大倾角煤层群采动覆岩愈合阻水特性研究

It is found in a research on steeply dipping seam that the top crack overlying strata closes up and stops water to some extent with increase of mining depth, and water-stop strata are just the bearing structure formed newly by broken overlying strata. This research task intends to verify that by transforming coal seam groups, the formed-newly bearing structure is just the waterstop belt closed up by the broken overlying strata with mining in the steeply dipping coal seam group. The physical mechanical parameters of coal bed are inverted in similar materials and resistivity response tests. On the basis of that, the fractal dimensions were calculated by numerical simulation for the overlying strata fracture under influences of factors such as coal bed angle, fault and coal bed combination as well as raininess and rainwater duration, and the dynamic relation between fracture fractal dimensions and rainwater seepage was explored, so as to evaluate the waterstop effect of overlying strata close-up. On the basis of previous broken overlying strata bearing structure theory on coal bed, the task intends to establish a dynamic relation expression of fractal dimension, pore water pressure, and mining depth and seepage discharge of the overlying strata fracture, calculate the minimum mining depth required for waterstop role of the overlying strata, and provide the theory basis for the onsite water damage control.

通过对某大倾角煤层的研究发现，随着开采深度的增加，上部破裂覆岩愈合起到了一定的阻水作用，且阻水岩层恰为破碎覆岩重新形成的承载结构。本课题拟通过变换煤层群角度的方法验证大倾角煤层群开采其破碎覆岩重新形成的承载结构即为破碎覆岩愈合阻水带。通过相似材料试验以及电阻率响应试验反演煤岩层物理力学参数，在此基础上采用数值模拟计算方法计算煤层倾角、断层、煤岩层组合以及雨强、雨水持续时间多个因素影响下的覆岩裂隙分形维数，探讨裂隙分形维数与雨水渗流之间的动态关系，进而可评价不同因素影响下的覆岩愈合阻水效果。在已有的完善煤层破碎覆岩承载结构理论基础上，建立覆岩裂隙分形维数、孔隙水压力、采深与渗流量之间的动态关系式，可计算出覆岩起到愈合阻水作用所需的最小采深，为现场水害治理提供理论依据。

以大倾角煤层综放开采工作面为研究对象，结合现场工作面涌水量监测结果、相似材料试验结果以及综放开采大倾角煤层沿倾斜方向老顶稳定结构的计算，验证了老顶稳定结构同时起到了一定程度的阻水作用。在大倾角煤层沿倾斜方向老顶稳定结构计算公式的基础上，推导了老顶稳定结构起到阻水作用所需的最小埋深计算公式，公式中的参数可由现场监测或相似材料模拟实验获得。老顶结构的阻水效果受到煤层倾角、地质条件、水流等多因素的影响，其中采动覆岩空洞以及贯穿地表的采动裂隙是影响老顶结构阻水效果的最关键影响因素，当采动覆岩无大尺寸空洞时，工作面涌水量主要受到裂隙闭合率的影响，即老顶结构的阻水机理为采动裂隙重新堆积压密所致。.依据试验和数值计算结果，采动裂隙的发展分为两阶段，从开采初始到中间阶段，采动岩体以离层裂隙为主，离层裂隙的高度随开采深度（开采阶段）的增加而增加；当开采到一定埋深后即由中间阶段进入后期阶段，离层裂隙的高度基本保持恒定，部分采动裂隙重新堆积压密，离层裂隙区域上部的竖向裂隙快速扩展，直至贯穿地表，形成错断式裂缝和塌陷坑，为地表水入渗提供了通道。采用分形方法以及逾渗概率方法定量描述了采动裂隙的发展规律，当采深小于400m时，采动裂隙的分形维数以及逾渗概率均随采深的增加而增加，其中分形维数呈线性关系，逾渗概率呈抛物线关系，裂隙闭合率则呈先增加后稳定的变化趋势，说明了裂隙闭合是老顶结构阻水的主要原因，但阻水效果不会无限增加。.在实际工程中，预估老顶结构在设计采深范围内能否形成稳定结构以及是否具有阻水作用，对工作面的安全开采、巷道的最佳支护以及排水措施的设计具有重要的指导作用。值得注意的是，当工作面上方采动覆岩存在较大空洞时，地表水极易倒灌井下，老顶稳定结构的阻水作用可忽略不计，需采取必要的排水措施。