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随着国家经济战略的西移，西部煤炭资源，尤其是鄂尔多斯盆地东胜煤田深部煤炭资源成为国家重点开发的能源储备。与东部兖州煤田和济宁煤田深部矿区相比，当地表处于非充分采动状态时，同等采动条件下西部东胜煤田深部矿区巨厚弱胶结覆岩下煤炭开采地表下沉明显偏小，现有岩层移动理论无法合理解释其特殊性，给高产高效工作面开采带来了极大的安全隐患，严重制约了巨厚弱胶结覆岩下煤炭资源的大范围开采。本文以东胜煤田营盘壕煤矿为研究对象，通过实验研究弱胶结砂岩的物理力学性能及微观结构结构特征，对比分析东西部深部矿区岩石力学性质、覆岩结构特征和地表移动变形规律的差异，明确导致巨厚弱胶结覆岩深部开采地表下沉偏小的影响因素。然后，利用力学分析、数值模拟和物理模拟手段研究巨厚弱胶结覆岩深部开采地表移动变形规律，上覆岩层运动与破坏特征，并提出巨厚弱胶结覆岩深部开采区域性岩层运动控制方法，具体成果如下：
（1）巨厚弱胶结砂岩岩性偏软弱，但岩层整体刚度较大。①白垩系志丹群砂岩虽然单轴抗压强度在10~20MPa之间、岩性软弱；岩石内部空隙较大，裂隙和节理几乎不发育；胶结物为钙质胶结且不溶于水，胶结物力学性质与岩石颗粒相近；岩层厚度较大、褶皱、断层不发育，使得志丹群砂岩整体刚度较大。②直罗组砂岩单轴抗压强度在20~40MPa之间、岩性呈中硬；岩石较为致密，裂隙和空洞发育较少；虽然胶结物为粘土矿物，但是不易溶于水；岩层厚度较大、褶皱、断层不发育，使得直罗组砂岩整体刚度较大。
（2）东西部深部矿区煤炭开采地表移动变形规律存在明显差异。同等采动条件下，当开采范围较小地表处于极不充分采动，巨厚弱胶结覆岩深部开采岩层运动规律与东部地区坚硬覆岩矿区岩层运动规律相近，巨厚弱胶结覆岩深部开采地表下沉系数明显小于软岩下深部开采。当开采范围较大，采动程度接近甚至达到充分采动时，东部地区深部矿区的地表下沉系数普遍大于西部深部矿区的地表下沉系数，东部地区地表接近充分采动，巨厚弱胶结覆岩地表仍然呈现出非充分采动特征。
（3）采动空间对巨厚弱胶结覆岩深部开采地表移动变形规律的影响：当D1/H0＞=3，D3/H0＞=3时，地表达到充分采动；巨厚弱胶结覆岩深部单工作面开采时，随着走向采动程度的不断增大，走向边界角呈Boltzmann函数迅速减小，下沉系数呈Boltzmann函数增大；巨厚弱胶结覆岩深部多工作面开采时，随着倾向采动程度的不断增大，地表下沉系数呈Boltzmann函数增大，水平移动系数呈正弦函数减小，主要影响角正切呈Boltzmann函数增大；通过数值模拟研究得出了煤层重复采动地表下沉系数、水平移动系数和主要影响角正切与煤层初采相应地表移动参数的关系。
（4）覆岩结构变化对巨厚弱胶结覆岩深部开采地表移动变形规律的影响：随着采动程度的增加，巨厚砂岩对上覆岩层移动的控制作用先增强后减弱。营盘壕煤矿巨厚志丹群砂岩控制效应最强时，地表下沉系数减少0.18，减小幅度达到28.2%。覆岩结构中主控制作用结构及亚关键层结构的相对空间距离和相对顺序的变化对地表移动变形规律的影响有明显区别，主关键层结构及亚关键层结构的相对空间距离的变化对地表下沉系数、水平移动系数和主要影响角正切影响较小，主关键层结构及亚关键层结构的相对顺序的变化对地表下沉系数影响较大，对水平移动系数和主要影响角正切影响较小。在论文研究中，主亚关键层相对空间位置变化时，地表下沉系数变化值的最大值为0.09，地表下沉系数增大幅度占地质原型中相应下沉系数的15.8%，变化幅度较小。主亚关键层相对空间顺序变化时，地表下沉系数变化值的最大值为0.31，地表下沉系数增大幅度占地质原型中相应下沉系数的67.4%，变化幅度较大。主关键层结构及亚关键层结构的相对空间距离和相对顺序变化时，水平移动系数和主要影响角正切变化幅度小于20%，变化幅度较小。
