榆神府矿区浅埋煤层顶板赋存有厚层的红黄土泥盖,其胶结性好、粘土矿物含量高、透水性差,使得覆岩采动破坏规律发生新变化,导水裂缝带多在泥盖层尖灭或受到抑制,目前许多学者并未深入认识这一点,在进行水体下开采论证、保水开采设计时,仍沿用厚基岩柱条件下裂采比进行计算,忽视了泥盖层的弥合隔水性,结果往往偏保守。因此有必要对浅埋薄基岩厚泥盖型煤层覆岩采动破坏规律进行研究,对于顶板水害防治与评价、保水开采实践具有重要的意义。本文以榆神府矿区郝家梁煤矿2301工作面为工程背景,开展了浅埋薄基岩泥盖型煤层覆岩采动破坏规律的相关研究,并应用于保水开采实践。首先分析了榆神府矿区地层结构及其力学特性,提出了覆岩采动破坏的“泥盖效应”,对泥盖型粘性红、黄土试样进行了物理力学及水理性测试;其次采用物理相似模拟试验、数值模拟、覆岩采动裂隙现场实测与工作面矿压显现规律分析等多种相结合的技术手段研究了泥盖型煤层覆岩采动破坏规律;然后采用随机介质理论阐述了泥盖效应产生的机理,并对粘性红土层的采动隔水性进行了试验研究;最终提出一种泥盖型煤层防水保护煤柱尺寸优化设计新方法,并应用于郝家梁煤矿2301工作面开采实践,实现了保水开采的目的。有助于合理确定保护煤柱尺寸参数,以提高开采上限、增加资源回收率。论文主要取得以下几方面的研究成果:(1)分析了榆神府矿区地层结构及其力学特性,提出了覆岩采动破坏“泥盖效应”概念,阐述了泥盖效应的本质在于泥盖层对导水裂缝发育的弥合修复作用,并将泥盖型煤层覆岩结构简化薄基岩厚泥盖型、薄基岩薄泥盖型、厚基岩薄泥盖型和厚基岩厚泥盖型等四种地质模型。(2)通过对粘性红、黄土试样进行物理力学及水理性测试,可知粘性红、黄土试样均含有较多的以绿泥石、伊利石和蒙脱石等为主的粘土矿物,均具有一定的内聚力和体积膨胀性,其抗剪强度高、抗裂能力强,且土体饱和渗透性系数小,具有透水性弱、隔水性良好的特征,这使得粘性土层下煤层开采覆岩采动破坏易产生泥盖效应。(3)覆岩采动裂隙发育的相似模拟试验表明:受泥盖层弥合修复作用,覆岩采动裂隙会经历“张开—闭合”的过程,且“两带”发育受粘性土层抑制性影响,发育不完整不充分、竖向没有明显的分带性,沿横向方向覆岩采动裂隙发育随基岩厚度变化呈分区性,覆岩采动变形破坏呈“整体式沉陷”的特点。(4)由泥盖型煤层覆岩采动数值模拟结果可知:受泥盖型粘性土层抑制性影响,覆岩采动变形破坏程度减轻,阻止了覆岩塑性区进一步向上发育,覆岩“两带”发育高度降低、分布形态也发生变化,导水裂缝带“马鞍形”结构形态消失,且随基岩与泥盖层的起伏发生变化。(5)覆岩采动裂隙现场实测数据表明裂隙向上发育进入静乐组红土后,受粘性土层膨胀性高、可塑性强等特征的影响,裂隙逐渐发生闭合,上部裂隙导水性微弱,“两带”发育高度大大降低,采动裂隙发育程度也显著减轻,最终覆岩垮采比2.66,裂采比6.4~7.04。(6)分析指出泥盖型煤层开采工作面矿压显现强烈,具有周期来压步距短、静压小、动载大的特点,同时建立了近场顶板岩层覆岩破断力学模型,指出近场基本顶岩层无法形成“砌体梁”式铰接结构,转化为以“短悬臂梁”结构形式存在,解释了工作面矿压显现特征。(7)阐述了覆岩采动破坏产生泥盖效应的机理,指出粘性土层发生变形破坏的前提是其由向下运动的空间和幅度,假设采动裂缝的张开-闭合发育过程与土层运动相一致,据此建立了粘性土层空间运动理论假设模型,采用随机介质理论计算了土体竖向下沉位移的变化规律,分析了土层内采动裂缝随土体竖向下沉位移的变化而发生张开-弥合的演化过程,同时提出可用土体内产生的拉应变评估采动裂缝的开裂程度。(8)基于流固耦合相似模拟试验对粘土隔水层的采动隔水性进行了试验研究,试验结果表明初始未受扰动状态下土体隔水性良好,开采扰动以后土体隔水性有所下降,同时由于土层遇水发生膨胀的特性,土层内采动裂缝会经历先张开后弥合的变化过程,土体的隔水性得到一定的恢复,土体的渗透性系数也会发生先增大后减小的变化规律,最终给出了开采扰动阶段土体渗透性系数的经验公式,对于开采过程中土体渗透系数的预测具有一定的参考意义。(9)指出泥盖效应作用下覆岩采动破坏易形成“泥盖弥合带”,弥合带的存在使得工作面在进行防水保护煤柱设计时可适当降低保护层留设厚度,将其应用于郝家梁煤矿2301工作面保水开采实践,通过GMS数值模拟和矿井涌水量实测数据验证了优化设计方法合理性,提高了工作面开采上限。