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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。