西部生态脆弱矿区煤层开采水资源破坏的力学机制研究

开发西部矿区并保护和改善西部十分脆弱的生态环境是21世纪西部煤矿可持续发展的惟一正确途径，既可以实现我国资源开发战略西移，保障国家经济安全，又可将采动损害造成的水资源破坏降低到最小程度，以便规划治理保证西部地区的山川秀美。课题应用岩层控制学、水文地质学、数学和力学等理论，研究西部生态脆弱矿区地下煤层采出后上覆隔水层采动应力场和破坏区分布及变化规律、上覆隔水层采动裂隙扩展机理及其采动隔水性、地下开采破坏和保护水体的矿山力学机理；建立上覆隔水层的采动稳定性判据和以隔水层的采动隔水性为基础的保水开采分类体系；提出西部生态脆弱矿区有效控制水资源破坏的煤层开采阶段适用的采煤方法和技术措施。

开发西部矿区并保护和改善西部十分脆弱的生态环境是21世纪西部煤矿可持续发展的唯一正确途径。课题研究了西部生态脆弱矿区地下煤层采出后上覆隔水层采动裂隙扩展机理及保护水体的矿山力学机理；提出了西部生态脆弱矿区有效控制水资源破坏的煤层开采阶段适用的采煤方法。课题研究的主要结论是：(1)基于随机介质理论，建立了采动后岩体的破坏力学模型，分析了岩体的变形和应力分布。得出：垂直应力的压应力区分布在实体煤上方的覆岩中，拉应力区分布在采空区上方的覆岩中。水平应力与垂直应力的拉压应力出现的区域正好相反，垂直应力和水平应力的峰值位置一致。基于实验进一步分析了覆岩内的应力分布和位移特征，根据覆岩内的应力分布的差异性，对覆岩进行了破坏分区。(2)采用实验研究了薄基岩浅埋煤层覆岩的物理力学特征，研究表明：覆岩的矿物成分以石英、钾长石等为主，含量高达75.4%～92%以上，岩石的单向抗压强度远大于其单向抗拉强度大，属于典型的脆性岩石。风化岩石的膨胀性增强，塑性增加，强风化带内，结构致密的粉砂岩、细粒砂岩的物理力学性质无明显变化。(3)结合岩层移动规律，推导了岩层层向拉伸变形的计算公式，给出了一种预计导水裂隙带高度的预测新方法，在此基础上研究了厚风积沙薄基岩浅埋煤层条件下保水开采的评价方法。(4)针对陕北榆阳矿区浅埋煤层潜水采煤区的两种覆岩类型，即砂基型和砂土基型，分析了相应的保水采煤方法，给出了长壁采煤时隔水层破坏的判据。针对长壁充填开采时合理的充填率进行了研究，同时，对于条件允许的潜水采煤区采用长壁开采时合理的工作面长度也进行了分析。