黔北山区煤矿采动水害机理及防控技术研究

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贵州省是我国西南地区最大的煤炭储存及产煤省区,素有“西南煤海”之称,黔北煤田是贵州省主要产煤区之一,探明地质储量达151亿t。由于黔北煤田地处黔西高原向黔中山原过渡的斜坡地带,地表高程变化大,最大相对高差达1614m,属典型的山区地貌。近些年,黔北煤田范围内矿井水害事故时有发生,研究山区煤矿采动水害机理及防治技术,对黔北煤田水害防治具有重要意义。本文以黔北煤田小屯矿、青龙矿为靶区,在分析其地质条件特征的基础上,采用理论分析、现场探测、相似模拟、室内试验、微观分析及数值仿真等多种方法手段,对西南山区煤矿开采覆岩导水裂隙带发育规律进行了深入研究,测试分析了关键隔水岩层不同采动损伤及采后应力恢复蠕变渗透性变化规律,进行了大气降水及岩溶水影响下的水害评价及矿井涌水量预计,提出了山区煤矿开采水害防治技术方法。取得如下成果:(1)建立了黔北煤田、青龙及小屯矿16煤顶板地层、地表地形三维空间模型,分析了黔北煤田、青龙及小屯井田地形地貌及地质条件特征;进行了研究区受山体影响煤矿开采导水裂隙带发育高度原位探查,得到了研究区16煤开采裂采比约17.1~20.56。(2)以工作面开采导水裂隙带高度实测资料为基础,利用相似材料模拟、FLAC3D数值模拟,分析了不同影响因素(地形起伏度、采厚、煤岩层倾角)对山区煤矿开采导水裂隙带发育高度的影响;揭示了山区煤矿开采覆岩变形破坏特征规律;建立了适用于山区煤矿开采情况下的地表起伏度、采厚、煤岩层倾角对导高影响的拟合公式。(3)基于微观结构测试及全应力应变渗透试验,分析了煤层覆岩不同岩性隔水层(泥岩、泥灰岩、砂泥岩)天然结构特征及采动损伤渗透性变化规律,结果表明:沙堡湾段泥岩天然隔水性较好,九级滩泥灰岩次之;受采动影响后,不同岩性隔水层的渗透性均出现不同程度增加,且砂泥岩的渗透性变化幅度最大。(4)基于采动损伤关键隔水层三轴蠕变渗透性试验,分析了不同采动损伤程度、不同岩性隔水层(泥岩、砂泥岩、泥灰岩)采后应力恢复过程中蠕变渗透性演化规律,结果表明:同种岩性隔水层采动损伤程度越小,采后应力恢复过程中,瞬时变形越大,渗透性恢复程度越大;相同采动损伤程度下,泥岩随采后应力恢复其渗透性恢复程度最大。(5)分析了山区煤矿开采顶板水害特征,定量分析了降雨对岩溶充水矿井涌水量的影响,提出了降水入渗系数法与传统涌水量预计相结合的矿井涌水量预计方法;建立了受大气降水威胁山区煤矿地表、地下综合水害防治技术体系。该论文有图71幅,表34个,参考文献201篇。
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