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在充分掌握国内外水体下开采的理论成果和实践经验的基础上,从水体下特殊开采的特点出发,针对军城煤矿煤层赋存条件,分析了矿井含水层、隔水层的特征和分布规律;以军城煤矿为工程实践背景,对覆岩破坏高度的力学机理进行分析,采用水平拉伸变形分析法计算得到导水裂隙带高度的理论值。 采用FLAC3D数值模拟方法对12下煤层导水裂隙带的动态发育规律进行预测,得到工作面倾向与走向方向覆岩移动破坏规律,同时在覆岩中布置基点,记录各基点的水平位移以验证水平拉伸变形分析法的正确性;然后对军城煤矿南阳湖下开采进行安全可行性研究,分析矿井充水因素,计算矿井涌水量,进而确定防水安全煤岩柱高度,制定相应的防治水措施。 以31203工作面为例,对湖下开采进行安全开采技术分析。通过“钻孔分段注水法”得到导水裂隙带高度的实测值,制定工作面回采的安全保障性措施,保证工作面安全生产。军城煤矿31203工作面的安全回采,证明研究结论是可靠的、预计结果是准确的,同时也说明研究方法和技术路线可行性,得出了如下结论: (1)通过对覆岩破坏力学机理分析,确定采用水平拉伸变形分析法判断裂隙带内的软弱岩层受采动影响后的水平拉伸变形值是否达到临界值(2mm/m),以军城矿实测地质资料为基础,分析得到导水裂隙带发育最高点在11号泥岩中,其对工作面导水裂隙带的发展起了主要的抑制作用,导水裂隙带的发展将中止在此岩层中。 (2)采用FLAC3D数值模拟,得到工作面覆岩应力、围岩塑性区破坏分布规律以及覆岩破坏的动态发育过程,确定导水裂隙带模拟高度约为26m,其在倾斜方向上呈正态“马鞍型”形态,在走向方向上呈偏态“马鞍型”形态;然后在覆岩中布置基点,确定导水裂隙带顶点(26m)处基点的水平拉伸变形值保持在2mm/m内,验证了采用水平拉伸变形分析方法确定工作面导水裂隙带高度的正确性。 (3)通过对军城煤矿水文地质条件进行分析,确定矿井的充水因素,得到了矿井的最大涌水量882m3/h;根据理论计算、数值模拟结果以及防治水规定,最终确定12下煤层的防水煤岩柱高度为42m,保证了南阳湖水及第四系含水层水不会溃入井下,并制定了相应的防治水措施,实现南阳湖下煤层的安全开采。 (4)对31203工作面开采进行安全可行性分析,采用“钻孔分段注水法”对上覆岩层的移动和破坏进行了现场实测,得到导水裂隙带高度的实测值为28.58m,并阐述了31203工作面回采安全保障技术。