泥盖型煤层覆岩采动裂隙变异规律与时空演变特征

If thick plastic rock exist in coal seam mining fissure spreading scope, the mud cap effect is appeared, the overburden rock damage apace-time evolution characteristics under mud cap effect are unique. On the analysis of the categories and characteristics of overburden rock strata structure, in view of the stratum structure of the thick mud stone on the top of bedrock, the research based on the fluid-structure interaction simulation test, combined with the measurement of the mining-induced fracture height and shape, formation permeability and fracture characteristics analysis of video observation, it will clear time and space dynamic deformation evolution characteristics of thin bedrock and thick mud cap formation. The research will test and analysis the engineering geological properties, mineral composition, swelling and permeability of mud cap to explore the essential reason of the controlling role of the mining-induced fractures. Based on the engineering geological model ,the mechanics constitutive model of thick clay strata damage is established, and it can interpret the strata damage variation rule under the mud cap effect, and put forward the safety mining technological evaluation system under water body with mud cap effect. The research can set up mechanical constitutive model which will reflect the strata damage in the mud cap effect produce substantial, and present overlying rock destruction new law. It has important theoretical and realistic significance to water disasters prevention and control, the increase of the mining limit and water protection mining.

煤层顶板采动裂隙波及范围内若存在厚层塑性岩层，易出现泥盖效应，该效应作用下覆岩破坏时空演变特征具有独特性。在分析覆岩地层结构类别与特征的基础上，针对泥盖型煤层覆岩下部基岩上部厚泥岩（下硬上软）地层结构，以流固耦合模拟试验为基础，结合实测的采动裂隙发育高度与形态、地层渗透性、裂缝影像观测特征分析，明确薄基岩厚泥盖地层变形破坏的时空动态演化特征；通过对“泥盖”层的工程地质性质、矿物成分、膨胀性和渗透性测试与分析，探究盖层对采动裂隙的控制作用的本质原因；基于工程地质模型，建立厚泥盖覆岩破坏的力学本构模型，阐释泥盖效应覆岩破坏变异规律，提出评价泥盖效应下水体下安全开采和保水开采的技术体系。本研究建立能反映覆岩破坏泥盖效应产生实质的力学本构模型，提出覆岩破坏新规律，对于浅埋厚煤层开采顶板水害防治与评价、开采上限的提高、保水开采研究具有重要的理论和现实意义。

煤层顶板采动裂隙波及范围内若存在厚层塑性岩层，易出现泥盖效应，该效应作用下覆岩破坏时空演变特征具有独特性。榆神府矿区浅埋煤层顶板赋存有厚层的红黄土泥盖，其胶结性好、粘土矿物含量高、透水性差，使得覆岩采动破坏规律发生新变化，导水裂缝带多在泥盖层尖灭或受到抑制，目前许多学者并未深入认识这一点，在进行水体下开采论证、保水开采设计时，仍沿用厚基岩柱条件下裂采比进行计算，忽视了泥盖层的弥合隔水性，结果往往偏保守。因此有必要对浅埋薄基岩厚泥盖型煤层覆岩采动破坏规律进行研究，对于顶板水害防治与评价、保水开采实践具有重要的意义。.以榆神府矿区郝家梁煤矿2301工作面为工程背景，开展了浅埋薄基岩泥盖型煤层覆岩采动破坏规律的相关研究，并应用于保水开采实践。首先分析了榆神府矿区地层结构及其力学特性，提出了覆岩采动破坏的“泥盖效应”，对泥盖型粘性红、黄土试样进行了物理力学及水理性测试；其次采用物理相似模拟试验、数值模拟、覆岩采动裂隙现场实测与工作面矿压显现规律分析等多种相结合的技术手段研究了泥盖型煤层覆岩采动破坏规律；然后采用随机介质理论阐述了泥盖效应产生的机理，并对粘性红土层的采动隔水性进行了试验研究；最终提出一种泥盖型煤层防水保护煤柱尺寸优化设计新方法，并应用于郝家梁煤矿2301工作面开采实践，实现了保水开采的目的。有助于合理确定保护煤柱尺寸参数，以提高开采上限、增加资源回收率。.研究主要取得以下几方面的成果：.（1）分析了榆神府矿区地层结构及其力学特性，提出了覆岩采动破坏“泥盖效应”概念，阐述了泥盖效应的本质在于泥盖层对导水裂缝发育的弥合修复作用，并将泥盖型煤层覆岩结构简化薄基岩厚泥盖型、薄基岩薄泥盖型、厚基岩薄泥盖型和厚基岩厚泥盖型等四种地质模型。.（2）通过对粘性红、黄土试样进行物理力学及水理性测试，可知粘性红、黄土试样均含有较多的以绿泥石、伊利石和蒙脱石等为主的粘土矿物，均具有一定的内聚力和体积膨胀性，其抗剪强度高、抗裂能力强，且土体饱和渗透性系数小，具有透水性弱、隔水性良好的特征，这使得粘性土层下煤层开采覆岩采动破坏易产生泥盖效应。.（3）覆岩采动裂隙发育的相似模拟试验表明：受泥盖层弥合修复作用，覆岩采动裂隙会经历“张开—闭合”的过程，且“两带”发育受粘性土层抑制性影响，发育不完整不充分、竖向没有明显的分带性，沿横向方向覆岩采动裂隙发育随基岩厚度变化呈分区性，覆岩采动变形破坏