煤层开采过程中覆岩离层动态演化研究及离层水害评价

发布时间：2020-04-15 12:34

【摘要】：本论文以鄂尔多斯盆地南北两端两个煤矿为研究对象,紧紧围绕白垩系离层水害问题系统研究了白垩系巨厚砂岩离层水害特征、离层动态演化分析计算模型的创建及应用、白垩系离层水突水危险性评价、白垩系离层水害模式分类及防治方法总结,形成了一套白垩系离层水害问题系统理论,主要研究成果如下:(1)关于白垩系离层水害特征:研究区白垩系沉积以洛河组为主,沉积厚度350m左右,白垩系砂岩底部的离层具备良好的充水条件。研究发现预计的导水裂缝带内部存在突水通道闭合带,突水通道闭合带位于冒落带顶部第一个泥岩段至洛河组底部第一个泥岩段之间的区域。基于侏罗系覆岩内存在突水通道闭合带的事实,对可积水离层重新进行了定义,提出了10种可积水离层类型。白垩系离层水害模式的沉积特征自上而下可被概括为:“积水离层带+突水通道闭合带+突水通道未闭合带”,突水通道闭合带的隔水性是上覆离层存在积水的主要原因,突水通道闭合带的周期性短暂打开是白垩系离层水涌入工作面的直接原因。(2)关于离层动态演化分析:根据煤层开采过程中覆岩内存在压力平衡拱的事实及一些已有的研究成果,提出了三角形离层域的概念,并给出了三角形离层域的范围。分析了传统离层位置判别方法的不足,提出了一种改进的岩层接触状态判别方法——逐级对比合并法。通过逐级对比合并,可以将岩层实际呈现的组合状态展示出来,对离层发育位置的判别更加符合实际。将三角离层域与逐级对比合并法结合起来建立了一个可用于离层动态演化分析的计算模型——阶梯状组合梁计算模型。应用结果显示该模型能够用于进行离层动态演化分析,能够较准确地对工作面异常出水对应的进尺进行预计。(3)关于离层水害评价:分析认为煤层开采厚度、洛河组岩层均厚、洛河组内中-粗砂岩占比、突水通道闭合带内裂隙整体闭合潜力是洛河组离层水突水危险性的四个主要相关因素。运用熵权法计算出了这四个因素的权重。权重计算结果显示煤层开采厚度对离层水突水形式起决定作用。通过分析已有突水案例之间的差异,提出了渗漏型、涌突型两种离层水害模式。且离层水突水危险性指数小于0.5的离层水害模式为渗漏型,离层水突水危险性指数大于或等于0.5的离层水害模式为涌突型。通过本次研究,加深了对白垩系离层水害问题的认识,创建了一种离层动态演化分析计算模型,提供了离层水害评价及分类的指标。这些研究成果对丰富离层水害相关理论有重大理论意义,对有离层隐患的工作面进行离层水害防治有重大工程实际价值。
【图文】：

杰[85-86]运用数值计算、相似材料模拟及理论分析等方法对覆岩离层岩层学机理进行了研究，认为离层的产生是由于覆岩中存在压力平衡拱，有拱是产生离层的先决条件，离层的高度和跨度约等于工作面推进距离的[87]通过相似材料物理模拟发现工作面推进距离较小时，顶板不会有离层进尺增大时，离层发育高度约为工作面进尺的 0.4~0.6 倍，，Wang[88]做工作并得到了相似的结论。伍泽东等[89]首次使用真三维模型进行模拟，层空腔体积和最大离层高度等参数。岳建刚等[90]根据组合梁原理对工作岩内空腔型离层位置进行了判别。此外，一些学者通过数值模拟等方法同因素对离层发育的影响[91-99]，还有不少学者对煤层采后覆岩离层的监方法进行了研究[100-109]，其中光纤监测是近年来新兴的覆岩采动变形监可对敷衍裂隙发育过程及时监测[110-113]。综上可知，在进行离层位置判别时，现有研究成果多通过宏观分析、借、数值模拟、相似材料实验模拟来实现。也有学者通过对覆岩内部的岩征及接触关系进行解析计算来获得覆岩内离层的分布情况，但他们所用式几乎都是一样的、重复性的，属于传统的离层判别公式（详见第 5 章

荷依然为原始地应力大小，实际上由于开挖后压力平衡拱的存在，能对岩层施加载荷的岩层范围是有限的、变化的，只有压力平衡拱内（即离层才对离层上位岩层施加了载荷。以下以压力平衡拱的研究现状为中心种确定离层域的理论。1907 年，俄国学者 M.M.Продъяконов（普罗托奇雅阔诺夫）基于均质内硐室开挖，提出压力拱学说，及普氏拱理论，该理论为我国隧道与地力学基础。但在实际采矿工程中的巷道开挖或煤层回采过程中的顶板覆均一介质，介质条件十分复杂，该理论并不能很好的胜任采矿工程中煤岩中应力平衡拱的计算。郑颖人、邱陈瑜（2016）对普氏压力拱理论的了分析[122]。赵德深、朱广轶等（2002）通过相似材料模拟实验，研究了离层分布时认为离层分布的横向范围由岩层平均断裂角来圈定[84]苏仲杰（2003）对覆岩离层岩层的变形机理进行了系统研究，对平衡拱行了受力分析（图 1-2），并推导出了压力平衡拱的拱迹线方程（公式 到了拱高 H、采深 D、工作面进尺 L 的关系（公式 1 6）[85-86]。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD745

【参考文献】

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本文编号：2628557