摘要
近年来，以巨野煤田为代表的厚表土薄基岩地层中深立井出现了井筒偏斜的新破损问题，与以往井筒竖向受压破坏区别明显，其偏斜机理不明，给煤矿的安全生产带来了巨大的隐患。而井筒的变形破坏，从本质上来说是井筒结构与周围地层相互作用后的结果，又煤层开采作为改变地层状态的主要因素，因此，为探索厚表土薄基岩型地层中深立井井筒的变形规律，分析其偏斜机理，需对采动下厚表土薄基岩地层和井筒移动变形规律进行深入研究。本文采用解析分析、数值计算、物理模拟试验和现场实测分析方法开展了相关研究。 首先，建立了厚表土薄基岩地层及井筒变形移动动态预计模型，并获得了其解析解。考虑厚表土薄基岩地层的特殊性，采用概率积分法无法准确地描述土岩双层介质地层的移动变形变化规律，故在结合概率积分法和Knothe时间函数的基础上，将由煤层开采引起基岩层上表面产生的竖向位移视为造成表土沉降的变化采厚，进而建立可以描述厚表土薄基岩地层及深立井井筒变化的动态预计模型。通过分析井筒位移随地层参数、开采参数和沉陷预计参数的变化，得到了采动条件下厚表土薄基岩地层中深立井的变形规律；并运用巨野煤田赵楼煤矿地表沉降监测数据和副井井筒变形监测数据验证了模型的可靠性。结果表明：本文提出的动态预计模型可以更好地计算厚表土薄基岩地层中由采动带来的地层及井筒变形。 其次，建立了三维厚表土薄基岩采动数值计算模型，并利用该模型求解了不同采动形式下地层和井筒的位移解，进而研究了煤层开采对地层及深立井井筒移动变形影响，揭示了不同采煤因素对井筒变形的影响规律，在此基础上研究了对称开采降低厚表土薄基岩地层中井筒偏斜风险的可能性。结果表明：相对于对称开采，煤层的单侧开采确实会产生更为显著的井筒水平位移，给对称开采的方法来减小厚表土薄基岩地层中井筒偏斜提供了研究基础。 再次，建立了三维大相似比采动下厚表土薄基岩地表及井筒变形相似模拟试验模型，基于试验原理，研发了一套相似试验系统。基于相似理论，采用渗透水力模拟重力场，利用“千米表土冻结法凿井模拟试验系统”，首次建立了相似比为1:1000的厚表土中深立井井筒采动变形物理模拟模型，研究了开采对地表竖向变形的影响和不同开采方式对井筒偏斜变形的影响规律。结果表明：煤层开采会使井筒朝向工作面开采方向产生水平移动，井口处的水平位移值最大；随着采厚的增加，采动引起的井筒水平位移值随之增加，且表现出近似的线性关系。对比三种开采方式导致的井筒水平位移值发现，不同方法带来的井筒水平位移影响顺序为：单侧开采＞对称先后开采＞对称同时开采。 最后，综合多种研究方法深入揭示了厚表土薄基岩地层中的井筒偏斜机理，并给出了降低井筒偏斜风险的方法。结合实测工作面开采参数、井筒变形及应变实测数据，验证了采动对井筒变形的影响规律。对比分析理论分析、数值模拟、物理模拟试验结果，分别计算了三种计算模型中的边界角，进而计算出现行规范下的保护煤柱尺寸，符合实际保护煤 柱尺寸范围，验证了三种模型计算方法对厚表土薄基岩地层中位移计算的合理性。对比三种开采方式得出结论：非对称开采是导致井筒偏斜的主要成因，在采动影响范围内的井筒受岩土体扰动作用产生朝工作面方向的偏斜变形，但采区对称开采同样能产生井筒的偏斜，相较于非对称开采，对称开采带来的井筒偏斜更小，且采区对称先后开采带来的井筒偏斜大于采区对称同时开采带来的井筒偏斜。针对实际情况，给出了厚表土薄基岩地层中井筒偏斜防治关于采区布置建议，为厚表土薄基岩地层中深立井偏斜防治提供了新思路。
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