浅埋深薄基岩煤层采动覆岩破断特性与机理研究

西部矿区受煤层埋藏浅、基岩薄、地表有厚松散覆盖层的特殊地质和采矿条件的影响，如果不控制其顶板岩层破坏，极有可能发生大面积突水、溃砂和顶板灾害。本项目以神华集团有限责任公司下属的某典型浅埋深薄基岩煤矿为依托，在获得现场实测资料的基础上，运用模型试验、数值模拟和理论研究相结合的方法，将浅埋深薄基岩煤层顶板运动与地表沉陷作为一个整体系统，研究不同采煤方法对浅埋深薄基岩煤层顶板破坏、变形与移动规律的影响；研究浅埋深薄基岩煤层在采动影响下覆岩从连续到破断的动态演化过程，探讨覆岩变形破坏与电阻率变化的对应关系，发展一种利用物探手段探测顶板破坏高度的方法；研究覆岩破断前后能量、熵、位移、屈服区面积和剪应变的变化情况，提出顶板发生整体切落的突变判据；研究覆岩损伤断裂过程中能量的释放，揭示浅埋深薄基岩煤层顶板整体切落的机理。为指导西部矿区高效、经济、安全生产和保护地表生态环境及地下水资源提供理论依据和指导。

针对我国西部矿区受煤层埋藏浅、基岩薄、地表有厚松散覆盖层的特殊地质环境和开采条件的影响，以典型浅埋深薄基岩煤矿为工程依托，在内蒙古双欣矿业有限公司杨家村煤矿开展了浅埋深煤层大采高条件下矿压观测，在内蒙古伊泰集团阳湾沟煤矿开展了浅埋深煤层综放条件下矿压观测，在神华集团神东公司石圪台煤矿开展了浅埋深煤层上部有房采采空区的条件下矿压观测。在现场矿压观测的基础上，将浅埋深薄基岩煤层顶板运动与地表沉陷作为一个整体，运用模型试验、数值模拟和理论研究相结合的方法，研究了不同采煤方法对浅埋深薄基岩煤层顶板破坏、变形与移动规律的影响。矿压研究成果指导乌苏四棵树煤炭有限公司二号斜井进行矿压治理，完成了基于地质力学测试的浅埋煤层多尺度矿压控制技术研究，经中国煤炭工业协会鉴定达到国际先进水平，获得2013年“神华杯”中国职业安全健康协会科学技术奖二等奖。采用相似模拟的方法，模拟了浅埋深薄基岩煤层在采动影响下覆岩从连续到破断的动态演化过程，探讨了覆岩变形破坏与电阻率变化的对应关系，提出了利用物探手段探测顶板破坏高度的方法。选用法国的Sercel-428Lite，在内蒙古伊泰集团阳湾沟煤矿开展了孔间地震法探测浅埋煤层顶板破坏高度试验研究，在孔间地震探测到的顶板破坏区域，采用GD3Q-A/B型钻孔全孔壁成像系统进行钻孔电视观测，二者有很好的一致性，证明了孔间地震法探测浅埋煤层顶板破坏高度的可行性；利用煤炭科学研究总院自主研发的KJ768微震监测系统，在神东公司石圪台煤矿开展了微震法探测浅埋煤层顶板破坏高度的试验，试验过程中预测的地表塌陷区与实际地表塌陷区有很好的对应性，证明了微震法探测浅埋煤层顶板破坏高度的可行性。研究浅埋煤层覆岩破断前后能量、熵、位移、屈服区面积和剪应变的变化情况，给出了利用能量突变、熵突变、位移突变、屈服区面积突变和剪应变突变5个指标判别薄基岩顶板发生整体切落的条件；应用断裂损伤力学理论方法，结合相似材料模拟实验和数值模拟的结果，从覆岩损伤断裂过程中能量释放的角度，揭示浅埋深薄基岩煤层顶板整体切落的机理。相关研究成果为指导西部矿区浅埋煤层高效、经济、安全生产和地表生态环境及地下水资源保护提供了理论依据。