承压水上采空区底板岩层扰动规律研究

发布时间：2017-03-24 01:07

  本文关键词：承压水上采空区底板岩层扰动规律研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着浅部煤炭资源的枯竭,煤矿开采开始向深部延伸;同时,由于地层深部地下水压力的增高,遇到承压水威胁的矿井数量越来越多。众所周知,井下作业场所的高压地下水环境不仅导致矿井排水费用的增加,甚至引发矿井突水事故;因此,有效控制井下作业场所的地下水影响对保障作业人员生命安全、实现矿井安全生产有重要的意义。煤层带压开采时的安全预测是实现对地下水有效控制的重要前提,可以通过采空区底板岩层扰动值判断岩层破断的可能性,进而分析煤层带压开采的安全性;可靠的计算方法可以获得底板岩层扰动规律,分析模拟各种不同情况下采空区底板岩层扰动量的变化,为制定有效的底板岩层地质环境改善措施提供可靠的依据,也避免不必要的投资浪费。国内外许多学者都在煤层带压开采预测方面进行了大量的研究工作,提出了多种分析煤层带压开采安全性的计算方法,这些方法对于预测采空区底板岩层突水的可能性有着重要的意义。但是这些研究工作对于采空区底板岩层所受的外力,大多按照均匀分布和呈线性分布来进行处理,未考虑覆岩“竖三带”的逐步发育过程及工作面和巷道煤壁的支承作用对采空区底板表面压力分布的影响;在不同外力假设的影响下,底板隔水岩层扰动值会发生变化,可能导致煤层带压安全开采的预测结果不准确;因此,需要开展非均匀载荷作用下的采空区底板岩层扰动规律研究。本文综合运用理论分析、现场试验和数值模拟软件等方法和手段,对采空区底板岩层扰动规律进行了系统的研究,取得了如下研究成果:(1)底板隔水层厚度及承压水压力对采空区底板岩层扰动的影响分两种情况:当底板隔水层厚度及承压水压力相对较大时,覆岩中冒落、裂隙带所形成的底板岩层压力对采空区底板变形增量影响较小;采空区底板隔水岩层最大扰动值随工作面推进而逐渐增大,直至覆岩弯曲下沉带重量加载至底板表面时开始减小。当底板隔水层厚度及承压水压力相对较小时,覆岩中冒落、裂隙带所形成的底板岩层压力对采空区底板变形增量影响较大;老顶初次来压后,采空区底板隔水岩层最大扰动值即开始减小。所以,预测带压开采危险性时,必须考虑煤层开采过程中覆岩的影响,并结合底板下伏承压水压力大小及底板隔水岩层厚度进行综合分析。(2)应用以连续介质为基础的FLAC3D数值模拟软件,构建了煤层开采的数学及物理模型;通过现场实测与模拟模型的结果对比,验证模型正确性;根据采空区底板岩层数值模拟结果,获得采动影响下采空区底板表面压力的分布规律。(3)应用连通器原理研发了“隐蔽工程中点位高程动态测量装置”,可以对采空区的各底板岩层扰动量进行无参照标高点的测量;结合现场实际情况,分析多种不利因素对仪器测量结果的影响,获得测量的主要误差来源为采空区部与观测巷之间温度变化;并运用该装置对采空区底板岩层竖直方向的扰动值进行测量,获得采空区底板岩层随工作面回采时的扰动曲线。(4)采空区后方底板岩层扰动值变化规律为先增加后减小。工作面回采初期,采空区后方底板岩层向上扰动量逐渐增加,且最大值位于采空区后方中心位置附近;扰动等值线呈扇形分布并逐渐减小,工作面和巷道附近扰动值较小。当工作面回采较长距离时,虽然采空区底板卸压面积随工作面回采仍在逐渐增大,但采空区后方底板岩层被冒落岩体压制造成扰动量变小;而采空区前方由于工作面和巷道的支承作用,工作面及巷道附近的底板表面压力相对较小,导致采空区前方接近工作面和巷道附近的底板岩层扰动量相对较大;此时,采空区底板岩层扰动最大值位于采空区前方相对中间的位置,然后扰动等值线呈椭圆状分布,向四周逐渐减小。当采空区前方底板隔水岩层扰动值达到极值时,扰动值不随工作面回采产生较大变化,基本保持不变。
【关键词】：底板扰动值 承压水 采空区 底板突水 带压开采
【学位授予单位】：河南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD745
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 1 引言14-40
• 1.1 选题依据14-15
• 1.2 国内外研究现状及存在问题15-36
• 1.2.1 岩溶陷落柱引起底板破坏研究16
• 1.2.2 断层引起的底板破坏研究16-17
