng)裂隙現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明裂隙向上發(fā)育進(jìn)入靜樂(lè)組紅土后,受粘性土層膨脹性高、可塑性強(qiáng)等特征的影響,裂隙逐漸發(fā)生閉合,上部裂隙導(dǎo)水性微弱,“兩帶”發(fā)育高度大大降低,采動(dòng)裂隙發(fā)育程度也顯著減輕,最終覆巖垮采比2.66,裂采比6.4~7.04。(6)分析指出泥蓋型煤層開(kāi)采工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈,具有周期來(lái)壓步距短、靜壓小、動(dòng)載大的特點(diǎn),同時(shí)建立了近場(chǎng)頂板巖層覆巖破斷力學(xué)模型,指出近場(chǎng)基本頂巖層無(wú)法形成“砌體梁”式鉸接結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)化為以“短懸臂梁”結(jié)構(gòu)形式存在,解釋了工作面礦壓顯現(xiàn)特征。(7)闡述了覆巖采動(dòng)破壞產(chǎn)生泥蓋效應(yīng)的機(jī)理,指出粘性土層發(fā)生變形破壞的前提是其由向下運(yùn)動(dòng)的空間和幅度,假設(shè)采動(dòng)裂縫的張開(kāi)-閉合發(fā)育過(guò)程與土層運(yùn)動(dòng)相一致,據(jù)此建立了粘性土層空間運(yùn)動(dòng)理論假設(shè)模型,采用隨機(jī)介質(zhì)理論計(jì)算了土體豎向下沉位移的變化規(guī)律,分析了土層內(nèi)采動(dòng)裂縫隨土體豎向下沉位移的變化而發(fā)生張開(kāi)-彌合的演化過(guò)程,同時(shí)提出可用土體內(nèi)產(chǎn)生的拉應(yīng)變?cè)u(píng)估采動(dòng)裂縫的開(kāi)裂程度。(8)基于流固耦合相似模擬試驗(yàn)對(duì)粘土隔水層的采動(dòng)隔水性進(jìn)行了試驗(yàn)研究,試驗(yàn)結(jié)果表明初始未受擾動(dòng)狀態(tài)下土體隔水性良好,開(kāi)采擾動(dòng)以后土體隔水性有所下降,同時(shí)由于土層遇水發(fā)生膨脹的特性,土層內(nèi)采動(dòng)裂縫會(huì)經(jīng)歷先張開(kāi)后彌合的變化過(guò)程,土體的隔水性得到一定的恢復(fù),土體的滲透性系數(shù)也會(huì)發(fā)生先增大后減小的變化規(guī)律,最終給出了開(kāi)采擾動(dòng)階段土體滲透性系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式,對(duì)于開(kāi)采過(guò)程中土體滲透系數(shù)的預(yù)測(cè)具有一定的參考意義。(9)指出泥蓋效應(yīng)作用下覆巖采動(dòng)破壞易形成“泥蓋彌合帶”,彌合帶的存在使得工作面在進(jìn)行防水保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)降低保護(hù)層留設(shè)厚度,將其應(yīng)用于郝家梁煤礦2301工作面保水開(kāi)采實(shí)踐,通過(guò)GMS數(shù)值模擬和礦井涌水量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)方法合理性,提高了工作面開(kāi)采上限。
【學(xué)位單位】：煤炭科學(xué)研究總院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類(lèi)】：TD745;TD823
【部分圖文】：

第1章緒論2圖1.2榆神礦區(qū)煤層（2-2）埋深趨勢(shì)圖Fig.1.2BurieddepthtrendchartofYushenminingareacoalseam（2-2）圖1.3榆神礦區(qū)區(qū)域性采煤方法規(guī)劃Fig.1.3RegionalcoalminingmethodplanningofYushenminingarea該區(qū)域雖然面臨煤層開(kāi)采厚度大、埋深淺、基巖薄等不利于控水開(kāi)采的條件，但是厚層的黃土和紅土層作為關(guān)鍵的粘土隔水層，為防治礦井突水和保水采煤提供了可能[6-13]。實(shí)際上，在面積或大或小的范圍內(nèi)，巖層或煤層的賦存狀態(tài)，一般都形成猶如許多大大小小的互相疊置的盆，而在這些盆的上面，有時(shí)還覆蓋著一個(gè)由土和泥砂組成且厚度不等并可能充滿了水的泥蓋。不同地質(zhì)時(shí)代的沉積環(huán)境、物源構(gòu)成、地質(zhì)應(yīng)力不同，形成了泥蓋的分層結(jié)構(gòu)性特征，厚層粘土性泥巖因膠結(jié)相對(duì)好、粘土礦物占比高、透水性差等因素影響而成為優(yōu)質(zhì)隔水泥蓋，松散表土層或松散層則多為弱（不）膠結(jié)、粘土礦物占比低、滲透性好，甚至含水等因素而成為隔水性較差的砂土型泥蓋[14]。大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，榆神礦區(qū)三趾馬紅土具有良好的隔水性，離石組黃土和靜樂(lè)組紅土共同構(gòu)成隔水泥蓋層，對(duì)地表

第1章緒論2圖1.2榆神礦區(qū)煤層（2-2）埋深趨勢(shì)圖Fig.1.2BurieddepthtrendchartofYushenminingareacoalseam（2-2）圖1.3榆神礦區(qū)區(qū)域性采煤方法規(guī)劃Fig.1.3RegionalcoalminingmethodplanningofYushenminingarea該區(qū)域雖然面臨煤層開(kāi)采厚度大、埋深淺、基巖薄等不利于控水開(kāi)采的條件，但是厚層的黃土和紅土層作為關(guān)鍵的粘土隔水層，為防治礦井突水和保水采煤提供了可能[6-13]。實(shí)際上，在面積或大或小的范圍內(nèi)，巖層或煤層的賦存狀態(tài)，一般都形成猶如許多大大小小的互相疊置的盆，而在這些盆的上面，有時(shí)還覆蓋著一個(gè)由土和泥砂組成且厚度不等并可能充滿了水的泥蓋。不同地質(zhì)時(shí)代的沉積環(huán)境、物源構(gòu)成、地質(zhì)應(yīng)力不同，形成了泥蓋的分層結(jié)構(gòu)性特征，厚層粘土性泥巖因膠結(jié)相對(duì)好、粘土礦物占比高、透水性差等因素影響而成為優(yōu)質(zhì)隔水泥蓋，松散表土層或松散層則多為弱（不）膠結(jié)、粘土礦物占比低、滲透性好，甚至含水等因素而成為隔水性較差的砂土型泥蓋[14]。大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，榆神礦區(qū)三趾馬紅土具有良好的隔水性，離石組黃土和靜樂(lè)組紅土共同構(gòu)成隔水泥蓋層，對(duì)地表

技術(shù)路線圖
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