半胶结低强度围岩浅埋煤层开采覆岩运动及水害评价研究

针对在半胶结低强度条件下,浅埋煤层开采造成的覆岩运动和顶板水害评价问题,本文以新疆伊犁一矿试采区为研究对象,根据研究区钻探资料、地球物理探测资料、岩石物理力学性质试验资料等,采用理论分析、数值模拟、相似材料物理模拟、室内试验等方法,对研究区覆岩地层结构特征、覆岩运动规律、顶板结构稳定性、关键隔水层隔水性能、煤层顶板水害评价、防治水主要技术途径等方面进行了探索性研究,主要研究成果如下： (1)系统分析了研究区主采煤层顶板含水层厚度变化规律、岩性特征、富水性与导水性特征；隔水层厚度变化规律、岩性特征；煤系各含水层间的水力联系等。分析了第四系底部富水性与导水性特征,指出第四系孔隙含水层是煤系含水层的主要补给水源。 (2)通过离散元数值模拟、有限元数值模拟以及相似材料物理模拟,研究了不同采高条件下,5煤层开采覆岩运动规律。模拟结果表明：随着采高的加大,研究区发生切顶冒落危险性增加。采用“短砌体梁”结构理论和“台阶岩梁”结构理论对研究区5煤顶板结构稳定性进行了评价,依据半胶结低强度围岩特点,提出用“半-低”滑落系数修正其评价体系,评价结果与试验所得结论较为一致。 (3)对覆岩分带特性进行了分析,提出了研究区的覆岩分带特性两种划分依据,即分别为“半-低”四带和“半-低”两带。通过分析裂缝闭合带与时间之间的关系,给出了裂缝闭合带的计算方法。 (4)探讨了关键隔水层的概念及确定方式。分析了关键隔水层的厚度变化特征、岩性特征；通过膨胀试验、崩解试验、软化试验、拉伸试验及单轴压缩试验等对关键隔水层进行了物理力学分析。通过岩石力学、三轴应力渗透试验等,评价了关键隔水层的隔水性能。提出了“隔水指数”法,并用于定量评价关键隔水层的隔水性能,根据评价结果,研究区大部分区域处于中等隔水性区。 (5)依据5煤顶板含水层厚度变化特征及岩性组合特征,在考虑煤层顶板的岩性及结构特征对富水性影响的基础上,提出了“富水指数”法来定量评价煤层顶板含水层富水性,并划分了富水性分区。通过室内试验预计、规程公式预计、多元线性统计预计和变形预计四种方法对导水裂缝带高度进行预计。在考虑煤层顶板的岩性及结构特征对于隔水层的影响的基础上,采用“隔水指数”法评价了煤层顶板隔水层隔水性能,并划分了隔水性能分区。 (6)在综合分析顶板突水影响因素的基础上,利用“五图信息融合”法预测了顶板突水危险性。并采用VB6.0开发了相应的工作面顶板突水危险性预测软件。根据研究区5煤顶板含水层赋存情况,分别用大井法和比拟法预计了5煤顶板涌水量。计算了5煤开采上限。 (7)分析了研究区充水条件,提出了研究区防治水技术途径与措施。