• 1.2.3“下三带”模型17-18
• 1.2.4 原位张裂与零位破坏模型18-20
• 1.2.5“下四带”模型20-22
• 1.2.6 岩梁模型22-23
• 1.2.7 薄板模型23-26
• 1.2.8 关键层模型26-28
• 1.2.9 突水系数法28-30
• 1.2.10 岩水应力关系法30-32
• 1.2.11 脆弱性指数法32-33
• 1.2.12 物理相似模拟实验33
• 1.2.13 数值模拟实验33-34
• 1.2.14 底板岩层破坏深度的实际测量方法34-35
• 1.2.15 其它预测方法35
• 1.2.16 目前研究不足之处35-36
• 1.3 本文研究内容及技术路线36-40
• 1.3.1 研究内容36-37
• 1.3.2 技术路线37-40
• 2 底板隔水岩层厚度及承压水压力对采空区底板扰动规律的影响40-52
• 2.1 相似模拟实验40-43
• 2.1.1 相似模拟比例确定40-41
• 2.1.2 相似模拟实验设计41-43
• 2.2 实验结果43-47
• 2.2.1 煤层覆岩变形及破坏特征43-44
• 2.2.2 底板表面压力分布特征44-45
• 2.2.3 采空区底板岩层的扰动变化特征45-47
• 2.3 实验分析47-50
• 2.3.1 煤层覆岩破坏断裂发育特征分析47
• 2.3.2 采空区底板隔水岩层扰动规律47-49
• 2.3.3 煤层顶底板地质特征与底板突水之间的关系49-50
• 2.4 结论50-52
• 3 采空区底板表面压力分布规律研究52-88
• 3.1 赵家寨煤矿地质概况52-54
• 3.2 数值模拟软件54-58
• 3.2.1 FLAC3D介绍55-56
• 3.2.2 拉格朗日元法介绍56-58
• 3.3 数学模型58-69
• 3.3.1 煤层围岩岩石力学参数58-59
• 3.3.2 煤层围岩岩体力学参数59-67
• 3.3.3 采空区破碎岩体力学参数67-69
• 3.4 物理模型69-75
• 3.4.1 冒落带高度计算69-71
• 3.4.2 物理模型上下边界确定71-72
• 3.4.3 物理模型左右侧边界确定72-75
• 3.5 数值模拟结果75-84
• 3.5.1 充填体岩体力学参数的确定75
• 3.5.2 采空区底板表面压力的分布75-84
• 3.6 理论分析84-85
• 3.7 结论85-88
• 4 扰动测量装置研发及应用88-104
• 4.1 仪器测量原理89-91
• 4.2 仪器测量误差分析91-96
• 4.2.1 采空区温度的影响91-93
• 4.2.2 连接管路变形的影响93-94
• 4.2.3 液面蒸发的影响94-95
• 4.2.4 测量仪安装的影响95-96
• 4.3 现场实测96-103
• 4.3.1 受承压水影响的底板隔水岩层范围96-97
• 4.3.2 试验位置选取97-100
• 4.3.3 仪器的埋藏深度100-101
• 4.3.4 仪器的安装101-102
• 4.3.5 观测结果102-103
• 4.4 结论103-104
• 5 采空区底板岩层扰动规律研究104-124
• 5.1 数学模型104-106
• 5.2 物理模型106-108
• 5.2.1 物理模型上下边界确定106
• 5.2.2 物理模型左右边界确定106-108
• 5.3 数值模拟结果108-118
• 5.3.1 数值模拟结果验证108-112
• 5.3.2 采空区底板岩层扰动规律112-118
• 5.4 采空区底板隔水岩层扰动规律118-119
• 5.5 采空区底板隔水岩层带压开采安全性分析119-122
• 5.5.1 采场围岩塑性区分布特征119-120
• 5.5.2 采空区底板岩层扰动与带压开采安全性分析120-121
• 5.5.3 不同厚度底板岩层带压开采时安全性分析121-122
• 5.6 结论122-124
• 6 结论及展望124-128
• 6.1 主要结论124-125
• 6.2 创新点125-126
• 6.3 展望126-128
• 参考文献128-136
• 作者简历136-138
• 学位论文数据集138

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