采动动载作用下底板岩层损伤破裂机理及突水防治技术研究

发布时间：2017-08-12 21:55

  本文关键词：采动动载作用下底板岩层损伤破裂机理及突水防治技术研究

  更多相关文章： 采动动载 底板破坏 损伤破裂 突水防治 保水采煤

【摘要】：我国浅部煤炭资源逐渐枯竭,矿井进入深部开采阶段,现场实测发现的顶板周期性垮落动载作用下底板破坏深度滞后加深现象严重威胁薄隔水层、高水压、高动载扰动条件下的深部煤层开采,对此本文从现场探测、理论分析、相似模拟实验、数值模拟、现场水害防治方法等方面对采动动载作用下底板岩层损伤破裂机理及突水防治技术进行了系统研究,取得如下创新性成果:(1)发现并论证了底板采动裂隙滞后煤壁破坏加深的规律。通过对底板破坏规律进行注水试验、岩层应变探测及微震监测,实时发现了底板采动裂隙滞后煤壁15-20m有破坏加深的规律,并从底板岩层的损伤演化及破裂机理、力学响应特征、破裂突水演化过程及防控采动裂隙实践方法等方面做了进一步研究,指出这种规律是底板岩层受顶板周期性垮落动载冲击作用后,底板岩层破裂、岩层原有缺陷(小裂隙、断层、陷落柱等)活化再扩展的结果。(2)理论分析了动载作用下采空区底板岩层损伤演化及破裂机理。推导出了集中型与均布型动载作用下底板应力分布的解析表达式、考虑动载应变率效应的岩石损伤演化方程;结合Bingham与Generalized boydin模型优势及试验数据验证,建立并论证了新的动载作用下煤系岩石的本构模型(B-G模型)及相应的损伤本构模型;结合双剪统一强度理论与B-G损伤本构模型,建立了动载作用下煤系岩石的双剪统一强度损伤屈服准则,并提出了采动动载作用下底板岩层的破裂判据。(3)提出了采动底板岩层经历了采前应力集中、采后膨胀卸压、采动动载冲击、采空区压实平衡四个阶段的观点。结合现场测试与理论分析结果,采用相似模拟手段,从采动过程中底板岩层位移与应力变化特征进行了论证,指出底板岩层裂隙的萌生、扩展、再加深主要发生在1~2与2~3的转变过程之间。(4)研究了采动动载作用下底板薄弱(含裂隙)部位的滞后破坏规律。模拟了含裂隙底板受动载作用后的导水通道形成过程,从模型的应力、位移、塑性破坏区、裂隙渗流速度、孔隙水压导升高度、动载作用强度、含水层水压力等方面进行了分析,总结出了采动动载作用下底板薄弱部位的破裂突水机理。(5)论证了防治底板岩层滞后破坏突水灾害的技术方法。在系统分析了底板滞后破坏突水灾害发生机理的基础上,抓住动载作用下含缺陷底板岩层破坏深度明显加大的特征,提出了注浆加固底板岩层建立自然-人工关键隔水层的防治方法,并通过物探、钻探、注水试验、岩层抗渗性测试、岩石全应力-应变渗透性试验、岩石孔隙结构测试和现场开采实践证明了注浆加固对控制底板采动导水裂隙发育及滞后加深,提高底板抗突水能力等方面所起到的关键作用。研究成果丰富了现有的采动底板破坏理论,也为预防采空区底板滞后突水、解放和安全开采深部承压煤层提供了理论与实践依据。
【关键词】：采动动载 底板破坏 损伤破裂 突水防治 保水采煤
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD745;TD322.1
【目录】：

• 致谢4-6
• 摘要6-7
• Abstract7-9
• Extended Abstract9-28
• 变量注释表28-30
• 1 绪论30-50
• 1.1 研究背景及意义30-32
• 1.2 国内外研究现状32-45
• 1.3 研究目标45-46
• 1.4 研究内容与方法46-47
• 1.5 研究技术路线47
• 1.6 新观点与创新47-50
• 2 采动动载作用下底板破坏深度滞后加深规律探测50-66
• 2.1 探测方法介绍50-53
• 2.2 山西晋城成庄煤矿底板破坏测试53-55
• 2.3 陕西榆林小纪汗煤矿底板破坏测试55-61
• 2.4 内蒙古鄂尔多斯不连沟煤矿底板破坏规律探测61-65
• 2.5 本章小结65-66
• 3 采动动载作用下底板岩层损伤演化及破裂机理66-96
• 3.1 采动动载作用下底板岩层应力分布66-78
• 3.2 动载作用下底板围岩损伤演化本构模型78-92
• 3.3 采动动载作用下底板煤系围岩屈服准则及破裂判据92-95
• 3.4 本章小结95-96
• 4 采动动载作用下底板破坏裂隙相似模拟实验96-130
• 4.1 矿井地质条件96-97
• 4.2 顶底板岩层力学性质测试97-98
• 4.3 相似材料模型及试验系统98-102
• 4.4 试验方案与试验过程102-104
• 4.5 试验结果分析104-128
• 4.6 本章小结128-130
• 5 采动动载作用下底板岩层破裂机理数值模拟分析130-163
• 5.1 采动动载作用下完整底板岩层破坏特征模拟分析130-142
• 5.2 采动动载作用下含裂隙底板岩层突水机理模拟分析142-161
• 5.3 本章小结161-163
• 6 采动动载作用下底板突水防治实践技术163-191
• 6.1 新集二矿1煤底板采动导水裂隙防治的重要性163-165
• 6.2 底板岩层注浆加固前特征165-169
• 6.3 底板岩层注浆加固方案169-173
• 6.4 底板岩层注浆效果检验173-188
• 6.5 推广应用成果及前景188-189
• 6.6 本章小结189-191
• 7 结论与展望191-195
• 7.1 主要结论191-194
• 7.2 研究展望194-195
• 参考文献195-208
• 作者简历208-212
• 学位论文数据集212

，

本文编号：663813