生态脆弱矿区煤层顶板水井下储存结构及其稳定性研究项目摘要

我国西部干旱半干旱矿区，生态环境及其脆弱，如何实现煤炭与水资源共同开采显得尤为重要。煤层开采过程中，上覆含水层随着岩层移动而下渗不可避免，甚至在隔水层缺失或破坏地段发生突水事故。为此，本课题以我国陕北、宁东煤田干旱半干旱地区侏罗系煤层为例，采用理论分析、岩石与相似模拟试验、数值计算方法研究生态脆弱矿区煤层开采过程中顶板水井下储存空间结构及其稳定性。通过研究单一煤层采区/带区内区段/分带不同开采顺序顶板水流动规律及其矿井水储存结构赋存形态，提出实现顶板水井下储存的技术原理；研究矿井水储存结构边界煤岩体水作用下长期强度特征和支承压力的长期演化规律，提出储水结构边界煤柱载荷及其长期强度计算方法；研究不同含水状态下侏罗系典型煤层、顶底板岩层强度、声发射特征，提出储水结构边界煤岩体变形失稳的预测指标。

本课题研究设计了煤岩体无损浸水和力学性质损伤特征实验方法，开发了水-锚固体实验平台、设计了水-锚固剂环形剪切试验；基于以上实验方法和实验平台，研究了典型煤系沉积岩矿物组分、微结构特征，不同含水状态下典型煤系沉积岩/煤-煤岩组合体强度损伤及声发射特征，开展了典型煤系沉积岩吸水、失水试验；研究了不同含水率影响下煤岩体强度损伤演化规律，提出了反映含水率影响的煤岩损伤统计模型；利用弹塑性力学推导出了边界煤岩柱塑性区宽度的计算公式；数值计算研究了水作用下岩石细观参数的变化规律。研究发现：典型煤系沉积岩含水率与浸水时间满足对数函数关系，可大致分为含水率增速较快、含水率增速减慢、含水率增速趋于零三个阶段；典型煤系沉积岩单轴抗压强度与含水率呈负线性关系，峰值应变随含水率呈正线性变化，弹性模量与含水率呈负指数函数关系；峰值应变、单轴抗压强度与浸水次数分别满足正、负二次多项式关系，弹性模量与浸水次数呈负指数函数关系；法向和切向弹性模量及法向和切向粘结强度与含水率呈负线性关系；法向应变能密度在数值上低于切向应变能密度，二者均与含水率呈负线性关系。通过本课题的研究，能够为防水煤岩柱、采空区储水边界煤岩柱等设计提供有益参考。 2100433B

对于煤层开采顶板破断结构演化与控制问题的研究较多， 但多侧重于单层顶板结构的破断与控制方面的分析， 而对于多煤层开采条件下顶板破断结构的演化规律和在空间上的发育尺度，以及煤层间距较大时，上煤层开采后的遗留煤柱对下煤层工作面支架压力如何影响的研究则相对较少。深入研究以上问题， 对于煤层群开采顶板压力控制，以及减少甚至消除因压力集中而引发的强矿压显现等，具有重要作用。

多煤层开采时， 若煤层间距较近， 上、下煤层间隔层易破断，上、下煤层已垮落和破断的顶板结构连接形成破断顶板群结构；随着下部煤层的开采，破断顶板群高度向上发育扩展。

我国坚硬顶板煤层分布很广，煤炭储量也极丰富，主要分布在山西、陕西、内蒙古、新疆及北京京西等煤田。开采坚硬顶板煤层的矿区主要是大同矿务局和京西矿务局，尤其是大同，煤炭储量丰富、煤层条件好、开发强度也很大，全局每年约开采原煤近4×10⁷t。

为了研究煤层巷道粉砂质泥岩直接顶受基本顶裂隙水侵蚀后，巷道掘进过程中易于发生冒顶事故的原因，通过现场调研、取样、实验室试验和理论分析相结合的综合研究手段揭示出富水煤层巷道顶板失稳的机理在于：巷道开挖后产生的顶板裂隙形成了直接顶与基本顶含水层之间连通的通道，使得微结构裂隙发育和含有较高的亲水性矿物粉砂质泥岩吸水，其吸水后产生了较高的膨胀应力，并在三向受力状态下发生崩解、破坏，锚杆承载基础弱化和较高的膨胀应力引起了煤层巷道顶板失稳。同时针对富水煤层巷道顶板失稳机理，提出了通过减少顶板水运动对围岩的破坏、优化巷道断面和高预应力来实现该类巷道顶板的稳定。工程实践表明，采用半圆拱巷道、合理布置疏水孔以及高预应力锚带网索组合支护体系可确保对该类巷道顶板的有效控制。 2100433B