【摘要】：水庫旁煤層開采合理煤柱留設(shè)研究是保證其安全綠色開采的關(guān)鍵問題之一,故對其開展理論與試驗(yàn)研究具有重要的理論意義和工程實(shí)踐價(jià)值。本文以陜西省神木縣張家峁礦井常家溝水庫周邊4-2煤層開采為工程依托,采用理論分析、物理相似材料試驗(yàn)、FLAC3D數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場實(shí)踐相結(jié)合的方法開展研究工作。提出了水庫旁采煤的簡化模型,基于礦山壓力、水壓力與煤層的耦合關(guān)系,提出了水庫旁開采隔水保護(hù)煤柱區(qū)段,即從隔水功能上沿寬度方向可劃分為礦壓影響區(qū)段、有效隔水區(qū)段和水位影響區(qū)段,給出了水庫旁開采隔水保護(hù)煤柱的定義與計(jì)算公式。水庫庫岸邊坡的坡度、高度、水位、覆巖裂隙帶高度、巖層移動角等因素是影響隔水保護(hù)煤柱留設(shè)寬度確定的主要影響因素,提出了綜合確定隔水保護(hù)煤柱寬度的方法,給出了隔水保護(hù)煤柱寬度的計(jì)算公式。完成了4-2煤的物理力學(xué)特性室內(nèi)試驗(yàn),基于4-2煤單軸壓縮破壞聲發(fā)射試驗(yàn),得到了煤單軸壓縮破壞過程與聲發(fā)射顯現(xiàn)之間的規(guī)律。通過相似模型試驗(yàn),分析了常家溝水庫旁邊張家峁礦井4-2煤開采過程中覆巖與庫岸邊坡的破壞特征、應(yīng)力和位移的變化規(guī)律。結(jié)果表明,當(dāng)水庫蓄滿水時(shí),庫岸邊坡不受采動影響的合理留設(shè)煤柱不得小于163m;隨著工作面推進(jìn),覆巖不斷垮落,逐漸發(fā)育至地表形成“下沉盆地”,“下沉盆地”的范圍逐漸向水庫岸庫岸側(cè)擴(kuò)展,在繼續(xù)推進(jìn)過程中,工作面前方出現(xiàn)下行裂隙,水庫邊坡出現(xiàn)向采空區(qū)傾覆的趨勢。當(dāng)工作面推進(jìn)至221m,留設(shè)煤柱70m時(shí),不同巖性層面之間會突然出現(xiàn)滑移錯(cuò)動,邊坡出現(xiàn)滑移特征�；跐B流與變形計(jì)算的基本理論推導(dǎo)出水庫旁煤層開采水巖耦合控制方程。采用水巖耦合FLAC3D軟件建立與相似材料模型試驗(yàn)工況一致的數(shù)值模型,研究水庫旁煤層開采煤柱留設(shè)寬度取值問題。考慮邊坡關(guān)鍵點(diǎn)位移變化和煤層頂?shù)装尻P(guān)鍵點(diǎn)孔隙水壓力變化,基于水巖耦合FLAC3D計(jì)算提出了確定隔水保護(hù)煤柱寬度的準(zhǔn)則。數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)得到的水庫庫岸邊坡坡面監(jiān)測點(diǎn)的位移變化曲線具有相同的變化趨勢。基于水巖耦合FLAC3D數(shù)值模擬,研究不同水位下采煤對水庫庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律,分析水位對煤層開采的隔水保護(hù)煤柱留設(shè)尺寸的影響。結(jié)果表明,在保持煤層厚度、埋深不變的情況下,當(dāng)水庫水位位于煤層底板以下時(shí),煤層位于浸潤線以上,處于非飽和區(qū),不同水位對煤層開采合理煤柱留設(shè)尺寸的影響很小;當(dāng)水庫水位位于煤層中部時(shí),煤層開采合理煤柱留設(shè)尺寸需要加大;當(dāng)水庫水位位于煤層頂板以上時(shí),隔水保護(hù)煤柱留設(shè)尺寸隨著水位上升而增大。當(dāng)水庫水位和煤層厚度不變的情況下,隔水保護(hù)煤柱留設(shè)尺寸隨著煤層埋深的增大而增大。根據(jù)理論分析、相似材料模擬和FLAC3D數(shù)值分析的結(jié)果,首次將水庫旁采煤庫岸邊坡的破壞模式按照變形的不同分為坍塌、崩塌、滑坡、錯(cuò)落、傾倒等五種主模式,根據(jù)邊坡變形的方向的不同,每種主模式又包括兩種亞模式。提出了水庫旁淺埋煤層開采隔水保護(hù)煤柱寬度留設(shè)方法。采用鉆探、物探、采樣測試、抽水試驗(yàn)及水文地質(zhì)填圖等勘探手段對常家溝水庫邊水文地質(zhì)條件進(jìn)行了勘查,提出了常家溝水庫邊4-2煤層開采存在的四種可能水害。按照本文給出的隔水保護(hù)煤柱寬度確定方法,常家溝水庫旁邊4-2煤開采的隔水保護(hù)煤柱寬度確定為99 m。根據(jù)該煤柱寬度完成了常家溝水庫邊4-2煤層的工作面布置。工程實(shí)踐表明,留設(shè)的隔水保護(hù)煤柱寬度合理。
【學(xué)位授予單位】：西安科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TD822.3

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2513993