西部浅埋煤层薄基岩采动破断规律与灾变控制研究

Coal will remain as the dominant energy in China in the present and future for a long time. Coal resources in the western mining areas identified account for more than 90 percent of the country. In western mining area, the overlying rock structure of most main coal layers has a shallow depth, thin bedrock and thick aeolian sand characteristics. Coal exploration mostly take a more strong mining, resulting in strong strata behavior, which induced surface subsidence, water loss, sudden water surface sand, land desertification, coal seam spontaneous combustion and other disasters, and then exacerbated the deterioration of the ecological and environmental system. This subject mainly studied in the following aspects for the western coal areas with thin bedrock, thick aeolian sand and other geological structural characteristics. On the base of the basic physical and mechanical properties analysis of bedrock and sand layer, the mechanical model for mining overburden breaking and motion analysis is established to research the overlying rock broken, fracture evolution law and control mechanism in the strong mining. Establish the mechanical model of the stope support and surrounding rock interaction in strong mining. Establish the multiphase fluid flow motion control equations of mining overburden in a strong mining, given the seepage mutation criterion by the nonlinear dynamic analysis to reveal the disasters mechanism of the water bursting and sand inrush. And then propose the corresponding control methods and technical means; and related research proven to build the application base. At last, the related research results will be carried out in practice and built up the corresponding application base.

当前及今后相当长的时间内煤炭仍将作为我国的主导能源。西部矿区查明煤炭资源量占全国90%以上。西部矿区多数主采煤层覆岩结构具有浅埋深、薄基岩、厚风积沙的特点，且多采取强采动方式开采，导致强烈矿压显现，诱发地表塌陷、水资源流失、突水溃沙、土地沙漠化、煤层自燃等灾害，加剧生态与环境系统的恶化。本课题针对西部浅埋煤层薄基岩、厚风积沙等地质构造特征，在分析基岩与沙土层基本物理力学特性的基础上，建立采动覆岩破断与运动分析的力学模型，研究强采动下的覆岩破断与裂隙演化规律与控制机理；建立强采动下采场支架与围岩相互作用关系的力学模型；建立采动覆岩多相流体渗流运动控制方程，通过非线性动力学分析，给出渗流突变判据，揭示突水溃沙灾害发生机理，并提出相应的防治方法和技术途径；并且把相关研究成果进行实践验证，建成相应的应用基地。

煤炭在我国的能源消耗中占有较大的比例，并且这种情况将长期存在。目前我国煤矿开发的重心已经往西部转移。针对西部具有浅埋深、薄基岩、厚风积沙的特点矿区在大尺寸、高强度开采条件下所出现的地表塌陷、水资源流失、突水溃沙、土地沙漠化、煤层自燃等灾害，展开覆岩采动破断、裂隙演化、矿压显现控制以及突水溃沙灾害等研究对西部矿区安全开采与生态环境保护具有重要的意义。项目执行的主要情况如下：.1） 针对西部浅埋煤层薄基岩、厚风积沙等地质构造特征，开展西部矿区基岩的物理力学特性的研究，给出基岩胶结特性与矿物成分以及沙土固结性能与矿物成分之间的关系，并与取自鹤岗的岩样进行对比，获得了西部岩石能量耗散特性、弹性特性等岩石属性。通过对风积沙进行压实试验，获得了风积沙的应力应变关系、风积沙容重变化规律、风积沙变形模量变化特性等重要数据。使用实测、数值模拟的方法展开对西部矿区强采动作用下的围岩破坏规律研究，并分析了充填采煤对采场覆岩变形以及地表沉降的影响。.2） 研究强采动下采场矿压显现规律与控制，采场支架与围岩运动相互作用关系。针对传统模拟实验平台不能模拟出工作面顶板破断以后形成的冲击载荷这一情况，开发了专用模拟实验平台，并进行了动载冲击效应模拟实验；建立基本顶运移的力学模型，进行动载条件下支架与围岩关系进行实验研究；分析高强度开采工作面煤岩灾变的推进速度效应；对高强度开采采场覆岩破断演化过程进行分析，使用功能原理分析了基本顶破断位置、破断顶板载荷、支架参数和直接顶性质对最大冲击载荷的影响，并提出了支架阻力确定的方法。.3） 设计一种水沙运移模拟试验装置，根据神东矿区典型地层结构特征及沙层结构参数，模拟了不同级配及含水量的沙样的水沙动力学过程，并研究获取了浅埋薄基岩地质结构条件下水沙两相介质运动机制，阐明了诱发突水溃沙灾害的水沙动力学机制。针对矿山突水问题，围绕矿山岩体破坏突水过程中，流体的非达西流和流场动力学统一性特征，基于流体质量守恒和压力平衡原理，建立了三流场（Darcy层流、Forchheimer流和N-S紊流）耦合非线性渗流模型，用于揭示突水过程中流体流态转捩（含水层层流到巷道紊流）的渗流本质。通过模拟突水瞬态流动全过程，揭示了陷落柱突水非线性渗流机理。