近浅埋薄基岩煤层开采隔水层破坏机理研究

摘要

在我国的陕西榆林地区蕴含大量煤炭资源、煤层埋深较浅、赋存条件稳定，已经成为我国煤炭开发的重点区域，但伴随着煤层的开采将会破坏浅层含水层，进而引起地下含水层水位下降、泉水、湖泊干涸、川河基流量减小乃至断流，导致区域生态平衡破坏和地表生态环境恶化、沙漠扩展等一系列无法修复的严重环境问题。因此，薄基岩浅埋煤层的最大开发技术难点是怎样安全开采煤炭资源的同时最大限度的保护水资源，达到“保水开采”的目的。但是因薄基岩的厚度不同，导致导水裂隙带发育的高度也有所不同，因此分为典型浅埋煤层和近浅埋煤层。本文结合榆阳矿区主采煤层3煤来进行研究近浅埋煤层采动过后导水裂隙带发育高度。榆阳煤矿＃3号煤层工作面厚度在3.2～3.9m之间，煤层赋存于侏罗系中统延安组，埋藏深度约为157m左右，煤层倾角一般平均为0.5°～1°，煤层平均厚度3.5m，赋存较为稳定，结构简单。研究区内地质构造简单，水文地质条件中等，地面地势较为平坦，第四系风积沙层厚20m左右，具有较好的开采条件。但矿区紧邻毛乌素沙漠南缘，东部基本被沙漠滩地覆盖，西部地貌为半固定沙丘状，沙漠覆盖率达到70％以上。区域内降雨量稀少，地下水资源较为贫乏，生态环境非常脆弱，而浅部煤层开采会直接影响到含水层，不仅会直接造成矿井溃水危害，还会破坏可贵的水资源。因而，研究近浅埋煤层导水裂隙带发育的高度对保水开采的成败尤为重要。
　　论文在分析厚风积沙近浅埋薄基岩煤层开采时，采用理论分析判断关键层所在位置，并结合采动后岩层内部移动变形规律，建立出地表最大下沉量和覆岩导水裂隙带高度与覆岩拉伸变形量之间的定量关系，给出他们之间的定量关系，推导了岩层层向拉伸变形的计算公式，从而给出导水裂隙带高度理论预测的新方法。并结合实验室相似模拟实验以及计算机数值模拟软件分别确定了煤层开采后覆岩导水裂隙带发育高度，对比分析理论计算结果、模拟实验结果与数值模拟结果，三种不同方法所获得的结果基本一致，从而验证了理论计算结论的可靠性，研究成果为保水开采理论计算方法提供了新的方向。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 问题的提出

1．2 浅埋煤层国内外研究现状

1．2．1 近浅埋煤层的定义

1．2．2 国外研究现状

1．2．3 国内研究现状

1．3 研究的内容

1．4 研究的内容与方法

2 采动覆岩变形力学分析

2．1 榆阳矿区概况

2．1．1 矿区工程特征

2．1．2 矿区含、隔水层的工程地质特征分析

2．1．3 #3煤层顶板岩层物理力学特征分析

2．2 上覆岩层裂隙演化高度及破坏判据分析

2．2．1 顶板最大下沉值计算

2．2．2 岩体内部主要影响半径r(y)的确定

2．2．3 岩体内部水平移动系数b(y)的确定

2．2．4 岩体内部最大拉伸变形值ε(y)

2．2．5 导水裂隙带演化高度的判据确定

2．3 岩层变形计算

2．4 本章小结

3 上覆岩层破坏移动相似模拟

3．1 关健层理论判断覆岩破坏裂隙发育高度

3．1．1 关键层特征

3．1．2 关键层位置判定力学模型

3．1．3 判断关键层位置

3．1．4 运用关键层理论确定导水裂隙带高度

3．2 相似模拟实验设计方案

3．2．1 模拟实验目的

3．2．2 模拟实验情况简介

3．2．3 实验平台选取及开挖实施

3．3 垂直应力变化分析

3．4 岩层下沉移动规律

3．5 关键层破断运动分析

3．5．1 亚关键层破断运动

3．5．2 主关键层破断运动

3．6 工作面上覆岩层“三带’’发育规律

3．7 本章小结

4 覆岩采动位移的数值模拟

4．1 数值模拟方法及UDEC软件概述

4．1．1 数值模拟方法理论简介

4．1．2 UDEC软件介绍

4．1．3 UDEC屈服准则

4．2 模型建立、边界条件及参数设置

4．2．1 模型建立

4．2．2 边界条件

4．2．3 模型基本参数设定

4．2．4 测点设置

4．2．5 开挖设计

4．2．6 数值模拟目的

4．3 走向煤层开挖上覆岩层破断数值模拟结果分析

4．3．1 基岩位移变化分析

4．3．2 应力演化规律

4．3．3 走向模型裂隙发育规律

4．4 倾向模型煤层开挖上覆岩层破断数值模拟结果分析

4．4．1 应力分析

4．4．2 位移分析

4．4．3 裂隙发育研究

4．5 本章小结

5 主要结论与不足

5．1 主要结论

5．2 今后努力方向

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果