软弱覆岩强含水层下综放开采覆岩运移规律及水砂防控技术研究

摘要

敏东一矿首采盘区覆岩性质及含水层形态特殊，覆岩偏软，且含水层多、含水性强，针对性开展软弱覆岩强含水层下综放开采覆岩运移规律及水砂防控技术研究对于保障矿井安全生产、降低开采活动对地表生态环境的破坏极为重要。本文在对首采盘区覆岩含水层富水性评价、覆岩运移规律及含水层对工作面充水溃砂影响等内容研究的基础上，建立了适用于敏东一矿及类似条件下矿井工作面的水砂防控技术体系。论文主要研究工作及成果如下：
　　（1）根据地质勘探数据，评价分析了矿井首采盘区开采充水水源及含水层富水性，综合利用地面电法和矿井直流电法对受开采影响的主要含水地层的富水情况进行探测，揭示了敏东一矿强含水层的赋存特征。物探所得结果与实际情况较吻合。
　　（2）运用钻孔注水法实测得到了敏东一矿首采盘区覆岩“两带”高度，结果表明：垮落带高度为36.65 m，垮采比为4.76；导水裂缝带高度为83.78 m，裂采比为10.88。利用实验室力学性质测试和现场实测数据对离散元程序UDEC模拟参数进行校核，反演不同采高时覆岩运移特征及两带高度，所得垮采比最大和最小值分别为4.25和3.5，平均3.9；裂采比最大和最小值分别为11和8.1，平均9.3，与现场实测结果较为接近。综合钻孔实测和数值计算分析了敏东一矿软弱覆岩强含水层下综放开采覆岩破坏规律。
　　（3）通过实验室相似模拟，得到了工作面覆岩导水裂隙发育规律，相似模拟所得直接顶初次垮落步距大于现场实测结果，而老顶周期来压步距与现场实测结果相近。由于相似模型中垮落带覆岩呈层状充填采空区，其所得垮落带和裂隙带高度均比现场实测结果偏大，通过铺设散体砂石、预制节理及增加直接顶强度等方法预处理模型垮落带内岩层，可有效提高相似模拟结果的可靠性。
　　（4）针对敏东一矿地层岩性及强度特征，开展了0-0.5 mm和0.5-1 mm两种砂径骨料的相似模拟试验，得到了覆岩导水裂隙演化对模型骨料粒径变化的敏感程度，揭示了软弱覆岩综放开采裂隙及应力演化规律。结果表明，相似材料骨料砂径越小，其强度越大，随砂径增大，相似材料试件破坏由剪切主导型逐渐转变为张拉主导型；砂径越大，相似模拟中覆岩断裂步距越小，覆岩裂隙发育越充分，过小的砂径反而不利于覆岩导水裂隙演化。
　　（5）构建了敏东一矿软弱覆岩强含水层及类似条件下综放开采防治水体系。首先防止含水层溃水、溃砂，其次避免工作面涌水量超限，最后补充顶板水疏降技术；提出了“顶水开采与疏干或疏降开采相结合、先疏后采与边采边疏相结合、钻孔疏干或疏降与回采疏干或疏降相结合、分段控制开采厚度”的防治水总方案，有效保证了矿井的安全综放开采。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 研究背景与意义 (Background and Research Significance)

1.2 国内外研究现状 (Research Status Review)

1.3 研究内容及技术路线 (Research Contents and Technical Route)

1.4 主要创新点 (Main Innovations)

2 矿井水文地质概况

2.1 矿井地理概况 (Mine Geographical Situation)

2.2 煤层条件 (Coal Seam Condition)

2.3 矿井水文条件 (Mine Hydrogeological Condition)

2.4 煤层及首采盘区顶底板性质 (Roof and Floor Property of Coal Seam and First Mining Panel)

2.5 本章小结 (Brief Summary)

3 煤层开采充水水源及富水性评价

3.1 首采盘区概况 (First Mining Panel Situation)

3.2 首采盘区煤层开采充水水源分析 (Analysis of Filling Water Source in First Mining Panel)

3.3 含水层富水性评价 (Assessment of Water Abundance in Aquifers)

3.4 含水层富水情况探测(Water Abundance Detection in Aquifers)

3.5 本章小结 (Brief Summary)

4 煤层开采覆岩破坏特征研究

4.1 首采盘区 16-3 上及 16-3 煤层开采覆岩破坏高度预计(Predictable Damage Heights of Overburden Strata over First Mining Panel in Coalseam 16-3up and 16-3)

4.2 首采盘区东翼 16-3 煤层开采两带高度现场实测 (Measured Heights of Two Zones in East Region of First Mining Panel of Coalseam 16-3)

4.3 16-3 煤层开采覆岩破坏规律数值模拟 (Numerical Simulation of Failure Laws of Overburden after Extracting Coalseam 16-3)

4.4 本章小结 (Brief Summary)

5 相似模拟试验骨料砂径对导水裂隙演化影响

5.1 16-3煤层回采导水裂隙演化规律 (Water-Conducting Fractures Development Laws after Extracting Coalseam 16-3)

5.2 不同砂径试样力学性质测试 (Mechanical Property Test of Specimens with Different Grain Diameters)

5.3 覆岩导水裂隙演化差异 (Evolution Difference of Water-Conducting Fractures in Overburden)

5.4 差异原因分析 (Difference Reason Analysis)

5.5 本章小结 (Brief Summary)

6 覆岩强含水层对工作面充水溃砂影响分析

6.1 首采盘区含水层对 16-3 上煤层充水溃砂影响 (Water- and Sand-Falling Impact of Sand Aquifers in First Mining Area on Coalseam 16-3up)

6.2 首采盘区含水层对16-3煤层充水溃砂影响 (Water-and Sand-Falling Impact of Sand Aquifers in First Mining Area on Coalseam 16-3)

6.3 16-3 上煤层采空区积水对 16-3 煤层充水影响 (Water-Filling Impact of Goaf Water in Coalseam 16-3up on Coalseam 16-3)

6.4 本章小结 (Brief Summary)

7 首采盘区煤层开采的水砂防控技术体系

7.1 防水安全煤岩柱 (Water-Proof Barrier Pillar Design)

7.2 含水层可疏性评价 (Drainability Evaluation of Sandy Conglomerate Aquifers)

7.3 疏放水效果分析 (Analysis of Water Drainage Result in South First Mining Panel)

7.4 首采盘区煤层开采的防治水方案 (Water Control Scheme in the First Mining Panel)

7.5 本章小结 (Brief Summary)

8 结论与展望

8.1 主要结论 (Main Conclusions)

8.2 展望 (Prospects)

参考文献

作者简历

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