泥盖型煤层覆岩采动破坏规律及保水开采应用研究

发布时间：2020-11-11 22:45

　　 榆神府矿区浅埋煤层顶板赋存有厚层的红黄土泥盖,其胶结性好、粘土矿物含量高、透水性差,使得覆岩采动破坏规律发生新变化,导水裂缝带多在泥盖层尖灭或受到抑制,目前许多学者并未深入认识这一点,在进行水体下开采论证、保水开采设计时,仍沿用厚基岩柱条件下裂采比进行计算,忽视了泥盖层的弥合隔水性,结果往往偏保守。因此有必要对浅埋薄基岩厚泥盖型煤层覆岩采动破坏规律进行研究,对于顶板水害防治与评价、保水开采实践具有重要的意义。本文以榆神府矿区郝家梁煤矿2301工作面为工程背景,开展了浅埋薄基岩泥盖型煤层覆岩采动破坏规律的相关研究,并应用于保水开采实践。首先分析了榆神府矿区地层结构及其力学特性,提出了覆岩采动破坏的“泥盖效应”,对泥盖型粘性红、黄土试样进行了物理力学及水理性测试;其次采用物理相似模拟试验、数值模拟、覆岩采动裂隙现场实测与工作面矿压显现规律分析等多种相结合的技术手段研究了泥盖型煤层覆岩采动破坏规律;然后采用随机介质理论阐述了泥盖效应产生的机理,并对粘性红土层的采动隔水性进行了试验研究;最终提出一种泥盖型煤层防水保护煤柱尺寸优化设计新方法,并应用于郝家梁煤矿2301工作面开采实践,实现了保水开采的目的。有助于合理确定保护煤柱尺寸参数,以提高开采上限、增加资源回收率。论文主要取得以下几方面的研究成果:(1)分析了榆神府矿区地层结构及其力学特性,提出了覆岩采动破坏“泥盖效应”概念,阐述了泥盖效应的本质在于泥盖层对导水裂缝发育的弥合修复作用,并将泥盖型煤层覆岩结构简化薄基岩厚泥盖型、薄基岩薄泥盖型、厚基岩薄泥盖型和厚基岩厚泥盖型等四种地质模型。(2)通过对粘性红、黄土试样进行物理力学及水理性测试,可知粘性红、黄土试样均含有较多的以绿泥石、伊利石和蒙脱石等为主的粘土矿物,均具有一定的内聚力和体积膨胀性,其抗剪强度高、抗裂能力强,且土体饱和渗透性系数小,具有透水性弱、隔水性良好的特征,这使得粘性土层下煤层开采覆岩采动破坏易产生泥盖效应。(3)覆岩采动裂隙发育的相似模拟试验表明:受泥盖层弥合修复作用,覆岩采动裂隙会经历“张开—闭合”的过程,且“两带”发育受粘性土层抑制性影响,发育不完整不充分、竖向没有明显的分带性,沿横向方向覆岩采动裂隙发育随基岩厚度变化呈分区性,覆岩采动变形破坏呈“整体式沉陷”的特点。(4)由泥盖型煤层覆岩采动数值模拟结果可知:受泥盖型粘性土层抑制性影响,覆岩采动变形破坏程度减轻,阻止了覆岩塑性区进一步向上发育,覆岩“两带”发育高度降低、分布形态也发生变化,导水裂缝带“马鞍形”结构形态消失,且随基岩与泥盖层的起伏发生变化。(5)覆岩采动裂隙现场实测数据表明裂隙向上发育进入静乐组红土后,受粘性土层膨胀性高、可塑性强等特征的影响,裂隙逐渐发生闭合,上部裂隙导水性微弱,“两带”发育高度大大降低,采动裂隙发育程度也显著减轻,最终覆岩垮采比2.66,裂采比6.4~7.04。(6)分析指出泥盖型煤层开采工作面矿压显现强烈,具有周期来压步距短、静压小、动载大的特点,同时建立了近场顶板岩层覆岩破断力学模型,指出近场基本顶岩层无法形成“砌体梁”式铰接结构,转化为以“短悬臂梁”结构形式存在,解释了工作面矿压显现特征。(7)阐述了覆岩采动破坏产生泥盖效应的机理,指出粘性土层发生变形破坏的前提是其由向下运动的空间和幅度,假设采动裂缝的张开-闭合发育过程与土层运动相一致,据此建立了粘性土层空间运动理论假设模型,采用随机介质理论计算了土体竖向下沉位移的变化规律,分析了土层内采动裂缝随土体竖向下沉位移的变化而发生张开-弥合的演化过程,同时提出可用土体内产生的拉应变评估采动裂缝的开裂程度。(8)基于流固耦合相似模拟试验对粘土隔水层的采动隔水性进行了试验研究,试验结果表明初始未受扰动状态下土体隔水性良好,开采扰动以后土体隔水性有所下降,同时由于土层遇水发生膨胀的特性,土层内采动裂缝会经历先张开后弥合的变化过程,土体的隔水性得到一定的恢复,土体的渗透性系数也会发生先增大后减小的变化规律,最终给出了开采扰动阶段土体渗透性系数的经验公式,对于开采过程中土体渗透系数的预测具有一定的参考意义。(9)指出泥盖效应作用下覆岩采动破坏易形成“泥盖弥合带”,弥合带的存在使得工作面在进行防水保护煤柱设计时可适当降低保护层留设厚度,将其应用于郝家梁煤矿2301工作面保水开采实践,通过GMS数值模拟和矿井涌水量实测数据验证了优化设计方法合理性,提高了工作面开采上限。
【学位单位】：煤炭科学研究总院
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TD745;TD823
【部分图文】：

