浅埋煤层覆岩移动规律的相似模拟研究

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煤炭工业是我国国民经济的支柱产业,煤炭是我国的主要能源,在我国一次能源消耗中占60%以上,而且在未来几十年内,我国以煤炭为主的能源结构不会改变。但是随着大量的煤炭资源从地下采出,各种灾害也随之而来,造成人员伤亡、财产损失以及环境破坏等。  虽然在采矿界对采动岩体灾害已有多年的研究积累,对覆岩移动研究方面也取得了一些令人瞩目的成果,但我国对于开采沉陷理论与实践研究的重点区域,主要集中在中东部平原矿区和薄松散层矿区,该地区生态自修复能力强。而对于西部生态脆弱区的煤矿开采覆岩移动的研究则很少涉及。  本文以石圪台浅埋煤层为研究背景,采用理论分析、数值模拟和相似模拟的方法对西部地区浅埋煤层开采覆岩的移动规律进行研究。  首先,通过理论分析获得顶板断裂结构形态,并对结构的稳定性进行分析,得出结构滑落失稳的条件。通过对关键层的分析可知,石圪台浅埋煤层中只存在单一关键层,因此当关键层发生破断时,覆岩破坏移动很剧烈,表现为剧烈的来压现象。  其次,通过数值模拟,分析了关键层不同位置以及工作面宽度对覆岩移动的影响。研究表明,低位置关键层的覆岩的破坏、裂隙的发育均比高位置关键层要大,其来压也比较剧烈。对于关键层距离煤层顶板较近的浅埋煤层,其冒落带的高度取决于关键层的高度,即关键层位置越高其垮落带越高;工作面宽度在300m以下时,地表下沉量受工作面宽度的影响较大,当工作面宽度达到300m及以上时,地表下沉量受工作面宽度的影响较小。  最后,通过相似模拟,可以直观的看到裂隙发育萌发、扩展和贯通整个过程,在浅埋煤层开采时覆岩中只形成了冒落带和裂隙带。冒落带高度为采高的6.8倍左右,裂隙带发育到地表。覆岩中各岩层的下沉系数与岩层深度和采厚比呈线性关系,岩层埋深越浅,其下沉系数越小。
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