煤矿地下水库岩体碎胀特性试验研究

鉴于岩石碎胀特性对于煤矿地下水库储水能力及地表沉陷的重要影响,选取神东矿区某矿22615面为工程背景,利用相似材料模型试验探究采空区垮落岩体应力及碎胀系数分布规律,明确垮落岩体应力-碎胀系数关系,并通过岩石压实试验进行验证,揭示饱水岩石压实特性。研究结果表明:沿采空区走向,边界附近老顶悬臂梁结构限制覆岩下沉,垮落岩体应力最低仅为0.32 MPa,碎胀系数最大达1.48;中间区域老顶结构失稳覆岩完全下沉,垮落岩体应力趋于1.5 MPa,碎胀系数降至1.09。沿采空区垂向,垮落岩体应力随高度负相关改变,而碎胀系数成正相关变化。无论沿采空区走向或垂向,垮落岩体碎胀系数与应力均满足负对数关系。与自然岩石相比,受载饱水岩石碎胀系数减幅更为明显,两者相差8.514%,为煤矿地下水库储水量和地表沉降量预测提供了基础理论依据。

考虑矿井水流速和时效影响的煤矿地下水库储水系数计算模型

选取神东矿区拟建地下水库22614工作面为研究背景,利用工作面开采相似实验和矿井水浸砂岩加载实验,模拟采场覆岩运动规律和应力分布状态,分析采空区覆岩结构特征,建立考虑矿井水流速和时间效应影响的煤矿地下水库储水系数计算模型。研究结果表明:模型工作面开采基本顶初次垮落步距46 cm,基本顶周期垮落步距7~16 cm;采空区覆岩仅存在裂隙带和垮落带,垮落带岩块间存在大量非完全接触的空洞、空隙及欠压实裂缝,是煤矿地下水库最主要的储水空间;采空区岩体承载应力沿走向基本呈“∩”形分布,最大应力趋于1.5 MPa,覆岩位移以走向中心线为对称轴呈“∪”形变化,最大位移为-2.5 cm。基于采空区覆岩关键层运移轨迹构建其底面下沉曲线函数方程,数学量化采空区垮落带体积、垮落带岩体空隙量和吸水量,建立包含岩石碎胀系数等参数构成的煤矿地下水库储水系数计算模型,通过明确砂岩碎胀系数与矿井水流速和时间的数学关系,进一步完善煤矿地下水库储水系数计算模型,并对模型进行实例计算和实验验证,模型计算储水系数0.1965,实验测定储水系数0.2104,证明了计算模型的准确性,可为煤矿地下分布式水库库容设计和储水调度提供重要理论依据。

上覆岩层冒落带高度计算公式合理性分析

通过深入剖析传统冒落带经验计算公式,推导出利用传统冒落带高度计算公式计算得到的冒落带高度h1,具有随岩石碎胀系数k增大而减小的趋势,与实际中顶板为坚硬岩石时冒落带高度较高、顶板为软岩时冒落带高度较低的情况相悖。利用岩石碎胀系数计算公式推导出冒落带高度与岩石碎胀系数成正比关系。因此提出了冒落带高度计算修正公式,为更加准确、科学地计算冒落带高度奠定了理论基础。

近距离厚煤层重复采动覆岩“两带”高度分析

随着煤炭资源大规模开发利用,许多矿区面临近距离煤层重复回采问题,其中重复采动造成的“两带”发育高度是指导多煤层开采的重要指标参数,而现有相关规定中对近距离煤层重复采动高度缺少理论性分析,因此为合理确定近距离煤层重复采动覆岩“两带”高度,利用理论分析和数值模拟计算对近距离煤层重复采动覆岩“两带”高度进行分析和讨论。研究结果表明:近距离煤层开采时,煤层间距大于或小于下层煤垮落带高度,下层煤开采均会导致上层煤的垮落带和导水裂缝带高度增加,并且垮落带高度占导水裂缝带高度中的比例增加,重复采动的“两带”高度需要增加下层煤回采造成的等效采后影响。研究结果对于近距离煤层重复采动覆岩“两带”高度的确定具有理论意义和指导价值。