薄基岩采动裂隙发育规律及应用研究

摘要

鄂尔多斯地区优质煤炭储量丰富，是我国现已探明煤炭储量最大的煤田，被誉为世界八大煤田之一。该地区煤系地层赋存的最大特点是埋藏浅，基岩薄，基本顶为单一关键层结构，属典型的浅埋薄基岩煤层。在矿井开采过程中，出现了矿山压力剧烈显现，顶板台阶下沉，地面塌陷等现象，而现阶段对于薄基岩煤层工作面上覆岩层断裂特征及导水裂隙发育规律的认识不深，采取的应对措施不到位，引起了一些工作面涌水溃沙严重事故的发生。本文运用野外勘探及分析、理论计算、数值模拟、相似材料模拟试验等方法，研究了薄基岩煤层开采导水裂隙发育规律，主要有以下结论： （1）根据数值模拟和矿压数据分析的结论，应用顶板发生切落前形成的短悬梁结构，对短悬梁结构破断过程进行力学分析，计算得出薄基岩煤层顶板发生剪切破断和发生回转破断的临界条件，并得到了决定顶板会发生何种破断形式的主要影响因素。运用温克尔模型，计算得出岩层随着埋深的减小，垮落的水平截面的直径在不断的减小，且断裂位置有着明显的改变。因此，垮落带的几何形态呈现出“上小下大”的倒漏斗状，类似倒“U”形。 （2）由资料整理和现场实测初步推断，并经过数值模拟、相似模拟试验验证，揭示了采动裂隙发育过程与表现形态。即采动后最明显、最宽的裂隙出现在工作面正中间，裂隙包络线形成“拱顶”。发育到浅表的上行裂隙最明显、最宽的出现在工作面顺槽内侧，裂隙发育边界与顺槽连线呈“梯形”。裂隙贯穿基岩后进入土层，黄土有直立、湿陷的特性，直立可导致裂隙包络线顶端仍呈现“拱顶”状，整体导裂带包络线形状为“拱形”。 （3）在薄基岩煤层范围内，类似地质条件下，随着基岩厚度的增加，顶板初次来压步距和周期来压步距会增大。顶板沿煤壁垂直切落，出现台阶下沉，并引起地表的相应台阶下沉。基岩越厚，采后地表下沉越不明显。

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