浅埋煤层长壁工作面保水开采机理及其应用研究

为解决西部干旱半半干旱矿区浅埋煤层普遍采用长壁开采而带来的水资源流失难题，提出由采动覆岩渗流场研究裂隙场的思路，研究浅埋长壁工作面采动覆岩导水通道起始、扩展和闭合的动态发育过程及其分布特征。建立统一的裂隙场、渗流场和采场矿压力学模型，分析采动覆岩破裂（断）及其再压实过程中渗流矢量、渗流速度及孔隙压力等变化规律；并将此规律与关键层结构运动全过程相结合，探讨关键层、含水层及隔水层的结构耦合效应，揭示不同地质条件下开采参数对采动覆岩层间缝隙与层内裂隙发育的控制机理。提出长壁工作面保水开采分类适用条件及其对应分类指标体系，从开拓部署、工作面布置及采煤工艺等方面，采取相应的控制性开采策略，构建浅埋煤层矿区保水开采设计与技术体系。研究成果将应用于解决我国西部浅埋煤层矿区水资源流失和顶板水害问题，同时可促进煤矿保水开采理论和技术的完善。

为解决西部干旱、半干旱矿区浅埋煤层普遍采用长壁开采而带来的水资源流失难题，提出由采动覆岩渗流场研究裂隙场的思路，研究浅埋长壁工作面采动覆岩导水通道起始、扩展和闭合的动态发育过程及其分布特征。以神东矿区为例，分析了西部生态脆弱矿区浅埋煤层保水开采的内涵与意义，进行了薄基岩浅埋煤层覆岩赋存状况分类。研发了三维流固耦合开采试验系统及其配套监测系统和相似材料，首次进行了浅埋煤层三维流固耦合物理试验；采用3DEC数值计算软件的应力-渗流耦合系统，首次进行了大范围采动垮落条件下的三维流固耦合数值计算，克服了传统方法分析地下采场采动破坏覆岩导水裂隙场的局限性。结合覆岩应力场和位移场的变化，分析了覆岩导水通道从起始、扩展到采后闭合的全过程及其对应分布特征，并研究了局部充填、分层开采等采矿技术措施对覆岩导水裂隙的影响规律，进行了顶板漏水关键区域的识别，揭示了浅埋煤层采动裂隙与隔水层破坏机理，发现了采空区基岩与隔水层的移动规律，建立了隔水层采动条件下的隔水性判据。采用板理论中的差分法和变分法，应用应变分析原理，结合垮冒岩层的弹性地基特性，分析了软弱隔水层板的裂隙演化机理和发育过程；研究了基本顶关键层的破断过程，并阐述了其与下伏、上覆岩层的耦合关系，探讨了浅埋煤层覆岩中关键层、含水层及隔水层的结构耦合效应，并系统分析了采高、直接顶厚度、隔水层厚度和松散层厚度等不同采矿地质参数对采动覆岩导水通道高度的影响，发现了长壁工作面采动覆岩保水开采机理，揭示了薄基岩浅埋煤层保水开采的可行性。在此基础上，建立了保水开采条件分区标准，将浅埋煤层上覆松散含水层划分成三种类型，提出了一套系统的长壁工作面保水开采分类适用条件及其对应分类指标体系，可在最大限度提高煤炭资源采出率的同时实现保水开采状。此项技术的关键有三：一是大尺寸长壁工作面快速推进；二是支架合理支护阻力的计算确定；三是局部降低采高或局部充填。建立了保水开采条件分区标准，将煤层上覆松散含水层划分成三种类型，提出了适合不同基岩厚度的保水开采适用条件分类体系，可用于系统解决生态脆弱矿区煤炭资源开采与水资源流失的矛盾。开采实践表明，长壁工作面采动覆岩导水裂隙在采后能闭合，松散风积沙潜水含水层水位仍可以恢复，即生态水位得到了保护，矿区生态环境不会恶化。