浅埋煤层水库旁开采隔水保护煤柱宽度留设理论与试验研究

发布时间：2019-07-13 08:29

【摘要】：水库旁煤层开采合理煤柱留设研究是保证其安全绿色开采的关键问题之一,故对其开展理论与试验研究具有重要的理论意义和工程实践价值。本文以陕西省神木县张家峁矿井常家沟水库周边4-2煤层开采为工程依托,采用理论分析、物理相似材料试验、FLAC3D数值计算和现场实践相结合的方法开展研究工作。提出了水库旁采煤的简化模型,基于矿山压力、水压力与煤层的耦合关系,提出了水库旁开采隔水保护煤柱区段,即从隔水功能上沿宽度方向可划分为矿压影响区段、有效隔水区段和水位影响区段,给出了水库旁开采隔水保护煤柱的定义与计算公式。水库库岸边坡的坡度、高度、水位、覆岩裂隙带高度、岩层移动角等因素是影响隔水保护煤柱留设宽度确定的主要影响因素,提出了综合确定隔水保护煤柱宽度的方法,给出了隔水保护煤柱宽度的计算公式。完成了4-2煤的物理力学特性室内试验,基于4-2煤单轴压缩破坏声发射试验,得到了煤单轴压缩破坏过程与声发射显现之间的规律。通过相似模型试验,分析了常家沟水库旁边张家峁矿井4-2煤开采过程中覆岩与库岸边坡的破坏特征、应力和位移的变化规律。结果表明,当水库蓄满水时,库岸边坡不受采动影响的合理留设煤柱不得小于163m;随着工作面推进,覆岩不断垮落,逐渐发育至地表形成“下沉盆地”,“下沉盆地”的范围逐渐向水库岸库岸侧扩展,在继续推进过程中,工作面前方出现下行裂隙,水库边坡出现向采空区倾覆的趋势。当工作面推进至221m,留设煤柱70m时,不同岩性层面之间会突然出现滑移错动,边坡出现滑移特征。基于渗流与变形计算的基本理论推导出水库旁煤层开采水岩耦合控制方程。采用水岩耦合FLAC3D软件建立与相似材料模型试验工况一致的数值模型,研究水库旁煤层开采煤柱留设宽度取值问题。考虑边坡关键点位移变化和煤层顶底板关键点孔隙水压力变化,基于水岩耦合FLAC3D计算提出了确定隔水保护煤柱宽度的准则。数值模拟和物理模型试验得到的水库库岸边坡坡面监测点的位移变化曲线具有相同的变化趋势。基于水岩耦合FLAC3D数值模拟,研究不同水位下采煤对水库库岸边坡稳定性的影响规律,分析水位对煤层开采的隔水保护煤柱留设尺寸的影响。结果表明,在保持煤层厚度、埋深不变的情况下,当水库水位位于煤层底板以下时,煤层位于浸润线以上,处于非饱和区,不同水位对煤层开采合理煤柱留设尺寸的影响很小;当水库水位位于煤层中部时,煤层开采合理煤柱留设尺寸需要加大;当水库水位位于煤层顶板以上时,隔水保护煤柱留设尺寸随着水位上升而增大。当水库水位和煤层厚度不变的情况下,隔水保护煤柱留设尺寸随着煤层埋深的增大而增大。根据理论分析、相似材料模拟和FLAC3D数值分析的结果,首次将水库旁采煤库岸边坡的破坏模式按照变形的不同分为坍塌、崩塌、滑坡、错落、倾倒等五种主模式,根据边坡变形的方向的不同,每种主模式又包括两种亚模式。提出了水库旁浅埋煤层开采隔水保护煤柱宽度留设方法。采用钻探、物探、采样测试、抽水试验及水文地质填图等勘探手段对常家沟水库边水文地质条件进行了勘查,提出了常家沟水库边4-2煤层开采存在的四种可能水害。按照本文给出的隔水保护煤柱宽度确定方法,常家沟水库旁边4-2煤开采的隔水保护煤柱宽度确定为99 m。根据该煤柱宽度完成了常家沟水库边4-2煤层的工作面布置。工程实践表明,留设的隔水保护煤柱宽度合理。
【学位授予单位】：西安科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TD822.3

【参考文献】