[00131000]煤矿采场覆岩空间结构演化机理研究

1、研究目标 研究不同地质和采动条件下矿山压力大小、分布及覆岩运动破坏的规律,包括受采动影响运动和破坏的岩层范围和在煤层上重新分布的“动力场”应力大小、分布特征以及它们随采场推进发展演变的规律,建立采场动态结构力学模型;通过对煤矿采场围岩灾害的地质动力源与开采动力源的深入研究,提出采场围岩动力驱动型事故灾害的致灾机理与动力基础,为采场围岩灾害预防及控制奠定基础。 2、研究内容 针对我国煤矿采场围岩重大事故频发现状,围绕采场围岩动力驱动型重大事故致灾机理研究存在的问题,以“岩层运动和支承压力分布为核心”,在采场动态结构模型建设、采场围岩重大事故致灾机理与防控方法等方面开展研究工作。主要研究内容如下： （1）采场地质动力源与采动动力源应力特征及相互作用机制研究 ①采前原始地质条件研究,主要包括区域构造特征、矿井构造条件、煤层顶底板稳定性、瓦斯、地压、顶、底板含水层等事故源特征; ②研究区域应力场背景和矿井构造应力场的演化关系; ③研究矿井构造应力场的空间非均匀特征; ④研究煤矿采动应力场与构造应力场的叠加效应; ⑤研究采动应力与构造应力的发生、发展、变化、转移的动态演化过程。 （2）采场覆岩空间结构时空演化机理 ① 煤矿采场围岩灾害空间结构力学模型和相关结构力学参数指标体系建立及实验研究; ② 对采场矿压显现有影响的空间结构范围等级划分; ③“内、外应力场”形成机理及演变规律; ④ 采动过程中岩层运动和应力分布时空演变规律。 （3）采场围岩灾害控制技术基础 ①构建基于采场围岩灾害致灾机理和致灾动力源演化规律的、以控制覆岩运动和改变致灾动力源的演化过程为手段的煤矿采场围岩灾害控制方法技术体系; ②研究以充填结构-顶板-底板为主要研究对象的围岩结构在致灾应力场作用下变形破裂特征和稳定性判定敏感指标体系; ③以释放致灾动力源能量为目标的采空区密闭技术。 3、研究方法 本课题采用细观到宏观、三维到四维、理论-实验-工程实践结合的方法,研究不同地质构造条件下宏观力学性质与动力灾害之间的关系,研究原始构造应力场中应力赋存和致灾机制;应用相似模拟试验台和机械模拟试验台模拟复杂构造应力环境下动力场分布规律,研究单一重力场、复杂构造应力场条件下灾害发生的机理。 研究工作面推进过程中采场覆岩空间结构形态和应力场时空演变规律,建立不同采动条件下采场空间动态结构力学模型和相关结构 力学参数体系;研究在岩层运动和动力场转移等动力驱动下煤层破坏模式及判别方法;深入探讨采场覆岩空间结构-采动应力场-原始构造应力场三场相互耦合过程中采场围岩灾害发生的机理,进一步完善煤矿安全高效开采理论体系和评价方法。 4、任务完成情况 （1）详细分析了兖州煤田构造发展史;在兖州煤田南屯煤矿1604工作面进行了底板应力实测,获得了构造应力分布特征。同时,对采动应力场与构造应力场叠加后在底板中的显现规律进行了实测研究。 （2）研究了采场覆岩空间结构力学模型,获得了覆岩中裂断拱、“应力拱”的几何参数和属性、空间位置、峰值大小和形成机制与演化规律;建立了采场覆岩空间结构的数字模型;开发了一种采场覆岩结构动态可视化仿真系统平台。 （3）以采场覆岩结构演化为指导,构建了围岩灾害相关控制技术方法,开展了系列工程实践,验证了课题研究成果。 5、课题验收专家组意见 专家组认为该课题完成了计划任务书规定的研究内容,达到了预期目标,经费使用合理,同意通过验收,验收评价等级为优秀。