摘要
神东矿区地处毛乌素沙漠边缘，地表蒸发量大，常年水资源匮乏，生态环境十分脆弱，而地下煤炭资源的开采导致地层水资源大量外排，加剧了水资源匮乏。为实现煤炭开采过程中地下水资源“导、储、用”，顾大钊院士团队提出了煤矿地下水库技术，利用煤矿采空区内自由空间储水，解决了缺水矿区煤炭资源开采与水资源保护协调发展的难题。在地下水库运行过程中，其内存储的水体对水库坝体和顶底板产生作用力，极易诱发坝体失稳、底板渗流等，严重影响地下水库的安全、高效运行，而储水量的大小决定了水体对水库坝体和顶底板产生作用力的剧烈程度。因此，研究确定煤矿采空区的储水容量对于地下水库技术的安全高效实施具有重要意义。 本文以神东矿区大柳塔煤矿为工程背景，综合采用理论分析、室内试验与数值模拟计算等方法，开展了已采工作面内自由储水空间分布规律及保水库容研究。以关键层理论和采场覆岩结构模型为基础，结合神东矿区浅埋煤层覆岩结构类型及厚松散层覆岩的沉降边界模型，给出了采空区内冒落岩石承受载荷的数学表达式，建立了两类煤矿地下水库储水结构模型，提出了地下水库保水库容的两种计算方法；通过不同粒径组合下破碎岩石的残余碎胀系数试验，确定了岩石粒径-应力-残余碎胀系数之间的关系，为地下水库自由空隙空间分区计算提供基础参数；利用饱水试样的单轴压缩试验，探究了水岩作用对保水库容的影响；同时分析了工作面覆岩结构与煤矿地下水库库容的关系，并利用正交实验判别了工作面开采技术条件中各影响因素的主次顺序及显著性水平。以神东矿区大柳塔矿井22615工作面为工程背景，利用FLAC3D数值模拟软件模拟了工作面推采至500m、1000m、1470m时的采空区冒落岩石所受支承压力和地表沉降特征，确定了采空区内冒落岩石沿工作面走向及倾向的承载分区范围；采用surfer12.0软件获得了覆岩下沉体积及下沉等值线图，利用“基于地表沉降体积的库容计算方法”求得22615工作面保水库容约为101.91万m3，并参考前人的研究成果对结论的合理性进行了论证。
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