主关键层位置对地裂缝发育影响的数值模拟研究

陕北矿区赋存大量浅埋煤层,当煤矿大规模、高强度开采时将会诱发地表出现大量不同类型的地裂缝,对矿井安全生产和生态可持续发展造成严重危害。而在不同岩层的共同作用下地裂缝会不断地延伸和扩展,为了深入探究岩层中主关键层位置与地裂缝发育规律的关系,本文基于关键层理论和开采沉陷理论,采用数值模拟研究方法,研究主关键层位置变化对地裂缝形态、扩展方向发育规律和力链演化规律的影响。研究结果表明:煤层开采过程中,覆岩先后经历了“微裂隙产生-关键层破断-裂隙聚合-贯通成缝”的动态发育过程。不同关键层位置将会直接影响到覆岩裂隙发育过程,关键层离煤层较近时,覆岩裂隙发育动态过程的时间将会缩短。关键层位置还将直接影响上覆岩层应力变化范围,关键层位置离煤层越近,上覆岩层应力变化范围越广。研究成果将为陕北矿区浅埋煤层高强度开采地裂缝灾害控制和生态保护修复提供科学支撑,对丰富矿山开采沉陷与岩层控制理论具有重要科学意义。

基于主关键层位置的近浅埋煤层采动覆岩隔水层稳定性研究

为了构建近浅埋煤层采动覆岩隔水层稳定性评价模型,基于关键层和开采沉陷理论,采用理论分析、物理相似模拟试验和工程实例验证等研究手段,研究了主关键层分别位于“三带”或“两带”不同位置的近浅埋煤层采动覆岩隔水层稳定性。研究结果表明:以下沉系数作为判定参数,建立了主关键层分别位于采动覆岩“弯曲下沉带”、“裂缝带”和“冒落带”的判断准则。以岩层极限曲率和地表水平变形作为关键参数,分别给出了近浅埋煤层采动上行导水裂缝发育高度和下行导水裂缝发育深度的表达式。基于主关键层位置构建了近浅埋煤层采动覆岩隔水层稳定性评价模型。模型理论计算结果与工程实测结果相差4.1%和1.9%,与相似模拟试验结果相差2.8%和1.3%。