煤柱群渐进失稳破坏机理与地表滞后型塌陷灾害预测研究

以室内测试和现场实测为依据，以理论分析为基础，以计算机数值模拟为工具，研究矿井水的化学成分、煤的物质组成以及不同水质对煤岩力学特性的弱化规律，建立煤柱流变失稳的水化学损伤演化方程，确定出矿井水环境下煤柱流变的长期强度；研究煤柱群渐近破坏的应力转移过程和流变失稳机制，建立煤柱群失稳破坏多米诺效应预测模型和覆岩与地表移动变形预测方法，开发由煤柱群渐进破坏引发的地表灾害性塌陷预警系统，不仅可判断已留设煤柱是否具有长期稳定性、推断煤柱何时失稳、预报地面沉陷灾害的类型和强度，为建筑物下、铁路下和水体下煤柱的进一步合理留设提供技术依据，而且能为资源枯竭城市关井闭坑矿井若干年后的流变沉陷灾害预报、资源与环境的协调发展提供基础理论支持，具有较重要的理论意义和工程实用价值。

依据室内测试和现场监测，以理论分析为基础，以计算机数值模拟为工具，较系统的研究了矿井水对煤岩力学特性的弱化规律，初步建立了煤柱流变失稳的水化学损伤演化方程；针对大同侏罗纪浅埋深坚硬煤层坚硬顶板的房柱式部分开采，通过引入煤柱等效宽度和Voronoi图，合理确定了不规则煤柱稳定性评价方法，理论分析、数值模拟和相似材料实验表明，单一煤柱的失稳破坏，将引起其所承受的载荷向周围煤柱转移，当该转移载荷足够高时，邻近煤柱将发生连锁反应式的破坏，研究给出了煤柱内应力拱合并至外应力拱形成的煤柱软化破坏的主应力场演化模式；针对目前我国目前广泛使用的厚煤层高产高效放顶煤开采方法，采用冲洗液消耗量法通过现场观测和经验公式计算分析，研究确定了导水裂隙带高度产生异常的原因，一是规程中原有的计算方法只适用于厚煤层分层开采单层采厚小于3m、累计采厚小于15m的条件，二是上覆岩层中存在厚硬关键层时，关键层对上覆岩层破坏高度其控制作用，关键层处于上覆岩层的层位不同决定了导水裂隙带发展高度不同；通过广泛收集现场已有观测分析结果，建立了煤层倾角从0-90度连续变化的最大下沉角表达式，消除了原有规程和规范中分段函数不连续表达的不足，基于最大下沉角、开采单元面积积分和叠加原理，建立了地表沉陷预计新方法，开发了高效的沉陷预计、分析预警系统。