榆神府矿区长壁间歇式推进保水开采技术基础研究

摘要

榆神府浅埋煤层十多年来的研究和实践表明，房柱式开采造成煤炭资源的巨大浪费，综合机械化开采引起地表潜水水位下降而使植被枯死，最终导致生态环境质量彻底恶化。因此，要促进矿区的开发与区域经济的持续健康发展，实现绿色采矿技术，只有保持地下潜水水位不降低。而采用一种既能实现矿区水资源保护，又能充分开采煤炭资源的开采方法是实现保水采煤的关键性问题。本论文基于流固耦合作用和岩层控制的学术思想，通过理论研究、相似材料模拟实验、数值分析及现场工程类比和应用，系统研究了浅埋煤层开采过程中水岩破坏的相互耦合作用、主关键层或组合关键层对岩层运动和导水裂隙发展规律的影响、长壁间歇式推进的合理推进距离和煤柱的稳定性等内容，提出了适合于中小型煤矿的长壁间歇式推进保水开采方法。 研制了以石蜡为胶凝剂的流固两相相似模拟实验材料，完善了流固耦合相似模拟实验平台的应力、位移、渗流测试系统及测试技术。实验材料的弹性力学参数与渗流力学参数与原型相似，并具有良好的非亲水性能，满足两相相似模拟实验要求。该实验材料的研制和实验技术的完善突破了传统的单一固体相似模拟，为地下保水开采相似材料模拟实验取得了突破性进展，也为以后研究渗流场与应力场的耦合作用开辟了新的途径。 通过不同地质条件下的流固耦合相似材料模拟实验，提出了影响浅埋煤层长壁间歇式推进保水开采的四个主要因素，即主关键层或组合关键层层位、煤层采高、极限破断距和潜水渗流特征。层位越高、极限破断距越大，工作面的保水推进距离越大；煤层采高越小，主关键层或组合关键层越容易进入弯曲下沉带，进入弯曲下沉带的条件是kc≥11；围岩中潜水渗流活动越明显，顶板流固耦合损伤越严重，隔水保护层越不稳定。 建立了采场覆岩等效连续介质渗流场和应力场的流固耦合方程，分析了岩体位移场和水头变化之间的定量关系，即{R}[B]{△δ}e=nγ/Ew△H；对原型条件下的岩石试件和采场覆岩破坏的流固耦合作用的数值模拟表明，有水作用下与无水作用下相比，试件的抗压强度减小了12％，采场覆岩整体垮落时工作面的推进距离减小了10.7％。 探讨了地面厚松散层浅埋煤层中组合关键层的形成机理，以及覆岩的属性和空间配置对组合效应的影响；在考虑开采过程中流固耦合损伤积累的基础上，提出了组合关键层的流固耦合损伤变量因子φ，φ=ηnqz(2n2+3n+1)/12h2z，在考虑组合效应、流固耦合损伤以及采高影响时，进行了组合关键层破断距公式的修正；确定了长壁间歇式推进保水开采工作面合理推进距离的计算公式。 分析了间歇隔离煤柱和临时煤柱的稳定性，提出了在2m采高沙土基型浅埋煤层中采用间歇临时煤柱保水开采的新思路。现场工程类比和应用进一步证明了长壁间歇式推进开采方法和参数的正确性。表明本论文研究的理论和结果与实际开采一致，取得了良好的保水效果。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号索引表

