浅埋煤层保水开采隔水层稳定性的模拟研究

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1、科技竞赛论文目录摘要11绪论51.1研究背景51.1.1采动水土流失现状51.2研究的目的和意义61.3研究现状和发展趋势61.3.1浅埋煤层地表隔水层国内外研究现状61.3.2物理相似模拟试验研究现状与趋势61.4研究内容与技术路线72隔水层的应力–应变及其相似条件92.1隔水层的应力–应变及其相似条件92.2本章小结103隔水层相似配比实验113.1相似配比实验设计11(1)模拟材料的选择11(2)配比实验设计123.2相似配比的应力–应变变化规律13(1)水和油影响剂的比较13(2)砂土比的影响14(3)最佳配比的确定143.3本章小结15

2、4岩层移动和隔水层稳定性模拟164.1模拟背景和模型设计164.1.1实验设计164.1.2实验过程164.2顶板基岩和隔水层垮落规律17(1)首分层开采17(2)二分层开采174.3顶板基岩和隔水层移动规律19(1)首分层开采20(2)二分层开采204.4隔水层稳定性及控制途径21(1)基岩对隔水层稳定性的影响21(2)下沉梯度控制指标215结论及感想235.1结论235.2感想23参考文献25致谢27附录2830科技竞赛论文浅埋煤层保水开采隔水层稳定性的模拟研究摘要随着全球对环境的关注，煤炭开采也向环保方向发展，提出了煤矿绿色开采理念，其中保

3、水开采日益受到重视[1~4]。我国陕北普遍赋存浅埋煤层，陕北榆神府矿区大部分地区松散风积沙层下存在着由第四系中更新统离石黄土(Q21)和第三系上新统三趾马红土(N2)组成的粘土层，为砂层含水层的直接隔水底板，是该地区重要的隔水层。因此粘土隔水层的采动隔水性能对实现浅埋煤层保水采煤具有重大意义，隔水层的采动稳定性模拟是开展浅埋煤层采动水土流失规律和保水开采控制研究的关键，其相似模拟材料的研制与配比变化规律研究则是模拟实验的基础、前提。相似模拟技术在采矿、水利和岩土工程领域得到广泛应用[5]，然而矿山相似模拟技术主要局限于对岩层等脆性材料弹性段的模拟

4、[6]。陕北浅埋煤层隔水层主要由塑性明显的土层组成，传统的脆性材料模拟技术难以满足要求。对于黏土隔水层，其塑性变形特性有利于减缓导水裂隙产生，保持为隔水稳定性。模拟隔水层的变形性质，特别是峰后塑性变形特性是隔水层稳定性模拟的关键。因此，实现隔水层应力–应变全程相似的模拟技术就成为保水开采研究的基础。作者[7,8]曾经采用石蜡作胶结剂、河砂作骨料的方法模拟黏土隔水层，但研究发现，石蜡在低温时脆性较强，温度较高时塑性较强，性能不稳定。200630科技竞赛论文年后，开始了对塑性模拟材料的开发，探索了应力应变全程相似的模拟材料和配比[9]。本文讨论了相似

5、材料及配比的合理性和实验结论的可靠性。实验研究得到了可以模拟隔水层的应力应变全程性质，实现了柔性岩土层的相似模拟。本论文的研究促进了相似模拟由线性模拟向应力应变全程仿真模拟的发展，为采动地表水土流失规律和保水开采控制研究提供了有效手段。关键词：浅埋煤层；粘土隔水层；相似模拟及配比；下沉梯度；保水开采30科技竞赛论文30科技竞赛论文1绪论1.1研究背景1.1.1采动水土流失现状陕北榆神府矿区属于神东煤田，神东煤田地处我国西部的毛乌素沙漠和陕北黄土高原的接壤地带，水资源贫乏，植被稀疏、生态环境脆弱，社会发展水平低，自然状态下环境质量呈下降趋势。由于煤

6、矿开采，导致地表水、煤系含水层的人工疏干及采动形成导水裂隙带引起的自然疏干，造成本已十分珍贵的矿区水资源白白地消耗和浪费。水资源的的破坏、流失将改变地表土壤的持水性和水土平衡结构，致使表土疏松，裸土、裸岩面积扩大，加剧矿区水土流失，导致土地荒漠化，最终导致地质环境质量、生态环境的彻底恶化。浅埋煤层下的开采对水土流失和土地荒漠化的影响更严重，因此在本来就脆弱的西部生态环境里，对浅埋煤层进行开采所造成的环境效应势必更加明显，影响也更为严重。1.2研究的目的和意义在水资源比较贫乏的本区，合理地开采和利用宝贵的水资源对保证矿区顺利开发，具有重要的现实意义

7、。受技术、条件的限制，现场隔水层的破坏规律是不可视的，但是利用相似实验可以有效、便利地开展对采动隔水性影响因素、控制条件的研究。相似模拟实验的前提是相似材料的选取，模拟实验的准确度及相似条件的实现情况，又在很大程度上依靠相似材料及配比选取的正确性，故相似材料的选择成为了隔水层研究的基础与根本。30科技竞赛论文可以预见，隔水层的采动隔水性研究及控制进而确定保水开采技术与理论，是建设山川秀美大西北的重要课题，具有重要意义。因此，关于浅埋煤层长壁开采下顶板隔水层采动破坏规律、采动隔水性影响控制条件以及潜水流失机理的研究，成为目前亟待解决的重要课题[10

8、]。1.3研究现状和发展趋势神府东胜煤田的神东、榆神府矿区是我国跨世纪建设的特大型矿区，但是该地区又受水资源贫乏、生态环境脆弱的严重制约