松散承压含水层下采煤关键层复合破断致灾机制研究

本项目针对我国华东、华北矿区部分煤矿在松散承压含水层下采煤顶板突水灾害问题，应用岩层控制的关键层理论，首次就松散承压含水层载荷传递作用下覆岩关键层复合破断机制及其对工作面顶板突水灾害的影响规律开展研究，揭示松散承压含水层载荷传递作用下覆岩关键层复合破断的发生条件和影响因素，建立松散承压含水层下采煤覆岩关键层复合破断的理论判别方法；揭示松散承压含水层载荷传递作用下覆岩关键层复合破断时顶板导水裂隙演化规律及其对顶板突水的影响；建立松散承压含水层下采煤覆岩关键层复合破断引发的突水灾害防治对策和相应的开采设计原则。本项目的研究将进一步完善和发展松散承压含水层下采煤突水灾害防治理论与技术，具有重要的理论意义与实践价值。

我国华东、华北等矿区许多煤矿的厚表土层底部存在着一层以非胶结砂、砾为骨架组成的松散承压含水层，它直接赋存在煤系基岩顶部，对煤矿安全开采造成严重威胁。近年来，我国一些矿区在松散承压含水层下采煤时，出现了严重的压架突水灾害问题，造成了重大的经济损失，严重威胁煤矿安全生产。目前邻近松散承压含水层采煤压架突水灾害问题仍然没有得到很好的解决。此类突水事故的原因通常归结为存在断层、原生裂隙发育或松散承压含水层底界面降低等特殊地质因素，沟通了采动顶板导水裂隙与基岩顶部的松散承压含水层而引发突水灾害。事实上，此类顶板突水灾害与工作面压架灾害都是伴生的，即工作面突水前都会出现矿山压力显现异常增大甚至压架现象，并随工作面推进周期性的发生，说明此类压架突水灾害与采动顶板破断运动特征紧密相关，反映了邻近松散承压含水层采煤覆岩破坏规律的特殊性，而传统理论难以合理解释此类压架突水灾害的发生机理。. 项目经过系统深入的研究发现：由于松散承压含水层的流动性和侧向补给作用，煤层开挖过程中作用于基岩顶界面的上覆载荷不像通常条件下随煤层开挖显著降低而是基本保持恒定，松散承压含水层起到了载荷传递的作用。邻近松散承压含水层开采时，由于松散承压含水层的载荷传递作用，导致一定覆岩条件下松散承压含水层下部基岩的整体破断和关键层结构失稳，使得顶板导水裂隙带高度发育至松散承压含水层下，这是引发部分矿井在邻近松散承压含水层采煤时发生异常压架突水灾害的根本原因。基于松散承压含水层下采煤压架突水机理，研究揭示了松散承压含水层特性和覆岩关键层结构特征等因素对压架突水灾害的影响规律，基本掌握了松散承压含水层下采煤压架突水灾害发生条件，提出了压架突水危险区域预测方法，发明了基于含水层长观孔水位降速的压架突水灾害预警方法，提出了松散承压含水层下采煤压架突水灾害防治对策。上述研究成果填补了我国煤矿采场矿压和顶板突水防治理论的一项空白，对我国松散承压含水层下煤炭资源的安全高效开采具有重要意义，已在皖北矿区祁东煤矿得到了验证和应用，取得了显著的经济效益。项目已出版著作1部，发表论文26篇，其中被Ei收录18篇，获得国家发明专利1项、实用新型专利1项，获得省部级科技进步奖励1项。