1绪论

1.1论文研究的背景

1.1.1水资源破坏导致矿区生态环境恶化

1.1.2渗流场影响岩体工程的稳定

1.2论文研究目的和意义

1.3国内外研究现状及存在的问题

1.3.1浅埋煤层矿压规律研究

1.3.2浅埋煤层保水开采研究

1.3.3岩体工程中的流固耦合作用

1.4研究内容与方法

2榆神府矿区保水开采地质条件分析

2.1矿区地质概况及煤层赋存特征

2.1.1矿区地质概况

2.1.2煤层赋存特征

2.2矿区地质特征分类

2.2.1地质特征分类方法

2.2.2潜水采煤区地质特征分类

2.3潜水采煤区地质特征

2.3.1沙基型潜水采煤区地质特征

2.3.2沙土基型潜水采煤区地质特征

2.4矿区岩土层物理力学性质及开采现状

2.4.1矿区岩层物理力学性质

2.4.2 矿区粘土层物理力学性质

2.4.3矿区采煤方法现状

2.5小结

3流固耦合相似模拟准则与实验技术

3.1相似模拟实验的发展及流固耦合相似准则

3.1.1相似模拟实验的发展

3.1.2流固耦合相似准则

3.2流固耦合相似模拟实验材料的研制

3.2.1流固耦合相似模拟实验材料研究现状

3.2.2实验材料选取及试件制作

3.2.3实验材料的力学试验

3.2.4不同材料的耦合比

3.3流固耦合模拟实验设备及测试技术

3.3.1流固耦合模拟实验台

3.3.2应力及位移测试系统

3.3.3渗流观测系统

3.4实验材料可靠性验证

3.5小结

4浅埋煤层开采流固耦合相似材料模拟实验研究

4.1主关键层位于弯曲下沉带中的实验

4.1.1实验工作面地质条件

4.1.2实验及结果分析

4.1.3实验结果与实测对比

4.2主关键层位于裂隙带中的实验

4.2.1实验工作面地质条件

4.2.2实验及结果分析

4.2.3实验结果与实测对比

4.2.4主关键层层位对裂隙带发展的影响

4.3 1203工作面组合关键层条件下的实验

4.3.1实验工作面地质条件

4.3.2实验及结果分析

4.4 203工作面组合关键层条件下的实验

4.4.1实验工作面地质条件

4.4.2实验一及结果分析

4.4.3实验结果与实测对比

4.4.4实验二模拟设计

4.4.5实验二及结果分析

4.5河流下开采的流固耦合实验

4.5.1实验工作面地质条件

4.5.2实验及结果分析

4.6实验中长壁间歇式推进的合理距离

4.7小结

5采场覆岩破坏的流固耦合理论分析与数值模拟

5.1岩体介质中的渗流场

5.1.1非稳定渗流的连续性方程

5.1.2渗流方程求解的基本条件

5.1.3渗流场对应力场的影响

5.2岩体介质中的应力场

5.2.1岩体应力场的基本方程

5.2.2应力场对渗流场的影响

5.2.3应力场的有限元方程

5.3岩体中渗流场与应力场的流固耦合模型

5.4采场覆岩中流固耦合的数值模拟

5.4.1岩石试件破坏的流固耦合模拟

5.4.2覆岩破坏的流固耦合模拟

5.5小结

6浅埋煤层中的组合关键层理论及其保水开采应用

6.1老顶岩梁的力学模型及关键层理论

6.1.1老顶岩梁力学模型

6.1.2岩层控制的关键层理论

6.2厚松散层覆盖浅埋煤层中的组合关键层

6.2.1组合关键层定义及判别

6.2.2组合关键层的形成机理

6.2.3组合关键层相关参数计算

6.3组合关键层的流固耦合损伤

6.3.1开采过程中顶板流固耦合损伤特点

6.3.2流固耦合对组合关键层极限跨距的影响

6.4采高对组合关键层稳定性的影响

6.4.1采高对组合关键层破断距的影响

6.4.2采高对导水裂隙发育的影响

6.5采高及推进距离对隔水土层的影响

6.5.1隔水土层的破坏机理

6.5.2隔水土层保持完整隔水性能的判据

6.5.3采高对隔水层再生性能的影响

6.6组合关键层实例分析

6.6.1组合关键层的判别

6.6.2组合关键层的极限跨距

6.7长壁间歇式推进工作面的合理推进距离

6.8小结

7隔离煤柱与临时煤柱的稳定性分析

7.1煤柱的设计及稳定性判据

7.1.1煤柱的设计

7.1.2煤柱稳定性判据

7.2煤柱稳定性的实验研究

7.2.1 临时煤柱的稳定性

7.2.2隔离煤柱的稳定性

7.2.3区段煤柱的稳定性

7.3煤柱稳定性的理论分析

7.3.1煤柱稳定性的判别方法

7.3.2煤柱屈服区宽度理论

7.3.3连续梁上煤柱载荷计算

7.4小结

8工程类比和应用

8.1沙基型地质条件下的旺格维利采煤法

8.1.1 52102工作面开采条件

8.1.2旺格维利保水开采的理论参数

8.1.3工作面实际开采参数

8.2沙土基型地质条件下的长壁间歇式推进

8.2.1 20109工作面开采条件

8.2.2长壁间歇式推进保水的理论参数

8.2.3工作面实际开采参数

8.3小结

9结论

致 谢

参考文献

附 录