浅埋近距离厚煤层群开采覆岩运动规律研究

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论文以神东矿区补连塔矿近距离煤层群开采为主要研究对象,采用理论分析、计算机数值模拟、室内立体三维相似材料模型试验等方法,对近距离煤层群开采上覆岩层结构的运移特征、裂隙分布随推进距离的变化、采场应力分布及演化规律以及重复采动引起的裂隙与地表贯通情况进行了研究,主要获得以下结论:(1)近距离煤层群煤层之间覆岩结构模型及失稳条件1)根据实际地质分布状况,将近距离煤层群层间覆岩结构分为:煤层之间无亚关键层和煤层之间存在亚关键层两类。当煤层间存在亚关键层时,亚关键层破断后采场上覆岩层将以“砌体梁”结构或“台阶岩梁”结构形式存在。2)建立亚关键层断裂后关键块的力学模型,得出亚关键层断裂后以“砌体梁”结构或“台阶岩梁”结构形式产生的前提。(2)近距离煤层群开采的FLAC3D数值模拟实验研究1)近距离煤层群开采覆岩结构运动特征随着工作面推进距离增加,采空区上覆岩层塑性区的分布范围逐渐扩大。上煤层(1-2煤层)开采过程中,煤层底板发生了卸压破坏,采空区底板岩层塑性区在推进到一定距离后底板破坏深度不再增加,只是随着工作面推进,底板塑性区的走向边界随之向前推移。处于塑性区破坏状态的上覆岩层,采动裂隙较为发育,裂隙带直至关键层下方,关键层未遭到破坏。上煤层(1-2煤层)开采后,在下煤层(2-2煤层)前期开采过程中,2-2煤层顶板岩层塑性区范围大小几乎没有变化。沿工作面推进方向上底板塑性区随着工作面的推进变化较小,在2-2煤层底板一定深度内塑性区几乎没有,这是由于上煤层开采后,上煤层底板应力得到释放,因此,在2-2煤层开采过程中顶板塑性区发育范围较小。当2-2煤层推进至300m时,下煤层顶底板接底,在煤层开切眼和终采线附近塑性区较为发育。上覆岩层塑性区高度继续增加,达到模型顶部,塑性区发育高度达到200m。2)近距离厚煤层群开采应力分布规律1-2煤层开采后,2-2煤层工作面位于1-2煤层采空区下,围岩应力演化规律与1-2煤层开采时存在较大不同。下煤层开采过程中,2-2煤层采场应力分布受到1-2煤层开采后采空区底板卸压以及停采线附近应力集中的影响。随着2-2煤层工作面的推进,上覆岩层垮落并充填采空区,采空区中部逐渐压实并形成新的重新压力区,2-2煤层工作面前方形成新的支撑压力区。(3)近距离煤层群开采立体相似材料模型模拟试验研究1)2-2煤层开采过程中,直接顶初次垮落步距小于1-2煤层开采。上煤层开采时直接顶初次垮落步距约为40m,而下煤层约为30m。2)由于此地质条件为浅埋藏近距离煤层,在重复采动影响下,覆岩裂隙延伸至模型顶部,采场覆岩只存在冒落带和裂隙带,不会形成弯曲下沉带,并在模型顶部平面形成“椭圆形”裂隙区。裂隙区范围内岩层出现台阶下沉,台阶高度在10cm-13cm间。从裂隙分布特征可以看出,裂隙区内表现出非对称性,主要表现为采空区中部裂隙较为发育,裂隙密集且裂隙宽度较小,而对于四周的裂隙,裂隙宽度较大,裂隙分布稀疏。3)在2-2煤层开采过程中,2-2煤层采空区前方支承压力范围及峰值都在不断扩大。但是,受1-2煤层开采后,底板产生卸压,1-2煤层的下伏岩层处于应力降低区,因此,在下煤层开采时,采空区前方应力峰值小于开采相同距离时的上煤层工作面前方的应力峰值。但作面在停采线煤壁处的支承应力峰值会迅速上升。
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