我國常見含煤地層為侏羅系和石炭-二疊系地層,在同一礦區(qū)雙系煤層同時存在且侏羅系和石炭系煤層同采的情況很少,其中大同礦區(qū)賦存的煤層具有“雙系、多煤層、堅硬頂板”的特點(diǎn)。侏羅系煤層開采后留下了采空區(qū)和煤柱,形成了大范圍裂隙發(fā)育區(qū),石炭系煤層開采后引起覆巖二次破壞,造成覆巖結(jié)構(gòu)破壞特征是由雙系煤層開采共同作用形成的多種結(jié)構(gòu)并存,使得開采條件較以往更加復(fù)雜。本文以馬脊梁礦雙系煤層為背景,以礦井水文地質(zhì)條件及煤層頂板巖層結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ),采用材料模擬和數(shù)值模擬手段,對比分析經(jīng)驗(yàn)公式和現(xiàn)場觀測結(jié)果,揭示雙系煤層開采共同作用下導(dǎo)水裂隙的發(fā)育規(guī)律。主要取得了以下成果:(1)通過分析水文地質(zhì)和巖層結(jié)構(gòu)特征,認(rèn)為侏羅系含水性較弱,只有采空區(qū)積水可能對3號煤層開采造成水害威脅;石炭系煤層覆巖表現(xiàn)出煤層頂板至二疊系山西組下段易產(chǎn)生導(dǎo)水裂隙,二疊系山西組上段至侏羅系14-2號煤底板易產(chǎn)生變形而不利于導(dǎo)水裂隙擴(kuò)展的特點(diǎn),上部隔水層能夠起到較好的隔水作用。(2)通過材料模擬可知:隨著工作面的推進(jìn)覆巖周期性破壞,當(dāng)工作面開采距離近似等于工作面寬度時導(dǎo)水裂隙高度最大,14-2號煤層導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度為44~48m左右,3號煤層導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度為110~130m左右;從模型視電阻率分布圖及反演圖可以看出模型采空區(qū)出現(xiàn)明顯的高阻區(qū)域,判斷導(dǎo)水裂隙高度為100m左右。(3)通過數(shù)值模擬研究可知:侏羅系煤層的開采會在采空區(qū)兩側(cè)和中間位置形成應(yīng)力集中區(qū)域并傳遞到石炭系煤層頂板,導(dǎo)致石炭系煤層開采過程中裂隙高度和密度增大;當(dāng)侏羅系煤層全部采空時,石炭系煤層導(dǎo)水裂隙高度為135m,當(dāng)侏羅系煤層開采一半時,石炭系煤層導(dǎo)水裂隙高度為140m,當(dāng)只采石炭系3號煤時,導(dǎo)水裂隙高度為120m,驗(yàn)證了應(yīng)力集中對導(dǎo)水裂隙的影響;石炭系3號煤層開采后導(dǎo)致侏羅系采空區(qū)二次下沉,14-2號煤覆巖最大二次下沉值為1.81m,會加劇地裂縫的擴(kuò)展和地表沉降。(4)綜合分析材料模擬和數(shù)值模擬結(jié)果,認(rèn)為侏羅系開采過程中形成的應(yīng)力集中將導(dǎo)致石炭系煤層開采過程中形成的裂隙“閉合”,而石炭系煤層開采引起侏羅系采空區(qū)二次彎曲下沉,導(dǎo)致侏羅系煤層覆巖中被壓實(shí)的裂隙“活化”,其中對橫向裂隙的影響比較明顯,對縱向裂隙的影響比較小。(5)根據(jù)中硬巖層導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度經(jīng)驗(yàn)計算公式、現(xiàn)場觀測、材料模擬和數(shù)值模擬等方式綜合對比分析,認(rèn)為經(jīng)驗(yàn)公式得到的導(dǎo)水裂隙高度較小,現(xiàn)場實(shí)測和模擬研究所得的導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度基本吻合,確定石炭系3號煤覆巖導(dǎo)水裂隙高度為150m,裂采比為24.27,對應(yīng)實(shí)測煤層厚度為6.18m,導(dǎo)水裂隙不會貫穿石炭系煤層覆巖與侏羅系采空區(qū)聯(lián)通,能夠保證礦井安全生產(chǎn)。本文關(guān)于雙系煤層開采共同作用下的導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度模擬研究,對研究區(qū)頂板水害的防治具有一定的理論意義和實(shí)踐價值。
【學(xué)位單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TD82
【部分圖文】：

本井田位于桑干河支流御河的一級支流十里河的主要支溝馬脊梁溝南無常年地表徑流水體，降水量少，而且主要集中在 7、8 月份，雨季雨量通過井田內(nèi)主要溝谷桃花溝和干溝匯集排泄，會增大對溝谷底部裸露基水入滲，如溝谷底部存在因煤層采空形成的塌陷區(qū)，洪水將會大量通過入井下。在馬脊梁井田內(nèi)，針對石炭-二疊系煤層，在 1986 年前施工鉆孔 32 個7 年施工鉆孔 44 個，在 2009 年至 2011 年施工鉆孔 23 個，基本查明了田石炭-二疊系的煤炭資源。石炭系主要可采煤層有：3 號煤層位于太原基本為全區(qū)賦存；5 號煤層位于太原組中上部，距山西組底界 K3 砂巖 左右；8 號煤層位于太原組下部，下距底界 K2 砂巖一般 15m 左右，位層之下。石炭系 3 號煤層與侏羅系 14-2 號煤層的層間距約 200m。馬脊梁煤礦侏羅系煤層的開采引起覆巖運(yùn)動和破壞，已形成了大量的采水裂隙發(fā)育區(qū)，再次開采石炭-二疊系煤層，將會引發(fā)覆巖的再次破壞的導(dǎo)水裂隙和地裂縫，并影響原有裂隙，情況十分復(fù)雜，詳見圖 1-1。

研究技術(shù)路線圖

Rock Strata in the StudyArea本章根據(jù)井田各階段勘探地質(zhì)、水文地質(zhì)資料，分析馬脊梁礦井田地質(zhì)背 8117 工作面煤層覆巖水文地質(zhì)特征及巖層結(jié)構(gòu)特征。2.1 研究區(qū)地質(zhì)背景（Geological Background of the StudyArea）2.1.1 自然地理概況（1）地理位置與交通同煤集團(tuán)馬脊梁煤礦（以下簡稱馬脊梁礦）位于大同煤田的西北部，地處市南郊區(qū)與左云縣交界位置，距離大同市區(qū) 40km。馬脊梁礦地理坐標(biāo)為東經(jīng)12°53′32″~113°00′16″，北緯：39°58′26″~40°04′03″，井田東部和同忻井田毗鄰部和塔山及東州窯井田相接，南部和塔山井田相鄰，北部以燕子山作為邊界西長約 9.2km，南北長約 9.5km，面積約為 43.7022km2。馬脊梁集運(yùn)站鐵路由北部進(jìn)入井田，大同至左云公路穿過井田北部，京大和大運(yùn)高速公路已建車，煤炭貨運(yùn)十分便利。馬脊梁礦位置見圖 2-1。
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本文編號：2840134