榆神中深厚煤层采动裂隙演化与顶板涌水规律实验研究

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榆神矿区侏罗纪煤田高强度开采诱发上覆基岩含水层结构破坏,导致地下水沿采动导水裂隙涌入工作面,严重威胁矿井安全生产。精确掌握工作面上行导水裂隙发育高度,研究基岩含水层结构破坏、顶板含水层渗流充水模式及涌水规律,是保障矿井安全生产的首要工作。以榆神矿区曹家滩煤矿为例,采用工程地质调查、物理模拟实验、数值计算及理论分析综合方法,开展了中深厚煤层采动裂隙演化与顶板涌水规律实验研究,研究得到主要结论如下:(1)根据榆神矿区2-2煤层工程地质与开采技术条件,选取煤层埋深、覆岩结构、开采方式、采高、工作面斜长等5个因素作为导水裂隙带的主要影响因素,运用麻雀优化算法(SSA)对原始ELMAN神经网络的权值和阈值进行优化,建立SSA-ELMAN导水裂隙带高度预测模型;经预测,曹家滩煤矿122106大采高工作面导水裂隙高度为151m,裂采比为25.18。(2)中深厚煤层工作面一次采高较大,随工作面推进,导水裂隙带高度非线性升高,顶板涌水规律具有明显的阶段性特征。非充分采动前,导水裂隙仅在延安组内部发育,进入采动影响范围内的延安组孔隙裂隙含水层为主要涌水来源,以顶板淋水的形式进入工作面;当工作面推进至156m左右时,导水裂隙发育高度线性突增;开采达到充分采动后,导水裂隙发育至直罗组孔隙裂隙含水层且在采场沿采空区边界形成主要导水通道;直罗组孔隙裂隙含水层和进入采动影响范围内的延安组孔隙裂隙含水层是工作面涌水来源,沿工作面周围主要导水通道渗流涌入工作面,导致工作面涌水量大幅度增加。(3)中深厚煤层大采高工作面数值模拟结果表明:非充分采动阶段,导水裂隙仅在延安组岩层内发育,顶板含水层渗流方式主要以延安组孔隙裂隙含水层向采空区的侧向渗流为主;达到充分采动后,导水裂隙发育高度稳定在150~155m范围,顶板含水层渗流方式主要以延安组、直罗组孔隙裂隙含水层向采空区的侧向渗流为主,以风化基岩裂隙含水层向采空区垂向渗流为辅,基本形成了基岩含水层侧向渗流和垂向渗流相结合的复合涌水模式。(4)以中深厚煤层大采高工作面顶板复合涌水模式为基础,根据地下水运动理论,建立井壁进水的井流模式和顶部垂向补给模式的数学模型,结合厚煤层开采条件,综合预测得到122106大采高工作面涌水量为356m3/h,工作面最大涌水量为445m3/h,为曹家滩煤矿顶板含水层超前疏放、涌水量精确预计及水害防控提供参考。
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