深部煤層開(kāi)采底板突水地應(yīng)力控制機(jī)理研究.pdf

1、隨著我國(guó)礦井淺部煤炭資源開(kāi)采逐漸枯竭，對(duì)深部煤炭資源的開(kāi)采利用勢(shì)在必行。而隨著礦井采掘深度的不斷增加，深部煤層帶水壓開(kāi)采底板突水的危險(xiǎn)性和危害程度更加嚴(yán)重，這除了與煤層底板承受的含水層水壓力不斷增加的原因之外，還與深部煤層頂、底板圍巖所處的高地應(yīng)力環(huán)境有著密不可分的關(guān)系。怎樣安全有效地把深部煤炭資源從高地應(yīng)力高承壓水開(kāi)采條件下解放出來(lái)，是實(shí)現(xiàn)深部煤炭資源安全開(kāi)采所面臨的關(guān)鍵技術(shù)難題。在對(duì)埋藏深度較淺的煤層實(shí)施帶水壓安全開(kāi)采的研究工作中，

2、我們通常重點(diǎn)考慮充水水源、充水途徑和充水強(qiáng)度三個(gè)要素，地應(yīng)力大小對(duì)工作面底板突水的控制作用以及控制機(jī)理研究較少，甚至忽略不計(jì)，但隨著煤層埋深的不斷增加，煤層頂、底板圍巖所受原巖地應(yīng)力迅速增大，圍巖力學(xué)性質(zhì)、采掘擾動(dòng)后的力學(xué)響應(yīng)特征、高壓水作用下的破斷突水機(jī)理都會(huì)產(chǎn)生有別于淺埋煤層的特殊性質(zhì)，地應(yīng)力逐漸成為煤層底板突水的重要控制因素。因此，從理論到工程實(shí)際上，系統(tǒng)研究煤層賦存區(qū)原巖地應(yīng)力大小隨埋藏深度的變化規(guī)律，研究深部煤層圍巖所受地應(yīng)力

3、狀態(tài)、高地應(yīng)力對(duì)煤層頂?shù)装鍑鷰r力學(xué)性質(zhì)的控制機(jī)理，高地應(yīng)力環(huán)境中煤層底板巖層在采掘擾動(dòng)和水壓力作用下的損傷破壞特征及其對(duì)底板高壓水突出的控制作用，進(jìn)而獲得煤層埋藏深度、地應(yīng)力大小與底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的內(nèi)在關(guān)系，是深部煤層開(kāi)采底板水害形成條件評(píng)價(jià)與水害防治的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題，是實(shí)現(xiàn)高地應(yīng)力環(huán)境條件下煤層帶水壓安全開(kāi)采的重大需求。正是基于上述原因，本論文選擇了“深部煤層開(kāi)采底板突水地應(yīng)力控制機(jī)理研究”作為主要研究?jī)?nèi)容和研究方向。<

4、br>　　本論文主要以巖體力學(xué)理論為基礎(chǔ)，論述了在不同埋深條件下地應(yīng)力對(duì)煤層采掘活動(dòng)中底板擾動(dòng)損傷破壞的控制效應(yīng)，分析了地應(yīng)力對(duì)底板突水的控制機(jī)理，提出了地應(yīng)力與煤層底板擾動(dòng)損傷破壞深度的量值關(guān)系;通過(guò)不同圍壓條件下不同巖性巖石的三軸壓縮試驗(yàn)和滲透性測(cè)試試驗(yàn)，獲得了巖石強(qiáng)度、變形特征和全應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程中滲透性變化規(guī)律及量值關(guān)系，分析了圍壓對(duì)巖石強(qiáng)度、變形特征、滲透規(guī)律的控制效應(yīng);通過(guò)Flac3D軟件的流固耦合數(shù)值模擬，分析研究了不同埋深條

5、件下煤層回采后底板圍巖應(yīng)力變化特征、塑性變形破壞特征及分布規(guī)律，并對(duì)現(xiàn)有突水系數(shù)計(jì)算公式進(jìn)行了修正，同時(shí)提出了深部煤層帶壓開(kāi)采突水危害程度評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)方法。
　　通過(guò)理論分析、實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分析等研究手段，本文得出以下主要結(jié)論:煤層圍巖垂向地應(yīng)力隨埋藏深度呈遞增變化規(guī)律，垂向地應(yīng)力大小與地層埋深基本成正比關(guān)系;在其它開(kāi)采條件和開(kāi)采參數(shù)基本相同的條件下，煤層底板隔水層回采擾動(dòng)損傷破壞深度隨煤層埋深不斷增加而呈現(xiàn)增大趨勢(shì)

6、，煤層圍巖地應(yīng)力的大小與煤層開(kāi)采后工作面底板破壞深度基本成正比關(guān)系，表明地應(yīng)力對(duì)煤層底板巖層損傷破壞深度控制效應(yīng)明顯;論文提出了地應(yīng)力影響系數(shù)的概念及其計(jì)算公式:Cd=0.1272△σv+0.8066，并對(duì)現(xiàn)有突水系數(shù)計(jì)算公式進(jìn)行了修正:Td=P/M·Cd，同時(shí)提出了深部煤層帶水壓安全開(kāi)采底板突水危害程度評(píng)價(jià)的單位涌水量——突水系數(shù)雙因素(q-Td法)評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)方法。
　　本文研究成果對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)高地應(yīng)力條件下深部煤層帶水壓安全、有序