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浅埋煤层局部充填开采隔水层稳定性规律及其数学模型研究

刘素花  
【摘要】:保水开采是煤炭可持续发展的重要课题,浅埋煤层特殊保水开采是当前采矿界的技术难题。采用走向长壁局部充填开采方法,保障采空区的顶板隔水性,是实现浅埋煤层特殊保水开采的有效途径。研究浅埋煤层局部充填开采隔水层稳定性数学模型,揭示隔水层稳定性规律,对于确定合理局部充填参数,指导局部充填开采实践具有十分重要的理论和实践意义。 本文以导师承担的陕西省教育厅省级重点实验室科研与建设计划项目“陕北浅埋煤层特殊保水开采隔水层稳定性研究”为依托,以典型特殊保水开采区覆岩(基岩黏土型)的顶板隔水岩组条件为研究对象,开发了两种柔性充填材料的相似配比,在此基础上,开展了走向长壁局部充填开采的物理相似模拟实验,对比分析了工作面长250m,等间距充填两条带,“高”、“低”充填材料条件下隔水层的稳定性规律。研究发现,隔水层失稳时的隔充比(充填间隔宽度与充填宽度之比)相同,不同的充填间隔宽度和充填宽度直接影响“上行裂隙”与“下行裂隙”的发育高度,最终影响隔水层的稳定性。 基于物理相似模拟实验,提出浅埋煤层局部充填开采隔水层稳定性数学模型,确定上行裂隙发育高度计算公式和隔水层下沉计算公式。得出上行裂隙的发育高度与充填间隔宽度成正相关,下行裂隙的发育高度主要由隔水层最大下沉量决定,隔水层的最大下沉量为充填体的压缩量和充填体上方支撑岩柱的下沉量以及基岩隔水层的下沉量三者之和。其中,充填体的压缩量与隔充比?正相关,在相同的隔充比下,充填体的压缩量?充与岩层垮落角?正相关,充填体上方支撑岩柱的下沉量与各影响因素的关系与充填体的压缩量类似,基岩隔水层的下沉量与基岩隔水层厚度负相关,随着充填宽度的减小,基岩隔水层下沉量曲线呈类似双曲线形状向上发展。 通过对隔水层稳定性数学模型分析表明,得到的结果与物理相似模拟实验基本吻合,可为浅埋煤层特殊保水开采区局部充填开采提供理论依据。


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