基于覆岩层状结构特征的开采沉陷分层传递原理及预计方法研究

Layered structure of overburden is a remarkable and important geological characteristic of coal occurrence. It not only affects the development of mining subsidence, and also determines the final shape of surface subsidence. Therefore, studying the law of layered structure impacting mining subsidence and applying it to prediction not only have important theoretical significance in enriching and deepening the research of geological factors impacting mining subsidence, but also have important practical significance for guiding the prevention and control of mining subsidence. Nowadays, the research is weak in this field so that deep understanding of the formation mechanism and the development process of mining subsidence is limited. And it also restricts the subsidence prediction method to a more scientific and accurate direction. Taking the Xiaobaodang mine field in Yushen coal mining area as study area, the project researches the laws of key characteristics of layered structure impacting mining subsidence, introduces the laws quantized in prediction model, and establishes a new prediction method based on transfer effects of the rocks (soil) by the research method of "drilling survey-analysis and evaluation of characteristics of rock—rock and soil mechanics analysis—numerical simulation—similar material simulation—mathematical modeling—empirical study". Not only do the research results further deepen understanding of the mechanism of mining subsidence, but also that could apply to the practical work, is expected to improve the accuracy and provide better technical support for prevention.

煤系覆岩的层状结构作为煤炭赋存的一个显著且重要的地质特点，不仅影响着开采沉陷的发展过程，也决定着沉陷后地表最终形态。因此，研究煤系覆岩层状结构对开采沉陷的影响规律，并将其应用于预计中，不仅在丰富和深化地质因素影响作用的研究方面具有重要理论意义，而且对于指导开采沉陷防控具有重要实践意义。由于目前这方面的研究比较薄弱，不仅限制了对开采沉陷形成机理和发展过程的深入理解，也制约了开采沉陷预计方法向更加科学、准确的方向发展。本项目以榆神矿区小保当井田为研究区，通过“钻孔调查—岩体特征分析与评价—岩土力学分析—数值模拟—相似材料模拟—数学建模—实例验证”的研究方法，探究煤系覆岩层状结构关键特征对开采沉陷的影响规律，并将其量化后引入预计模型，建立一种新的基于岩（土）层间传递效应的预计方法。研究成果不仅能进一步加深人们对开采沉陷机理的认识，还能应用到实际工作中，提高预计精度，为防治工作提供更好的技术支持。

煤系覆岩的层状结构作为煤炭赋存的一个显著且重要的地质特点，不仅影响着开采沉陷的发展过程，也决定着沉陷后地表最终形态。因此，研究煤系覆岩层状结构对开采沉陷的影响规律，并将其应用于预计中，不仅在丰富和深化地质因素影响作用的研究方面具有重要理论意义，而且对于指导开采沉陷防控具有重要实践意义。本项目以榆神矿区小保当井田为研究区，首先通过地质钻孔调查和典型特征分析，将研究区2-2主采煤层覆岩层状结构分为“全段细砂岩粉砂岩互层”、“上段细砂岩泥岩互层—下段细砂岩粉砂岩互层”、“上段细砂岩泥岩互层—下段细砂岩中砂岩互层”3大类型，并甄选出砂岩层数、砂泥比、砂岩平均厚度、岩土比作为2-2主采煤层覆岩层状结构关键特征。其次，以覆岩层状结构关键特征为变量，构建了3大类框架模型及180个子模型，运用岩体基本质量评价、结构力学、数值模拟实验和物理相似材料模拟实验等4种方法，研究并揭示了关键特征对开采沉陷的影响规律，并分别建立了单个关键特征与下沉系数的量化关系，为覆岩层状结构关键特征引入开采沉陷预计模型奠定基础。然后，针对煤炭赋存特点、岩土体性质差异等因素，提出了开采沉陷分层传递预计方法的基本思路和条件假设，以基于随机介质理论的“概率积分”模型为框架，融入基于连续介质理论的“砌体梁”下沉位移曲线模型，再结合经覆岩层状结构关键特征修正过的下沉系数，构建出下沉盆地主断面下沉预计模型和全结构模型，并以此为基础，建立了下沉盆地任意点地表移动与变形分层传递预计模型，包括倾斜、曲率、水平移动、水平变形、扭曲变形和剪切变形。最后，以研究区内典型煤矿为实例，检验基于覆岩层状结构特征的开采沉陷分层传递预计模型的可靠性和准确性，其结果表明：该模型不仅具有较高的精度（平均误差率一般在15%左右，最小误差率可达1%以下），而且相对于概率积分法模型，在下沉盆地走向主断面边界预计精度可明显提高。