溶洞地貌下浅埋煤层开采覆岩破断规律研究

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西南地区矿区浅埋煤层较多且溶洞地貌发育,从而形成了溶洞地貌下浅埋煤层开采的特点,致使采煤工作面推进时覆岩破断规律异常,给矿井生产带来了一定的影响。为深入认识到溶洞地貌下浅埋煤层开采过程中的覆岩破断规律,本文以西南地区某矿为工程背景,综合运用现场调研、理论分析、数值模拟及相似模拟等多种研究手段,针对该矿溶洞地貌下浅埋煤层开采过程中工作面来压规律、覆岩破断运移规律及溶洞失稳变形过程等主要内容进行深入研究,探讨了溶洞与覆岩之间的相互影响关系,并与常规浅埋煤层开采进行对比,初步分析了溶洞地貌下浅埋煤层开采覆岩破断规律异常的原因,最后提出了溶洞地貌下浅埋煤层开采安全保障技术,研究结果可为类似地貌条件下煤层开采提供一定的理论基础和参考依据。主要研究结果如下:(1)分析了本文所研究溶洞的类型及塌陷情况,构建了采动作用下“覆岩-溶洞”分析模型,利用弹性力学中固支梁、简支梁及悬臂梁模型,建立了溶洞地貌下浅埋煤层开采期间基本顶初次及周期破断力学分析模型,推导了工作面推进期间基本顶初次及周期破断步距公式,计算得到了基本顶初次及周期破断步距,分析了基本顶各项参数对基本顶初次及周期破断步距的影响。(2)建立了溶洞地貌下浅埋煤层开采数值分析模型及物理分析模型,揭示了溶洞地貌下浅埋煤层开采溶洞失稳变形的全过程,观察了在开采扰动下溶洞形态变化和裂隙发育规律,得到了溶洞及其周围岩层的破断运动特征,探究了溶洞裂隙与覆岩裂隙之间的相互作用关系。(3)建立了溶洞地貌下浅埋煤层开采数值分析模型及物理分析模型,反演了溶洞地貌下浅埋煤层开采覆岩破断运动的全过程,研究了开采扰动对顶板及上覆岩层的影响,得到了工作面初次及周期来压步距和覆岩“三带”发育高度,获悉溶洞地貌下浅埋煤层开采时工作面会经过溶洞影响区,推算出溶洞影响区的大致范围,并与常规浅埋煤层开采进行对比,获得了工作面过溶洞影响区时覆岩破断规律的主要显著特征。(4)结合溶洞地貌下浅埋煤层开采覆岩破断运动和溶洞失稳变形的全过程,初步探讨了溶洞地貌下浅埋煤层开采覆岩破断规律异常的原因和溶洞失稳变形的机理。(5)基于溶洞地貌下浅埋煤层开采覆岩破断规律,并结合现有的技术手段,综合考虑多方面因素,提出了溶洞地貌下浅埋煤层开采过溶洞影响区安全保障技术,可为类似条件煤矿的安全保障技术设计提供一定的理论依据。
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