浅埋近距离下组煤层开采理论及重复采动下突水预控研究

This subject is aimed on a series of mining problems on the contiguous lower seam mining in the shallow coal seam, such as: the lack theoretical study of the shallow coal seam mining and the contiguous lower seam mining, the abnormal development of the water flowing fractured zone due to the contiguous lower seam mining, the direct connection between the gob and the upper aquifer, and the collapse of the mine water inrush, etc. The strata overburden movement, the mining stress field and the fractured zone development have been proposed by using borehole extensometer, micro-water field measurement, and the three-dimensional simulation, numerical simulation and theoretical analysis. The coupling relation between the tectonic stress field, the stress field of mining and groundwater seepage field have been studied in this subject. The establishment of the mined rock structure and groundwater migration relationship model is also built in the study. It is revealed the the whole destruction process for the aquifer under the multi-field coupling. The water-inrush prevention methods is presented by studying the multi-disturbed overburden strata. It has been provided a theoretical basis and guidance for the shallow seam and the contiguous lower seam mining. It is an important innovation in the field of coal mining disciplines.

本项目是针对我国浅埋近距离下组煤开采理论研究薄弱，以及采空区下煤层开采复合应力场作用导致导水裂隙带的异常发育，容易贯通上部老空水以及覆岩中裂隙闭合后的中高位含水层，引起矿井突水溃沙等一系列采动损害等问题，进行浅埋近距离下组煤层开采的基础理论研究。通过运用地面钻孔伸长仪与微水现场实测，及进行三维相似模拟试验、数值模拟计算、理论分析等，深入系统的研究浅埋近距离下组煤开采顶板及覆岩移动规律、采动应力场和裂隙场的动态变化；研究对下组煤层进行重复采动的过程中围岩应力场、采动应力场和地下水渗流场之间的水岩耦合损伤关系，建立采动岩体结构与地下水运移关系模型，揭示多场耦合作用下中高位含水层破坏的全过程。为寻求水岩耦合损伤作用下下组煤层重复采动诱发矿井突水灾害的控制和防治方法提供理论依据。并为实现浅埋近距离下组煤层开采提供理论基础与指导，同时也是煤矿开采学科领域的重要创新。

项目按照分年度研究计划，严格按照申请书所列内容进行，没有进行调整。本项目是针对我国浅埋近距离下组煤开采理论研究薄弱，以及采空区下煤层开采复合应力场作用导致导水裂隙带的异常发育，容易贯通上部老空水以及覆岩中裂隙闭合后的中高位含水层，引起矿井突水溃沙等一系列采动损害等问题，进行浅埋近距离下组煤层开采的基础理论研究。主要研究内容包括四个方面：（1）浅埋煤层开采覆岩移动结构定量判据研究；（2）浅埋条件近距离煤层重复采动定量判据研究；（3）浅埋近距离下组煤层开采顶板及覆岩移动规律；（4）下组煤重复采动下矿井突水预控研究。项目研究期间取得了一定研究成果：运用了新型研制的地面钻孔伸长仪，每个钻孔根据覆岩岩层性质安装不同倒爪位移计，通过地表太阳能供电数据收集器，全天候智能监测现场测定下组煤层开采前后覆岩移动结构；综合考虑覆岩厚度、上下煤层间距以及煤层采高等因素，根据下组煤开采对原有覆岩裂隙的影响程度，将多煤层开采覆岩顶板结构分为三类；通过覆岩岩体破断理论模型，对比岩梁的最大挠度和其下部自由空间，建立浅埋多煤层重复采动覆岩导水裂隙带结构发育高度理论模型；建立了浅埋条件近距离煤层重复采动定量判据理论模型；通过分析上覆残留煤柱稳定性、岩层应力传递以及下组煤顶板支承压力分布规律，建立了下组煤开采“煤柱弹性体多支撑破断块体结构模型”，得出了“支架-围岩”关系表达式。在理论上分析和完善了浅埋多煤层重复覆岩移动理论。针对研究内容四建立采动岩体结构与地下水运移关系模型，揭示水岩耦合损伤作用下煤、岩体的变形和中高位含水层破坏的全过程。研究成果不仅极大地丰富了浅埋近距离煤层开采理论，而且对于浅埋近距离煤层开采顶板控制以及矿井水害防治具有重要的指导意义。