（5）水平构造应力对巨厚弱胶结覆岩深部开采地表移动变形规律的影响：水平构造应力是导致深部开采影响范围远大于当前认知的主要原因之一，也是导致巨厚弱胶结覆岩深部开采地表下沉较小的主要原因之一。在论文研究中，营盘壕煤矿多工作面开采时，当水平构造应力达到2倍垂直应力时，地表下沉系数减小值最大达到0.49，减小幅度达到61.3%，SW值最大增加1110m，增加幅度达到205.6%，SU值最大增加1710m，增加幅度达到247.8%。
（6）采用基于等比数列修正的位移视差法单目视觉近景摄影测量技术监测相似材料模型，测量精度约为0.47mm。提出了深部开采叠合式相似材料模拟新思路及单双目近景摄影测量联合监测新方法，克服了常规相似材料模拟研究深部开采岩层运动问题的局限性，为研究深部开采采区多工作面采动联合影响、甚至是多采区采动联合影响的区域变形的动态发育过程提供了新的思路和技术支持。
（7）巨厚弱胶结覆岩破坏模式呈―梁-拱壳‖式破坏，破坏边界呈拱形裂隙，随着开采范围不断扩大逐渐由完整―拱壳‖式破坏转变为―半拱壳‖式破坏。随着单层厚度的增大，厚层弱胶结砂岩破坏模式由“拱壳”式破坏向“拱壳-梁-拱壳”式破坏转变。巨厚弱胶结砂岩发生“拱壳-梁”式破坏前，其运动过程表现出明显的时间相关性，之后，其运动过程时间相关性消失，表现出随采随沉的特征。由于巨厚志丹群砂岩的“拱壳-梁-拱壳”式破坏模式，巨厚弱胶结覆岩深部多工作面开采地表呈跳跃式下沉。
（8）论文结合关键层理论、岩梁理论和随机介质的颗粒体介质理论模型，揭示了厚层弱胶结砂岩和水平构造应力影响巨厚弱胶结覆岩深部开采岩层运动规律的作用机理，为合理解释巨厚弱胶结覆岩深部开采地表下沉明显偏小和深部开采影响范围较广提供了理论依据。结合岩梁理论和压力拱理论，分析了巨厚弱胶结覆岩破坏模式，推导了岩梁任意截面上任意点的拉应力和剪应力方程，建立了拱迹线任意截面的弯矩、剪力和轴力平衡方程。
（9）提出了基于主关键层的巨厚弱胶结覆岩深部煤炭部分充填开采地表沉陷控制及能量积聚降低方法。通过研究影响基于主关键层的巨厚弱胶结覆岩深部煤炭部分充填开采地表沉陷控制及能量聚集降低效果的影响因素和响应规律，认为各影响因素对基于主关键层的部分充填开采岩层移动控制效果的影响程度从大到小依次为：垮落工作面宽度＞充填率＞区段煤柱宽度＞充填工作面宽度；对基于主关键层部分充填开采能量积聚的影响程度从大到小依次为：区段煤柱宽度＞充填率＞垮落工作面＞充填工作面宽度。通过分析基于主关键层的部分充填开采的充填工作面复合充填体和上覆岩层的应力分布特征，指出基于主关键层的部分充填开采控制机理是复合充填体与主要关键层结构之间的协同作用。
（1）巨厚弱胶结砂岩岩性偏软弱，但岩层整体刚度较大。①白垩系志丹群砂岩虽然单轴抗压强度在10~20MPa之间、岩性软弱；岩石内部空隙较大，裂隙和节理几乎不发育；胶结物为钙质胶结且不溶于水，胶结物力学性质与岩石颗粒相近；岩层厚度较大、褶皱、断层不发育，使得志丹群砂岩整体刚度较大。②直罗组砂岩单轴抗压强度在20~40MPa之间、岩性呈中硬；岩石较为致密，裂隙和空洞发育较少；虽然胶结物为粘土矿物，但是不易溶于水；岩层厚度较大、褶皱、断层不发育，使得直罗组砂岩整体刚度较大。
（2）东西部深部矿区煤炭开采地表移动变形规律存在明显差异。同等采动条件下，当开采范围较小地表处于极不充分采动，巨厚弱胶结覆岩深部开采岩层运动规律与东部地区坚硬覆岩矿区岩层运动规律相近，巨厚弱胶结覆岩深部开采地表下沉系数明显小于软岩下深部开采。当开采范围较大，采动程度接近甚至达到充分采动时，东部地区深部矿区的地表下沉系数普遍大于西部深部矿区的地表下沉系数，东部地区地表接近充分采动，巨厚弱胶结覆岩地表仍然呈现出非充分采动特征。
（3）采动空间对巨厚弱胶结覆岩深部开采地表移动变形规律的影响：当D1/H0＞=3，D3/H0＞=3时，地表达到充分采动；巨厚弱胶结覆岩深部单工作面开采时，随着走向采动程度的不断增大，走向边界角呈Boltzmann函数迅速减小，下沉系数呈Boltzmann函数增大；巨厚弱胶结覆岩深部多工作面开采时，随着倾向采动程度的不断增大，地表下沉系数呈Boltzmann函数增大，水平移动系数呈正弦函数减小，主要影响角正切呈Boltzmann函数增大；通过数值模拟研究得出了煤层重复采动地表下沉系数、水平移动系数和主要影响角正切与煤层初采相应地表移动参数的关系。
