西南山区浅埋煤层采动地裂缝发育规律及减损控制

来源 :中国矿业大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:shaw1
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显著不同于西北浅埋煤层分布区的煤层赋存地质环境且有别于其相应的采动地裂缝发育规律,西南山区浅埋煤层具有近距离煤层群、重复采动、峰丛地貌、“薄表土层+厚基岩”的独特特点,因而采动诱发的地裂缝具有特有的发育规律。本文以西南山区浅埋煤层采动地裂缝为研究对象,以采动地裂缝发育规律及其减损控制为切入点,以现场实测、实验室实验、数值模拟和理论分析为研究手段,充分运用采矿学、开采沉陷学、弹塑性力学、岩土力学等理论知识,深入系统地研究了采动地裂缝动静态发育规律及发育机理、采动地裂缝减损控制方法。主要研究成果如下:(1)通过统计分析发耳煤矿、宏发煤矿和兴林煤矿等西南山区浅埋煤层典型矿井的煤层赋存特征、地层特征、地貌特征及表土层特征,获得了西南山区浅埋煤层赋存分类结果,为浅埋煤层赋存条件的针对性分类提供了参考和依据。归纳总结了西南山区浅埋煤层赋存的5个突出特点,即近距离煤层群、重复采动、峰丛地貌、“薄表土层+厚基岩”的岩土层组合结构和“上硬下软”的地层岩性。(2)将西南山区浅埋煤层顶板结构分为4种类型,即薄直接顶与基本顶、中厚直接顶与基本顶、分层顶板和单一厚硬顶板。揭示了地裂缝发育宽度与与顶板结构的内在关联。将西南山区浅埋煤层采动地裂缝分为3种类型,即张开型、拉伸型和台阶型。明确了不同类型地裂缝的优选发育位置及其“分区”特性。(3)与西北浅埋煤层分布区相比,西南山区浅埋煤层地裂缝发育特点存在两个显著不同:①显著不同于西北地区浅埋煤层地裂缝倒“C”字型的空间分布规律,西南山区浅埋煤层地裂缝的空间分布显著受到地貌起伏变化的影响,其分布规律并无明显“C”字型;②显著不同于西北地区浅埋煤层地裂缝延伸方向与工作面倾向大致平行的规律,西南山区浅埋地裂缝的延伸方向各异、与等高线走向大致平行或斜交,并不与工作面倾向平行。(4)揭示了采动地裂缝的动态发育规律。新发育的地裂缝在超前于工作面推进位置的一定距离处发育。地裂缝发育尺度随工作面推进呈现动态性,当工作面推进位置由滞后于地裂缝变为超前于地裂缝时,发育宽度呈缓慢增加→快速突增→缓慢减小→趋于稳定的动态发展过程,而落差呈缓慢增加→快速突增→趋于稳定的动态发展过程。地裂缝发育长度的动态延伸过程可分为3个阶段,即缓慢增长阶段、快速增长阶段和趋于稳定阶段。当地裂缝的发育宽度和落差趋于稳定值时,地裂缝的动态发育主要集中表现为发育长度的动态延伸。(5)详细讨论了单层采动和重复采动时采动地裂缝的发育特点。单层采动已经发育的地裂缝,其发育尺度并不因受重复采动而持续增加,而是表征为原有发育尺度基础上的“闭合→扩展→稳定”的动态过程。重复采动时的地裂缝发育可分为5个阶段,即单层采动基础上的继续扩展阶段、重复采动作用下的逐渐闭合阶段、重复采动作用下的二次发育阶段、重复采动作用下的逐渐扩展阶段和重复采动作用下的发育稳定阶段。地裂缝的发育宽度、落差和深度并非因受重复采动都呈增加趋势,而是某个采动阶段以某个发育尺度为主。(6)明晰了采高、坡度和坡体起伏变化对采动地裂缝发育形态及发育尺度的具体影响特点。阐明了地表沉陷和覆岩运动对采动地裂缝发育的响应特征。地裂缝发育位置与水平拉伸变形的产生区域密切相关。显著不同于西北地区浅埋煤层开采,西南山区浅埋煤层开采存在明显的“矿压显现分区”。(7)获得了不等地表坡度的表土层变形破坏的临界值,得出了采动地裂缝产生的起裂判据。建立了采动地裂缝一侧矩形块体结构模型并求解了其边界剪应力值。阐明了地裂缝发育与坡体活动的内在关联,其发育位置与坡体断裂线紧密相关,建立了坡体活动的“斜型体”结构模型并获得了其回转失稳和滑落失稳的判据。得出了台阶型和拉伸型地裂缝产生的充分条件,即当厚硬顶板破断形式为“台阶岩梁”和坡体活动位态为“滑落失稳”时,地裂缝发育类型多为台阶型;当厚硬顶板破断形式为“砌体梁”和坡体活动位态为“回转失稳”时,地裂缝发育类型多为拉伸型。(8)归纳总结了西南山区浅埋煤层采动地裂缝减损控制的五大原则,即分区治理差异化原则、地表移动变形趋弱化原则、采掘系统布署科学化原则、生态修复动态化原则和安全经济一体化原则。归纳总结了工作面布署的八种方式,得出外错式(内错式)、煤柱间隔外错式(内错式)此四种工作面布署方式为矿井采掘布局的优选方式。划分了不同工作面布署方式的采动损害分区,即分区A(重叠区)、分区B(内错区)、分区C(外错区)、分区D(边界对齐区)和分区E(煤柱区)。提出了井下“固体充填+条带开采”和地表裂缝“差异化治理”相结合的协同治理技术,此技术有效减弱了地表沉降程度和采动地裂缝发育,符合“绿色开采”的科学内涵。
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