黄土沟壑区浅埋煤层开采覆岩应力场-裂隙场-渗流场耦合演化机理研究

The distributions of stress field, fracture field and seepage field of overlying strata in shallow seam mining in the loess hilly areas of western China are influenced by the occurrence of surface gully. They are also coupled with each other. Mining cracks of overlying strata are easily lead to water and sand outburst, groundwater resources loss, surface ecological damage and other issues. Combining with site investigation, laboratory experiments, theoretical analysis, numerical calculations, similar simulation, field measurement, this project aims to conduct damage and failure tests of rock (loess) under different unloading paths and build elastoplastic incremental constitutive model considering damage, whereby establish numerical simulation based on elastoplastic increment theory; analysis coupling mechanism and evolution mechanism of overlying strata stress-fracture-seepage field of shallow coal seam mining in loess hilly area; establishment of fracture field, seepage field distribution and evolution model, investigation on quantitative expression and evaluation method for fracture field and seepage field of overlying strata, propose relevant safety production assurance technologies based on permeability control of mining cracks. The research results will provide theoretical and practical basis for the safe and green mining of shallow coal seams in the loess hilly areas of western China.

针对西部黄土沟壑区浅埋煤层开采覆岩应力场、裂隙场、渗流场分布受地表沟壑赋存影响且相互之间存在耦合作用的特点，以及煤层开采过程中覆岩采动裂隙易引起工作面突水溃沙安全隐患、地下水资源流失和地表生态破坏等的问题。本项目综合采用现场调研、实验室实验、理论分析、数值计算、相似模拟、现场实测等研究方法，开展不同卸荷路径下岩石(黄土)损伤破坏力学特性实验，建立考虑损伤的弹塑性增量本构模型，形成基于弹塑性增量理论的数值模拟方法；研究黄土沟壑区浅埋煤层开采覆岩采动应力场、裂隙场、渗流场耦合机制和演化机理；建立黄土沟壑区浅埋煤层开采覆岩采动裂隙场、渗流场分布演化模型，形成覆岩采动裂隙场和渗流场定量化的表达和评价方法，提出基于覆岩采动裂隙渗透性控制的安全生产保障技术。研究成果对于西部黄土沟壑区浅埋煤层的安全绿色开采具有重要的理论价值和现实意义。

针对黄土沟壑区浅埋煤层基岩较薄、胶结性较差，覆岩失稳运动、采动应力分布受煤层开采和地表沟壑双重影响，且覆岩采动应力场、裂隙场、渗流场之间存在相互影响和耦合作用的特点，以及煤层开采过程中覆岩采动裂隙易引起工作面突水溃沙安全隐患、地下水资源流失和地表生态破坏等的问题。本项目系统深入地研究了考虑损伤的弹塑性增量本构模型及数值模拟方法，黄土沟壑区浅埋煤层开采覆岩应力场、破裂场、裂隙场、渗流场耦合演化机理以及基于覆岩损害性采动裂隙控制的安全绿色开采保障技术等。取得如下重要成果：.（1）建立了考虑损伤的弹塑性增量本构模型，形成了基于弹塑性增量理论的数值模拟方法。基于含孔隙弱胶结砂岩三维数值重构技术，揭示了不同应力路径下含孔隙砂岩损伤破坏特征及破裂裂隙发育演化规律。.（2）揭示了黄土沟壑区浅埋煤层开采原岩应力场分布的埋深效应，将沟壑下覆煤岩层分为沟壑显著影响区、影响减弱区和无影响区。揭示了采动影响下覆岩应力场-破裂场-裂隙场耦合作用机制，将工作面覆岩采动裂隙分为裂隙动态产生区、裂隙发展贯通区、裂隙永久发育区。揭示了基岩厚度、覆盖层厚度、地表沟谷地形等对覆岩采动裂隙时空演化的影响规律。.（3）揭示了黄土沟壑区浅埋煤层开采覆岩采动裂隙分形维数变化与采动应力分布之间的耦合作用机制，将黄土沟壑区覆岩采动裂隙分为压实裂隙区、垮落裂隙区、垂向裂隙区。揭示了降雨入渗和含水层破坏两种情况下覆岩采动裂隙渗流特征，确定了覆岩采动裂隙渗流通道的分布范围和类型。.（4）建立了黄土沟壑区浅埋煤层开采覆岩裂隙场、渗流场分布演化模型，形成了一种基于地表采动裂隙发育程度的覆岩采动裂隙损害程度多指标综合评价方法，提出了基于覆岩损害性采动裂隙控制的安全绿色开采技术及治理对策。.项目研究成果初步形成了黄土沟壑区浅埋煤层开采覆岩采动裂隙损害性评价及分区治理技术体系，对于西部黄土沟壑区浅埋煤层的安全绿色开采具有重要的理论价值和现实意义。