（4）覆岩结构变化对巨厚弱胶结覆岩深部开采地表移动变形规律的影响：随着采动程度的增加，巨厚砂岩对上覆岩层移动的控制作用先增强后减弱。营盘壕煤矿巨厚志丹群砂岩控制效应最强时，地表下沉系数减少0.18，减小幅度达到28.2%。覆岩结构中主控制作用结构及亚关键层结构的相对空间距离和相对顺序的变化对地表移动变形规律的影响有明显区别，主关键层结构及亚关键层结构的相对空间距离的变化对地表下沉系数、水平移动系数和主要影响角正切影响较小，主关键层结构及亚关键层结构的相对顺序的变化对地表下沉系数影响较大，对水平移动系数和主要影响角正切影响较小。在论文研究中，主亚关键层相对空间位置变化时，地表下沉系数变化值的最大值为0.09，地表下沉系数增大幅度占地质原型中相应下沉系数的15.8%，变化幅度较小。主亚关键层相对空间顺序变化时，地表下沉系数变化值的最大值为0.31，地表下沉系数增大幅度占地质原型中相应下沉系数的67.4%，变化幅度较大。主关键层结构及亚关键层结构的相对空间距离和相对顺序变化时，水平移动系数和主要影响角正切变化幅度小于20%，变化幅度较小。
（5）水平构造应力对巨厚弱胶结覆岩深部开采地表移动变形规律的影响：水平构造应力是导致深部开采影响范围远大于当前认知的主要原因之一，也是导致巨厚弱胶结覆岩深部开采地表下沉较小的主要原因之一。在论文研究中，营盘壕煤矿多工作面开采时，当水平构造应力达到2倍垂直应力时，地表下沉系数减小值最大达到0.49，减小幅度达到61.3%，SW值最大增加1110m，增加幅度达到205.6%，SU值最大增加1710m，增加幅度达到247.8%。
（6）采用基于等比数列修正的位移视差法单目视觉近景摄影测量技术监测相似材料模型，测量精度约为0.47mm。提出了深部开采叠合式相似材料模拟新思路及单双目近景摄影测量联合监测新方法，克服了常规相似材料模拟研究深部开采岩层运动问题的局限性，为研究深部开采采区多工作面采动联合影响、甚至是多采区采动联合影响的区域变形的动态发育过程提供了新的思路和技术支持。
（7）巨厚弱胶结覆岩破坏模式呈―梁-拱壳‖式破坏，破坏边界呈拱形裂隙，随着开采范围不断扩大逐渐由完整―拱壳‖式破坏转变为―半拱壳‖式破坏。随着单层厚度的增大，厚层弱胶结砂岩破坏模式由“拱壳”式破坏向“拱壳-梁-拱壳”式破坏转变。巨厚弱胶结砂岩发生“拱壳-梁”式破坏前，其运动过程表现出明显的时间相关性，之后，其运动过程时间相关性消失，表现出随采随沉的特征。由于巨厚志丹群砂岩的“拱壳-梁-拱壳”式破坏模式，巨厚弱胶结覆岩深部多工作面开采地表呈跳跃式下沉。
（8）论文结合关键层理论、岩梁理论和随机介质的颗粒体介质理论模型，揭示了厚层弱胶结砂岩和水平构造应力影响巨厚弱胶结覆岩深部开采岩层运动规律的作用机理，为合理解释巨厚弱胶结覆岩深部开采地表下沉明显偏小和深部开采影响范围较广提供了理论依据。结合岩梁理论和压力拱理论，分析了巨厚弱胶结覆岩破坏模式，推导了岩梁任意截面上任意点的拉应力和剪应力方程，建立了拱迹线任意截面的弯矩、剪力和轴力平衡方程。
（9）提出了基于主关键层的巨厚弱胶结覆岩深部煤炭部分充填开采地表沉陷控制及能量积聚降低方法。通过研究影响基于主关键层的巨厚弱胶结覆岩深部煤炭部分充填开采地表沉陷控制及能量聚集降低效果的影响因素和响应规律，认为各影响因素对基于主关键层的部分充填开采岩层移动控制效果的影响程度从大到小依次为：垮落工作面宽度＞充填率＞区段煤柱宽度＞充填工作面宽度；对基于主关键层部分充填开采能量积聚的影响程度从大到小依次为：区段煤柱宽度＞充填率＞垮落工作面＞充填工作面宽度。通过分析基于主关键层的部分充填开采的充填工作面复合充填体和上覆岩层的应力分布特征，指出基于主关键层的部分充填开采控制机理是复合充填体与主要关键层结构之间的协同作用。