第1章绪论2图1.2榆神矿区煤层（2-2）埋深趋势图Fig.1.2BurieddepthtrendchartofYushenminingareacoalseam（2-2）图1.3榆神矿区区域性采煤方法规划Fig.1.3RegionalcoalminingmethodplanningofYushenminingarea该区域虽然面临煤层开采厚度大、埋深浅、基岩薄等不利于控水开采的条件，但是厚层的黄土和红土层作为关键的粘土隔水层，为防治矿井突水和保水采煤提供了可能[6-13]。实际上，在面积或大或小的范围内，岩层或煤层的赋存状态，一般都形成犹如许多大大小小的互相叠置的盆，而在这些盆的上面，有时还覆盖着一个由土和泥砂组成且厚度不等并可能充满了水的泥盖。不同地质时代的沉积环境、物源构成、地质应力不同，形成了泥盖的分层结构性特征，厚层粘土性泥岩因胶结相对好、粘土矿物占比高、透水性差等因素影响而成为优质隔水泥盖，松散表土层或松散层则多为弱（不）胶结、粘土矿物占比低、渗透性好，甚至含水等因素而成为隔水性较差的砂土型泥盖[14]。大量试验数据表明，榆神矿区三趾马红土具有良好的隔水性，离石组黄土和静乐组红土共同构成隔水泥盖层，对地表

第1章绪论2图1.2榆神矿区煤层（2-2）埋深趋势图Fig.1.2BurieddepthtrendchartofYushenminingareacoalseam（2-2）图1.3榆神矿区区域性采煤方法规划Fig.1.3RegionalcoalminingmethodplanningofYushenminingarea该区域虽然面临煤层开采厚度大、埋深浅、基岩薄等不利于控水开采的条件，但是厚层的黄土和红土层作为关键的粘土隔水层，为防治矿井突水和保水采煤提供了可能[6-13]。实际上，在面积或大或小的范围内，岩层或煤层的赋存状态，一般都形成犹如许多大大小小的互相叠置的盆，而在这些盆的上面，有时还覆盖着一个由土和泥砂组成且厚度不等并可能充满了水的泥盖。不同地质时代的沉积环境、物源构成、地质应力不同，形成了泥盖的分层结构性特征，厚层粘土性泥岩因胶结相对好、粘土矿物占比高、透水性差等因素影响而成为优质隔水泥盖，松散表土层或松散层则多为弱（不）胶结、粘土矿物占比低、渗透性好，甚至含水等因素而成为隔水性较差的砂土型泥盖[14]。大量试验数据表明，榆神矿区三趾马红土具有良好的隔水性，离石组黄土和静乐组红土共同构成隔水泥盖层，对地表

