贵州省发耳煤矿采动斜坡变形的多层开采效应研究

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我国煤矿开采已有百年历史,随着对煤炭需要量的不断增加,多煤层开采现象越来越普遍,同时我国西南山区广泛分布缓倾坡内的含煤地层斜坡,斜坡地形高陡临空且上陡下缓,结构面发育,具有“软硬互层”的坡体结构。斜坡下部长期存在地下开采活动,且大都是多层开采,多层开采扰动再加上这种特殊的地质环境,导致覆岩运动规律、地表变形规律和斜坡变形破坏机制及其复杂。因此分析研究这种特殊地质条件下采动斜坡变形的多层开采效应具有重要意义。发耳煤矿位于贵州省六盘水市,属于中低山地貌,由于受构造侵蚀强烈,导致发耳地形叠宕起伏,区域地形南西高北东低,出露岩层为飞仙关组砂岩、泥岩及龙潭组砂岩,斜坡总体的特征为软硬互层,斜坡岩体完整性较差,结构面发育,岩体结构较复杂。区内开采历史悠久,从2006年开采至今,目前已开采了M1、M3、M5-2、M5-3、M7、M10号6层煤,在多煤层开采作用下,尖山营变形体已发生变形多年,但至今未发生整体破坏。因此本文以贵州省发耳煤矿尖山营变形体为研究对象,通过收集矿山资料、野外勘察和物探等手段,查明了尖山营变形体的坡体结构、采空区分布特征和变形破坏特征,采用物理模拟和理论分析结合方法,分析多层开采下斜坡应力场变化规律、位移场变化规律、上覆岩层运移规律和地表动态移动变形规律。在此基础上分析斜坡的变形破坏机制,得出开采煤层厚度与坡表变形量之间的变化关系。取得的研究成果如下:(1)查明了尖山营变形体的基本特征及发耳煤矿在不同时期的开采情况及采空区分布特征。研究区山体总体呈倾向北西的“V”字形,在北东侧陡坎斜坡呈平缓反倾坡内的层状结构,出露岩层为飞仙关组砂岩、泥岩及龙潭组砂岩,斜坡总体的特征为软硬互层,上陡下缓。(2)建立了尖山营变形体的物理模型。根据室内岩石力学试验,得到了尖山营变形体各岩层的力学参数,通过野外调查结果,重点考虑斜坡结构发育特征,结构面发育特征和煤层开采特征,得到尖山营变形体的地质概念模型,根据概念模型建立相似比为1:1000的物理模型,同时进行相似材料配比试验,通过正交方法得到相似材料的最优配比。(3)采用相似模型试验分析多层采动斜坡的应力变化特征,坡体变形变化和裂缝的扩展过程。分析总结出上覆岩层运移规律,地表移动规律,分析得出开采厚度与地表位移量关系曲线拟合公式,对多层开采斜坡变形破坏规律有了进一步认识。(4)通过物理模拟试验结果以及前人所做研究,得到上覆岩层动态移动变形过程,主要分为以下四个阶段:离层阶段、裂隙发展阶段、断裂阶段、冒落阶段,在整个覆岩移动过程中,这四种岩体破坏阶段是一个连续的周期性的动态演化过程。(5)综合实际野外勘察、室内物理模拟试验以及前人的研究成果,系统全面的分析了尖山营变形体的变形破坏机制,可将其演化过程分为以下四个阶段:“开采扰动-弯曲拉裂→多层开采-坡顶拉裂→变形加剧阶段→坡表塌陷”。
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