淺埋煤層長壁工作面保水開採機理及其套用研究

《淺埋煤層長壁工作面保水開採機理及其套用研究》是依託中國礦業大學，由馬立強擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：淺埋煤層長壁工作面保水開採機理及其套用研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：馬立強
• 依託單位：中國礦業大學

項目摘要

為解決西部乾旱半半乾旱礦區淺埋煤層普遍採用長壁開採而帶來的水資源流失難題，提出由采動覆岩滲流場研究裂隙場的思路，研究淺埋長壁工作面采動覆岩導水通道起始、擴展和閉合的動態發育過程及其分布特徵。建立統一的裂隙場、滲流場和采場礦壓力學模型，分析采動覆岩破裂（斷）及其再壓實過程中滲流矢量、滲流速度及孔隙壓力等變化規律；並將此規律與關鍵層結構運動全過程相結合，探討關鍵層、含水層及隔水層的結構耦合效應，揭示不同地質條件下開採參數對采動覆岩層間縫隙與層內裂隙發育的控制機理。提出長壁工作面保水開採分類適用條件及其對應分類指標體系，從開拓部署、工作面布置及採煤工藝等方面，採取相應的控制性開採策略，構建淺埋煤層礦區保水開採設計與技術體系。研究成果將套用於解決我國西部淺埋煤層礦區水資源流失和頂板水害問題，同時可促進煤礦保水開採理論和技術的完善。

結題摘要

為解決西部乾旱、半乾旱礦區淺埋煤層普遍採用長壁開採而帶來的水資源流失難題，提出由采動覆岩滲流場研究裂隙場的思路，研究淺埋長壁工作面采動覆岩導水通道起始、擴展和閉合的動態發育過程及其分布特徵。以神東礦區為例，分析了西部生態脆弱礦區淺埋煤層保水開採的內涵與意義，進行了薄基岩淺埋煤層覆岩賦存狀況分類。研發了三維流固耦合開採試驗系統及其配套監測系統和相似材料，首次進行了淺埋煤層三維流固耦合物理試驗；採用3DEC數值計算軟體的應力-滲流耦合系統，首次進行了大範圍采動垮落條件下的三維流固耦合數值計算，克服了傳統方法分析地下采場采動破壞覆岩導水裂隙場的局限性。結合覆岩應力場和位移場的變化，分析了覆岩導水通道從起始、擴展到采後閉合的全過程及其對應分布特徵，並研究了局部充填、分層開採等採礦技術措施對覆岩導水裂隙的影響規律，進行了頂板漏水關鍵區域的識別，揭示了淺埋煤層采動裂隙與隔水層破壞機理，發現了採空區基岩與隔水層的移動規律，建立了隔水層采動條件下的隔水性判據。採用板理論中的差分法和變分法，套用應變分析原理，結合垮冒岩層的彈性地基特性，分析了軟弱隔水層板的裂隙演化機理和發育過程；研究了基本頂關鍵層的破斷過程，並闡述了其與下伏、上覆岩層的耦合關係，探討了淺埋煤層覆岩中關鍵層、含水層及隔水層的結構耦合效應，並系統分析了采高、直接頂厚度、隔水層厚度和鬆散層厚度等不同採礦地質參數對采動覆岩導水通道高度的影響，發現了長壁工作面采動覆岩保水開採機理，揭示了薄基岩淺埋煤層保水開採的可行性。在此基礎上，建立了保水開採條件分區標準，將淺埋煤層上覆鬆散含水層劃分成三種類型，提出了一套系統的長壁工作面保水開採分類適用條件及其對應分類指標體系，可在最大限度提高煤炭資源采出率的同時實現保水開採狀。此項技術的關鍵有三：一是大尺寸長壁工作面快速推進；二是支架合理支護阻力的計算確定；三是局部降低采高或局部充填。建立了保水開採條件分區標準，將煤層上覆鬆散含水層劃分成三種類型，提出了適合不同基岩厚度的保水開採適用條件分類體系，可用於系統解決生態脆弱礦區煤炭資源開採與水資源流失的矛盾。開採實踐表明，長壁工作面采動覆岩導水裂隙在采後能閉合，鬆散風積沙潛水含水層水位仍可以恢復，即生態水位得到了保護，礦區生態環境不會惡化。