技术路线图
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 李凯;;工作面采动对覆岩破坏及渗流特征的影响[J];内蒙古煤炭经济;2017年02期

2 谢兴华,高延法,速宝玉,王国庆;采动覆岩力学参数粘弹性位移反分析[J];矿山压力与顶板管理;2003年03期

3 程刚;施斌;张平松;朱鸿鹄;许星宇;;采动覆岩变形分布式光纤物理模型试验研究[J];工程地质学报;2017年04期

4 许家林;秦伟;轩大洋;朱卫兵;;采动覆岩卸荷膨胀累积效应[J];煤炭学报;2020年01期

5 姜岩;徐永梅;;采动覆岩离层计算[J];煤矿开采;1997年03期

6 仲惟林;许延春;;采动覆岩分类[J];煤炭科学技术;1988年08期

7 刘树新;孙会龙;;重复采动下覆岩变形数值模拟[J];煤矿开采;2017年06期

8 姚邦华;周海峰;陈龙;;重复采动下覆岩裂隙发育规律模拟研究[J];采矿与安全工程学报;2010年03期

9 李建伟;刘长友;卜庆为;;浅埋厚煤层开采覆岩采动裂缝时空演化规律[J];采矿与安全工程学报;2020年02期

10 孙学阳;寇规规;李鹏强;付恒心;李成;;重复采动下覆岩移动相似模拟实验研究[J];煤炭技术;2018年09期

相关博士学位论文 前10条

1 刘治国;泥盖型煤层覆岩采动破坏规律及保水开采应用研究[D];煤炭科学研究总院;2020年

2 尹增德;采动覆岩破坏特征及其应用研究[D];山东科技大学;2007年

3 尹士献;构造应力场与采动应力场协同作用下对覆岩变形影响研究[D];河南理工大学;2015年

4 张广伟;软弱覆岩地表沉陷机理研究及应用[D];煤炭科学研究总院;2016年

5 孙运江;采动覆岩破断移动机理及“类双曲线”模型研究[D];中国矿业大学(北京);2019年

6 李鹏;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[D];中国矿业大学;2019年

7 赵雁海;浅埋煤层采动覆岩复合压力拱演化特征及失稳机制研究[D];河南理工大学;2018年

8 翁丽媛;顾及覆岩采动力学响应的深部条带开采覆岩与地表变形规律研究[D];山东科技大学;2019年

9 赵军;多煤层开采覆岩结构演化规律及矿压控制研究[D];山东科技大学;2018年

10 王秉龙;覆岩隔离注浆充填承载结构模型及应用研究[D];中国矿业大学;2018年

相关硕士学位论文 前10条

1 孙越;采动应力场演变规律及覆岩破坏形态试验研究[D];河北工程大学;2018年

2 何昌春;采动覆岩隔离注浆充填对关键层支撑作用的力学模型研究[D];中国矿业大学;2015年

3 黄祖军;鑫顺煤矿采动覆岩导水特性及其探放水技术研究[D];河南理工大学;2014年

4 代沛;缓倾斜中厚煤层采动应力场时空演化及覆岩破裂规律[D];重庆大学;2015年

5 谢晓添;潘三矿1622(3)工作面覆岩运动导水裂隙带发育特征研究[D];安徽理工大学;2014年

6 谢晶岩;直流电法覆岩破坏探测关键技术研究[D];中国矿业大学;2019年

7 张劲满;厚松散层含水层失水开采条件下覆岩运动及地表移动规律研究[D];安徽理工大学;2019年

8 刘凯旋;厚松散含水层直覆下煤层开采覆岩破坏特征研究[D];安徽理工大学;2019年

9 郑雷雷;门克庆矿侏罗纪3-1煤层开采覆岩破坏发育规律研究[D];安徽理工大学;2019年

10 陈通;采场覆岩变形破坏综合测试实践与分析[D];安徽理工大学;2019年

本文编号：2879857