帶壓開采下底板滲流與應力耦合破壞突水機理及其工程應用.pdf

1、近年來，隨著董家河煤礦開采深度的增加，開采環(huán)境日趨復雜，水壓、地應力等不斷增大，太原組下部煤層開采受到奧陶紀灰?guī)r承壓水的威脅將更加突出，如何有效預防和控制底板奧灰?guī)r溶水害問題已變得十分迫切和重要。本文圍繞帶壓開采條件下煤層底板突水的影響因素分析、采動支承壓力和承壓水壓力數(shù)學模型的建立、流固耦合數(shù)值模型的建立、底板隔水層突水危險區(qū)域等級劃分、底板注漿改造工程設計依據(jù)等科學問題,綜合運用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場測試及實驗室試驗等技術(shù)途徑,對

2、滲流與應力耦合作用下底板采動破壞特征及突水機理展開了全面系統(tǒng)的研究,并取得了如下成果：
　　(1)在分析董家河煤礦工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及以往突水資料的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)研究了影響董家河煤礦5號煤層底板突水的主要因素,即奧灰?guī)r含水層水頭高度、含水層富水性、底板隔水層巖性、巖層組合特征、地質(zhì)構(gòu)造以及礦山壓力等,董家河煤礦5號煤層底板突水是這些因素共同作用的結(jié)果,在這些影響因素中,地質(zhì)構(gòu)造和奧灰水頭高度是主導因素、奧灰?guī)r的富水性以及底板隔水層的

3、組合特性是客觀因素、采動礦壓是促進因素、工作面的傾斜長度及開采面積是工程主觀因素。
　　(2)應用煤體線性彈塑性軟化模型,推導出煤壁前方支承壓力表達式,采用半無限平面體受支承壓力作用的彈性解分析得出煤層底板巖體應力分布狀態(tài),給出了充分采動前、后煤層底板巖體應力達到屈服時的塑性線,同時采用塑性滑移線場理論研究了底板采動破壞形態(tài)及破壞深度,并結(jié)合承壓水壓力對底板隔水層的影響,研究了承壓水壓力對底板隔水層的作用機理,分析了帶壓開采下底板

4、采動應力耦合作用,從而形成了董家河煤礦5號煤層底板突水理論和技術(shù)的綜合研究體系,所得出的理論分析方法為底板采動破壞現(xiàn)場實測研究打下了理論基礎(chǔ)。
　　(3)利用本文的理論分析方法,把理論與現(xiàn)場實測相結(jié)合,對董家河煤礦5號煤層底板巖體受采動影響的局部深度進行現(xiàn)場實測,得到了帶壓開采條件下煤層底板采動破壞深度,實現(xiàn)了用理論方法解決現(xiàn)場實測的關(guān)鍵性技術(shù)問題。
　　(4)采用巖石損傷破裂過程滲流與應力耦合分析系統(tǒng)F-RFPA2D,建立

5、了滲流場與應力場耦合作用下董家河煤礦5號煤層底板巖層結(jié)構(gòu)數(shù)值模型,對底板采動應力與滲流影響進行數(shù)值模擬分析,揭示了煤層底板隔水層的采動破壞特征、應力分布及滲流特征,為深入研究董家河煤礦5號煤層底板突水規(guī)律提供了科學依據(jù)。
　　(5)結(jié)合董家河煤礦實際水文地質(zhì)條件,運用突水系數(shù)理論對董家河煤礦太原組5號煤層底板隔水層進行帶壓開采危險等級區(qū)域劃分,并據(jù)此對底板巖層的隔水性能作出評價,預測未來開采條件下底板突水情況,最大限度地解放了董家

6、河煤礦5號煤層受奧灰水害威脅的壓煤儲量達到5344.6萬噸,提高了煤炭資源的回收率,創(chuàng)造了相當可觀的經(jīng)濟效益,為董家河煤礦帶壓開采底板水害防治與控制奠定了基礎(chǔ)。
　　(6)通過本文的系統(tǒng)分析,將研究成果應用于董家河煤礦5號煤層22507工作面底板注漿加固改造工程中,采用流固耦合數(shù)值分析于底板水害防治技術(shù)實踐,并結(jié)合模擬結(jié)果提出煤層底板注漿加固改造技術(shù)措施,實現(xiàn)了工作面安全回采,取得了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益,為今后董家河煤礦乃至澄