我国西部地区蕴藏着十分丰富的煤炭资源,神东煤田是中国已探明的最大煤田,位于内蒙古自治区南部地区与陕西省西北部地区,煤田总面积达22860km2。该区域的煤炭资源为我国的国民经济发展做出了突出贡献,由于煤层赋存条件简单且厚度大等优势,为煤炭的机械化、高强度开采提供了得天独厚的条件,但在实际的开采中又由于煤层的埋深浅、基岩薄、上覆松散层厚度大,使得工作面在回采过程中上覆岩层产生的裂隙形成了沟通工作面与上覆松散层的裂隙,裂隙甚至能直达地表,若覆松散层富含潜水就会造成溃水溃砂灾害,对矿井的安全生产造成了极大的隐患。所以掌握神东矿区这种浅埋深、基岩薄的条件下产生的纵向裂隙演化规律,并采取相应的对策预防溃水溃砂灾害的发生对神东矿区矿井的安全高效绿色开采将具有重要意义。本文以昌汉沟矿为工程背景,掌握了开采煤层覆岩特征、煤岩物理力学性质、含煤岩系岩石学特征和原始沉积环境覆岩稳定性,通过相似模拟和数值模拟手段分析了浅埋薄基岩工作面纵向贯通裂隙演变规律,建立了上覆岩层力学模型,掌握了工作面纵向贯通裂隙的演化过程,并通过对纵向贯通裂隙的现场实测研究,最终提出了溃水溃砂的控制技术。本文主要结论如下:(1)掌握了昌汉沟矿4煤组覆岩结构特征与稳定性昌汉沟矿区4煤组沉积环境主要为河流中下游泛滥平原沉积环境;从昌汉沟矿围岩显微组分可以观测出,昌汉沟矿砂岩胶结类型为泥质胶结,固结成岩作用弱,导致岩石强度较低,同时由于粘土成分含量高,遇水会出现膨胀和崩解,会成分顶板稳定性带来不良影响;依据研究区内成煤环境内砂泥比不同取值范围,划分出Ⅰ~Ⅴ级五类沉积相岩层稳定性分区。昌汉沟矿4煤组煤Ⅰ~Ⅴ级分区均有分布,且以Ⅲ~Ⅴ级分区为主;计算出不同分区的沉积相岩层稳定性影响因素,Ⅰ级取1.00、Ⅱ级0.83、Ⅲ级0.65、Ⅳ级取0.60和Ⅴ级取0.58。此沉积相岩层稳定性系数可用于顶板岩层稳定性分类计算中,量化了各区原始沉积环境差异。(2)揭示了浅埋薄基岩工作面纵向贯通裂隙演变规律采用相似模拟分析,获取了工作面的纵向贯通裂隙演化过程初步得到裂隙的演化的四个阶段,分别为:(1)裂隙孕育阶段:在此阶段过程中,基本顶发生初次垮落,随着工作面继续向前开采,前方的一定区域内开始出现纵向裂隙,而且随着开采的进行,裂隙呈现逐渐扩展的状态,扩展的最终结果贯通工作面与载荷层,在此期间,开始出现第一次周期来压。(2)裂隙张开阶段:当发生第一次周期来压时,上覆基岩发生回转,回转过程以纵向贯通裂隙为轴线,向采空区方向回转,上覆基岩的回转使得本已存在的纵向裂隙逐渐张开,当覆岩回转至极限时,裂隙不再继续张大。(3)裂隙迅速闭合阶段:当工作面采高较大时,随着工作面的继续推进,第一次周期来压所形成的岩块在支架后方发生整体切落,覆岩反向回转,岩块垮落后的产生碎胀,而且跨落后裂隙结构面不平整,导致纵向贯通裂隙迅速闭合。(4)裂隙压实阶段:当第二次周期来压时,相邻覆岩发生回转运动,对已垮落岩块产生挤压作用力,使得已经闭合纵向贯通裂隙被进一步压实。采用数值模拟的方法进行浅埋薄基岩工作面上覆岩层的纵向贯通裂隙张开、闭合过程研究,进一步细致分析了采动影响下工作面纵向贯通裂隙动态发育现象,即张开闭合现象:基本顶在工作面推进过程中所形成的结构状态及其破断失稳决定了工作面纵向贯通裂隙的发育扩展过程。周期来压过程中,由于基本顶岩块的回转造成覆岩纵向裂隙尺寸不断增大,随着破断覆岩的整体切落与反向回转,出现纵向贯通裂隙的分离单元体之间又开始重新接触,由此可知纵向贯通裂隙已经闭合;当第二次周期来压时,相邻覆岩发生回转运动,对已垮落岩块产生挤压作用力,使得已经闭合纵向贯通裂隙被进一步压实。通过数值计算,工作面纵向贯通裂隙的整个动态发育状态与相似模拟结果基本相同。