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沟谷地形厚煤层开采覆岩裂隙发育特征与径流水害防治机理研究

李鹏  
【摘要】:我国山西、陕西、内蒙、新疆等煤炭主产区可采煤层多、煤层厚且埋藏相对较浅,地表冲沟发育,季节性径流时间集中,水量相对较大,水势较猛,特殊地形下浅埋厚煤层开采采动裂隙更容易与地表径流水沟通,对井下生产造成的安全隐患不容忽视。本文以冲沟发育矿区厚煤层开采为工程背景,以沟谷季节性径流水危害与防治为切入点,综合运用现场调研、相似材料物理模拟实验、数值模拟实验、理论分析等多种研究方法,结合不同类型坡体下厚煤层开采覆岩活动与采动裂隙的发育特征,以阻隔裂隙与径流水的沟通为水害防治的基本对策展开系统研究。主要成果如下:(1)掌握了研究区域煤(岩)层赋存、地表冲沟发育、地表径流等基本特点。明确了对开采影响较大、分布范围较广的冲沟采动坡体的典型形态(坡角、坡高分别集中在20~50°、40~100 m);基于关键层对坡体底部岩层的控制作用,将坡体段岩层按空间结构划分为主(亚)关键层侵蚀缺失与层序完整两类;阐明了沟谷径流水的季节性特点及其引发水患的基本模式。(2)掌握了不同冲沟坡体赋存结构类型的覆岩活动与采动裂隙发育特征。当冲沟坡体位于裂隙带时,坡体岩层呈现朝向沟底滑移与翻转的活动特征,且关键层侵蚀缺失时坡体岩层滑移与翻转的活动程度更明显;明确了采动裂隙与冲沟地表沟通的形态与分布特征,其中向沟开采时坡脚区域以水平滑移裂隙为主并伴随拉剪纵向裂隙,背沟开采时则主要以拉裂隙为主,且集中在坡体的中、上部。(3)提出了关键层破断的空间联动影响高度概念,构建了覆岩采动裂隙发育高度的预测模型,明确了坡体下开采沟谷径流引发水害需满足的前提条件为冲沟坡体底部岩层位于裂隙带内;建立了坡脚岩层滑移力学模型,揭示了坡体岩层滑移破坏与产生水平滑移裂隙的机理,阐明了采动裂隙沟通冲沟地表引发沟谷径流水害时工作面与冲沟坡体的空间位置关系,提出了防止沟谷径流与冲沟采动裂隙沟通的安全距离的确定方法。(4)研究了坡体角度、坡体高度,煤层开采厚度、沟底煤层埋深对沟谷径流水害的影响,揭示了坡角、坡高、沟底最小埋采比对坡体下开采工作面安全距离的影响特征。基于沟谷径流安全煤柱概化模型,依据工作面安全距离提出了安全煤柱留设尺寸及其确定方法,并结合引起沟谷径流水害的条件,提出了坡体下开采沟谷径流水害威胁预判体系和井上、井下防治技术措施,丰富和完善了冲沟发育矿区厚煤层安全、高效开采的内涵。论文共有图130幅,表24个,参考文献132篇


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