特厚煤层综放开采覆岩主控裂隙演化及突水预测研究

摘要

黄陇煤田侏罗系煤层覆岩具有成岩时间短、弱胶结、泥质含量高等特点，导水裂缝带发育较高且在软硬岩层交界处易形成高位离层积水；离层水体的涌突具有瞬时性、大流量并伴随强烈矿山压力显现等特点，对煤矿安全生产造成重大影响。本文在总结崔木煤矿周期性离层涌水的基础上，以招贤煤矿 1307 首采工作面为研究对象，深入研究其水文地质与工程地质条件，通过理论分析、相似模拟和数值模拟相结合的方法，重点研究了 1307工作面的离层纵向发育层位和横向破断步距，据此提出该条件下三种离层突水类型，揭示了特厚煤层综放开采覆岩主控裂隙的演化规律，并对工作面周期性离层涌水的危险性地段进行了预测。 通过规范计算、相似条件矿井类比和数值模拟综合确定 1307 工作面导水裂缝带高度280m，波及宜君组平均厚度为 44.91m；基于关键层理论对离层层位进行判别，得到覆岩离层主要产生于安定组上部和安定组与宜君组的交界面处；基于板的断裂理论，得到覆岩高位离层下部亚关键层极限破断距和周期破断距。 采用通用离散元程序3DEC对工作面在开采过程中覆岩离层发育及其动态变化规律进行研究，结果显示工作面推进到400m时，安定组顶部和宜君组下部岩层之间出现明显的离层，最大位移出现在采空区的中部，基本呈现“钟型”对称分布，左右两侧岩层破断角基本相同，在近顶板覆岩中裂隙较为明显，呈现“富裂隙拱”的形态，即在采空区两帮离层裂隙较为发育，而在中部则处于压实区。 以1307工作面为地质原型进行的相似模拟试验结果显示煤层开采390m时，宜君组和安定组交界处产生明显的离层，由于倾斜开采的原因，两侧的岩层破断角并不相同，造成了岩层在右侧开切眼处离层现象明显，而在左侧却没有出现明显的分离；不同于近水平开采，倾斜开采中离层最大下沉位置更偏向于标高较高的一侧，在整个开采过程中，从裂隙发展来看，一般横向裂隙总是先于纵向裂隙产生，在横向裂隙分离张开到足够长度后，出现小的纵向裂隙，直到整个岩层从中部破断，产生若干纵向裂隙。 基于理论分析、数值模拟和相似模拟试验结果，提出覆岩主控裂隙控制下的离层突水的三种类型：无高位横向离层裂隙充水型、纵向主导水裂隙突水型和主控裂隙突水型，三种突水类型危险性逐级递进；综合考虑招贤煤矿 1307 工作面导水裂缝带最大发育高度、离层发育层位和覆岩亚关键层破断规律，认为纵向主导水裂隙极有可能与离层空间贯通，具备发育“主控裂隙突水型”离层突水所需的条件；综合考虑安定组亚关键层破断距和工作面不同推进距离岩层破断角的影响，划定了 1307 工作面推进过程中离层周期涌水威胁较为严重的区域。

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