(3)从力学机制上阐述了工作面溃砂溃水原因针对神东煤炭集团昌汉沟煤矿这一典型浅埋薄基岩采煤工作面进行了纵向贯通裂隙演化过程力学分析,在浅埋薄基岩的条件下,由于工作面持续推进,靠后的周期来压会使前一次周期来压产生的关键岩块出现切落现象,此时关键岩块的前段角在受到向下的剪切力和水平力的共同作用,会形成近似的“台阶岩梁”结构,从而建立了浅埋博基岩采煤工作面纵向贯通裂隙演化过程的力学模型。由于工作面的持续推进造成顶板关键岩块的周期性破断,从而产生了浅埋薄基岩的顶板纵向贯通裂隙,其裂隙尺寸受实际地质条件影响巨大,与破断岩块间的块度、相互间的错位量和其所受的水平力大小、工作面采高、直接顶厚度等密切相关,当裂隙由于关键岩块的回转而扩展到一定的程度时,就会使主导周期来压产生的关键岩块发生切落,并使得上一周期来压产生的纵向贯通裂隙发生闭合,随后这次周期来压产生的纵向贯通裂隙经历张开扩展后又会由于下一个周期来压产生的纵向贯通裂隙而闭合,周而复始。(4)提出了工作面溃砂溃水的控制方法①合理安排工作面推进速度工作面的推进速度对覆岩移动特征和裂隙发育程度影响较明显。工作面推进速度越快相应的覆岩的下沉量越是平缓,所以其整体性就越强,相应的导水裂隙发育程度越小,对溃水溃砂的防治起一定的促进作用。一方面,快速推进的工作面使动态变形过程相应缩短,上覆岩层越近整体连续变形的压实效果越好。另一方面,工作面的快速推进使破断岩块间的裂隙发育时间短并且快速发生结构性闭合,从而阻止了导水通道的形成,也阻止了溃水溃砂的发生。破断岩块回转角的大小一般受基本顶周期来压步距的长短直接控制,即周期来压步距越小就会使回转角就越大,导致工作面纵向贯通裂隙发育程度也越高。一般情况下浅埋薄基岩工作面周期来压步距相对较小,纵向贯通裂隙不贯通的情况基本不存在,工作面推进速度一定得控制好。周期来压来临前,采用注浆等手段“堵”住纵向贯通裂隙,避免水砂通道的形成;来压之后,纵向贯通裂隙即刻开始发生结构性闭合,可不做处理。所以,工作面推进速度一定得控制好,尤其是在基岩周期来压来前,适当加快推进,避免间歇性停顿,以减小溃砂溃水事故隐患。②增大液压支架支撑力现场工作中要减小基岩切落前岩块的回转角度就必须保证液压支架工作阻力和作用面积,这样就会使得纵向贯通裂隙在产生小的尺寸后直接被快速切落,纵向贯通裂隙迅速闭合。同时,在裂隙闭合阶段进行再进行工作面暂停推进的检修、注浆等工序以便将安全隐患降到最低。此外,从工作面顶板和支架顶梁的几何关系看,应注重支架顶梁支撑力的发挥,加强支架顶梁的支撑力,弱化支架掩护梁的作用。尽量减小顶板暴露时间和面积,弱化薄基岩的顶板承载能力低的缺点。③富水区域限厚开采基岩破断块体的回转变形空间主要受采空区的充填程度影响,较大的釆空空间使得采空区充填程度较低,直接导致破断岩块回转角变大,进而,加大了工作面纵向贯通裂隙发育程度。因此,富水区域可适当降低采高,增加直接顶厚度相应的直接增加采后矸石在采空区的充填程度,以降低破断岩块回转角,限厚开采的同时也加快了工作面推进速度,有利于覆岩纵向贯通裂隙的快速闭合,减小溃砂溃水事故隐患。(5)形成了工作面溃水溃砂控制方法,并进行了工程实践对于浅埋薄基岩煤层而言,随着煤层的开采,其上覆岩层裂隙导通松散含水松散层,上部水体便会沿导水裂隙渗流。可靠的初撑阻力,保证工作面在断裂岩块下不至于产生较大的贯通裂缝;而推进速度的加快,可使破断岩块尽快与工作面一侧未断岩层在断面下端铰接并挤压发生结构性闭合,并在上覆垂直载荷作用下得到压实,从而有效控制了岩层的裂隙率、渗透性、导水性。据此在开采昌汉沟矿201工作面时,对工作不同区域的周期来压位置、来压位置附近是否出现溃砂溃水事故或溃水溃砂迹象进行了统计,统计结果表明,采用以合理安排工作面推进速度、增大液压支架支撑力为主的溃砂溃水综合防治方法,工作面推进期间,未出现溃水溃砂隐患,实现了矿井的安全、高效开采。