浅埋煤层采场覆岩破坏及地表移动规律研究

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神府-东胜煤田作为世界第七大煤田,其储量约占全国探明储量的三分之一,它的建设开发将为国家“一带一路”战略奠定良好的能源基础。大量开采实践表明,作为典型的浅埋煤层赋存地区,回采过程中由于矿压显现剧烈,顶板灾害时有发生;同时开采引起岩层和地表移动,造成地表塌陷,加剧了地表水土流失和荒漠化。鉴此,开展浅埋煤层采场覆岩结构破坏机理的研究,建立合理的浅埋煤层矿区地表沉陷模型和预测理论,是目前亟待解决的重要课题。本文以神府-东胜煤田南部矿区回采工作面引起的岩层移动和地表沉陷为主要研究对象,采用现场观测、理论分析、数学建模、实测验证等方法,对浅埋煤层采场覆岩破坏及地表移动规律进行了研究,主要研究内容和结论如下:(1)基于弹性薄板理论,根据采场初次来压和周期来压边界条件,建立了不同边界条件下顶板力学模型;分析了顶板断裂前后采场老顶变形和力学特征,提出了采场老顶初次来压和周期来压步距预测公式,对影响采场顶板初次来压步距的因素进行了参数分析。根据不同工作面矿山压力实测数据,对理论计算值和现场实测值的对比分析,验证了模型的可靠性和适用性;(2)根据工作面回采后期超前支承压力对回撤通道围岩应力分布影响特征,对末采阶段概念进行了定义;基于老顶、直接顶协调变形机理,建立了末采阶段直接顶力学模型,给出了末采阶段采场顶板来压计算公式;分析了末采阶段老顶周期来压步距与直接顶参数之间的函数关系;(3)根据末采阶段采场超前支承压力动态分布特征,分析了回撤通道受工作面超前支承压力的影响过程,确定了回撤通道受动采影响的起始距离,定量给出了末采阶段范围;(4)通过张家峁煤矿15201工作面矿压监测,分析了工作面回采过程中支架初撑力、末阻力的动态变化过程和分布特征,对采场支架支护特性进行了分析评价,得到了浅埋煤层采场矿压显现的基本规律;(5)根据三维弹性薄板地表沉降模型,推导了地下开挖引起的地表移动预测公式;基于Schnute时间函数建立了动态地表沉陷预测模型;分析了不同速度、不同时间下地表下沉的特征和规律。
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