浅埋煤层开采与脆弱生态保护相互响应机理与工程实践

基于西部煤田浅埋深且冲沟发育、地表生态极其脆弱的特点,提出了井下保护性开采与地表生态环境防治相互响应的机理,以解决浅埋煤田大规模开采与极脆弱生态系统保护之间的矛盾。综合采用物理模拟、数值模拟、理论分析及现场实测的方法,对覆岩移动特征及裂隙发育规律、浅埋煤层保水开采机理及其技术适应性分类、地表生态采动适应性规律和生态功能圈构建理论进行了分析,并成功应用于工程实践。主要研究成果如下 :

(1)提出了浅埋煤层开采与脆弱生态保护相互响应机理,并成功应用于工程实践。

将城市生态功能圈理念引入荒漠化矿区生态治理中,基于地表生态采动适应性规律和井下保水开采机理,以被人工调控与导向演替、林分结构优化等为技术支持,形成了以植物措施为主的外围防护圈构建技术、以采前预防、采中保水及采后修复为手段的周边常绿圈保障技术和中心美化圈园林化建设技术,实现井下开采与井上防治相互响应。

(2)初步形成了西部矿区常规浅埋煤层开采覆岩移动型式判别体系。

基于常规浅埋煤层条件下覆岩与关键层同步下沉且裂隙发育受控于关键层移动的典型特点,建立了关键层初次破断和周期破断时的结构力学模型;基于关键层的结构稳定性,构建出关键层破断型式的四种判别模型,依此形成了覆岩移动型式判别体系。

(3)揭示了常规浅埋煤层保水开采机理,形成了常规浅埋煤层保水开采适应性分类体系。

提出了隔水层采动渗漏机理,引入临界含隔比作为判别采动渗漏的关键指标;将裂隙带划分为上位裂隙带、中位裂隙带和下位裂隙带以反映采动裂隙的可闭合度;提出了基于隔水层采动保水性能演化规律的保水开采机理及技术设计体系;以隔裂位态系数为综合指标进行了常规浅埋煤层保水开采技术适应性分类。

(4)构建出冲沟下开采坡体结构力学模型,提出了冲沟下浅埋煤层保水开采机理及其技术适应性分类方法。

对向沟开采和背沟开采坡体结构稳定性进行了力学分析,推导出维持坡体结构稳定性的支护力计算公式;提出了向沟开采时的下向流失和顺层流动机理,以及背沟开采时的逆倾导水机理,并依此提出了冲沟下保水开采机理;以冲沟采动敏感性为指标进行了冲沟下保水开采技术适应性分类 。2100433B

文关键词：浅埋煤层;保水开采; 保水采煤；冲沟;生态保护;相互响应

本书以神东矿区浅埋煤层开采为背景，依托大量的浅埋煤层开采实践与矿压规律研究成果，建立以整体切落式破断和滑落失稳为主要特征的“切落体”结构理论。基于“砌体梁”理论、“悬臂梁 砌体梁”理论、“切落体”理论对神东矿区顶板结构进行分类。研究浅埋煤层采场顶板控制技术，包括浅埋煤层顶板分类、“切落体”结构与支架相互作用关系、浅埋煤层综采工作面液压支架工作阻力确定以及采场顶板来压预测预报，阐释浅埋煤层工作面过集中煤柱、过空巷、过沟谷以及坚硬顶板等条件下的顶板灾害防治实例。

