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浅埋近距煤层重复扰动区覆岩导水裂隙发育规律及其控制

金志远  
【摘要】:论文针对我国西北矿区部分浅埋煤层的第1层主采煤层已经采完,第2层主采煤层已经或即将大规模开采的现状,综合运用现场调研、相似模拟、数值计算、理论分析和现场实测等研究方法,对浅埋近距煤层重复扰动区覆岩导水裂隙发育规律及其控制进行了系统分析和研究,其成果可为浅埋近距煤层保水开采提供借鉴。论文主要研究成果如下:(1)在浅埋条件下,从近距煤层下层煤开采对上层煤覆岩导水裂隙二次发育影响的角度考虑,对浅埋近距煤层和重复扰动区的定义进行了界定。基于常规浅埋单一煤层的分类方法,将浅埋近距煤层分为三类,其中第Ⅰ类和第Ⅱ类浅埋近距煤层为主要研究对象。(2)研制了非亲水性隔水层相似材料,采用物理相似模拟固体实验和固液耦合实验,且将煤岩体红外辐射探测技术引入到物理相似模拟覆岩裂隙渗流试验中,并结合数值模拟固液耦合实验,弄清了浅埋近距煤层重复扰动区覆岩导水裂隙的发育及渗流规律。对于第Ⅱ类浅埋近距煤层,下煤层开采过程中,浅埋近距煤层上煤层开采后已压实稳定的覆岩导水裂隙会二次发育,不同开采区域的覆岩导水裂隙发育程度不同。开采边界的隔水层裂隙在上煤层开采过程中或采后能够弥合,但在下煤层开采过程中较难弥合,采空区中部的隔水层裂隙在岩层回转挤压下较易弥合。(3)建立覆岩力学模型,分析了岩层破断或拉伸破坏时的极限破断步距与其下方有效下沉空间高度之间的关系;提出了隔水层无荷侧向约束膨胀伸长量,以及隔水层等效裂隙宽度的概念,建立了隔水层裂隙宽度与其最大下沉值之间的关系式,分析了隔水层裂隙张开-弥合的发育机理,进而揭示了重复扰动区覆岩导水裂隙的发育机理。(4)针对第Ⅱ类浅埋近距煤层,考虑岩层移动边界角和充分采动角,确定了隔水层不产生导水裂隙的下煤层临界内、外错距的合理取值范围,给出了内错布置条件下隔水层不产生导水裂隙的临界层采比的计算方法;提出了水资源易流失区域(保水开采薄弱区)的消除、转移和局部处理等控制方法(包括“一分为二、窄区段煤柱、错开同采法”和开采边界台阶式局部充填法),进行了采区(盘)区工作面保水开采布置设计,且给出了关键技术参数的计算方法;并进行了保水开采适用条件分类。


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