前言

1 绪论

1.1 浅埋煤层岩层控制理论

1.1.1 浅埋煤层的矿压特征

1.1.2 浅埋煤层的特征与分类

1.1.3 浅埋煤层顶板结构理论

1.2 浅埋煤层保水开采研究

1.2.1 浅埋煤层顶板破断的空间结构形态

1.2.2 保水开采条件与隔水层稳定性

1.3 部分开采顶板控制理论

1.4 充填开采方法与技术

1.4.1 充填开采技术进展

1.4.2 充填材料及其力学特性

1.4.3 充填体的力学作用机理

1.4.4 条带充填开采岩层控制理论

2 覆岩地质条件及保水开采分类

2.1 煤层赋存条件

2.1.1 自然地理

2.1.2 地质构造特征

2.1.3 煤层赋存特征

2.1.4 煤层顶板基岩特征

2.2 覆岩工程地质特征

2.2.1 煤层覆岩结构类型

2.2.2 风化带工程地质特征

2.2.3 顶板基岩工程地质特征

2.2.4 隔水层工程地质特征

2.2.5 黏土隔水层应力应变及渗透系数变化规律

2.3 煤与水赋存的空间组合关系

2.4 萨拉乌苏组及其地下水资源

2.5 保水开采分类与分区

2.5.1 保水开采分类

2.5.2 保水开采分区

2.6 特殊保水开采区覆岩类型

2.6.1 特殊保水区分布状况

2.6.2 覆岩结构类型

3 柔性条带充填原理及充填材料研究

3.1 柔性条带充填开采原理

3.1.1 条带充填方法

3.1.2 柔性条带充填开采技术原理

3.1.3 柔性条带充填方式

3.1.4 条带充填工艺

3.2 陕北风积沙的工程特性

3.2.1 陕北风沙滩地区分布状况

3.2.2 陕北风积沙物理特性

3.3 膏体充填材料的特点及可泵性

3.3.1 膏体充填材料的特点

3.3.2 膏体充填材料的可泵性

3.4 充填体强度的确定

3.4.1 早期强度

3.4.2 后期强度

3.4.3 膏体充填材料强度的确定

4 条带充填的隔水岩组稳定性实验研究

4.1 条带充填物理相似模拟实验设计

4.1.1 相似条件及相似参数

4.1.2 黏土隔水层的相似性研究

4.1.3 柔性充填材料的相似性研究

4.1.4 模型布置

4.2 条带充填开采隔水岩组稳定性的物理模拟

4.2.1 柔性条带充填开采上行裂隙和下行裂隙发育规律

4.2.2 中部基岩下沉规律

4.2.3 隔水层及其支撑岩柱移动规律

4.2.4 充填材料强度对覆岩的控制作用

4.2.5 充填条带载荷量及压缩量变化规律

4.3 条带充填开采数值模拟研究

4.3.1 条带充填数值计算模型

4.3.2 覆岩应力场和塑性区分布特征

5 条带充填保水开采的隔水岩组力学模型

5.1 隔水岩组结构力学模型

5.2 隔水岩组下沉曲线分析

5.3 上行裂隙发育高度分析

5.4 下行裂隙发育分析

5.4.1 下行裂隙发育深度

5.4.2 下行裂隙发育位置

6 充填条带和隔水岩组稳定性控制因素

6.1 岩柱载荷量及岩柱压缩量

6.2 充填条带载荷和压缩量

6.2.1 充填条带载荷量及充填条带压缩量

6.2.2 充填条带压缩量的相似材料试验

6.2.3 充填条带压缩量影响因素

6.3 隔水岩组下沉量影响因素

6.4 上行裂隙发育高度影响因素分析

6.5 下行裂隙发育深度影响因素分析

6.6 隔水岩组稳定性影响因素总结

7 条带充填开采隔水岩组稳定性判据

7.1 隔水岩组稳定性判据

7.2 基岩黏土型覆岩合理充填参数确定方法

参考文献

附图2100433B

《浅埋煤层条带充填保水开采岩层控制》以陕北侏罗纪煤田浅埋煤层特殊保水开采区地质条件为背景，通过充填材料实验、物理相似模拟、数值计算和理论分析方法，分析了特殊保水开采区地质条件；研究了砂基膏体充填材料及其性质，揭示了条带充填开采的隔水岩组变形、破坏和运移规律和机理；建立了两个充填条带对称分布条件下的"边界煤柱-充填条带-隔水岩组"力学模型，给出了"上行裂隙"、"下行裂隙"发育高度和隔水岩组最大下沉量计算公式，分析了充填体压缩量与隔水岩组稳定的关系，揭示了条带充填开采的隔水层稳定性控制机理；建立了条带充填开采隔水岩组稳定性判据，提出了合理的充填间隔宽度和充填宽度计算方法，为浅埋煤层特殊保水开采提供了理论基础。

研究配制出砂基膏体充填材料，测试砂基膏体充填材料和黏土层的基本力学参数，开发砂基膏体充填材料和黏土层的相似材料和相似模拟技术，实现全应力应变相似。在此基础上，还开展走向长壁条带充填开采的物理相似模拟实验，分析走向长壁双条带等间距充填开采模式下隔水岩组稳定性条件，得出不同充填间隔宽度和充填条带宽度对上行裂隙与下行裂隙发育高度的影响规律，获得不同充填间隔宽度和充填条带高宽比对隔水岩组下沉量的影响规律。采用数值模拟技术，进一步研究不同充填间隔宽度和充填条带高宽比的充填条带载荷量分布规律、条带充填采场应力分布特征和塑性破坏区分布特征。