深部巖體斷層滯后突水機理及防控關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著我國淺部煤炭資源的日益枯竭，導(dǎo)致煤炭開采逐步向大埋深、高應(yīng)力、強富水區(qū)發(fā)展，深部開采受限于復(fù)雜多變的水文地質(zhì)條件，礦井水害呈現(xiàn)出高頻率、強危害特征。在深部礦井重大突水災(zāi)害中，采動作用下充填型原生不導(dǎo)水?dāng)鄬右l(fā)的滯后突水災(zāi)害由于其隱蔽性及滯后性特征，成為制約我國煤炭資源安全開采的關(guān)鍵因素。因此，斷層滯后突水機理及防控關(guān)鍵技術(shù)成為我國煤炭資源開采過程中亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。本文針對采動作用下深部巖體斷層滯后突水機理及防控技術(shù)難題，通過

2、理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗及注漿材料研發(fā)方法，系統(tǒng)研究了滯后突水關(guān)鍵通道的地下水流態(tài)演化規(guī)律及時間效應(yīng)，通過開展斷層滯后突水地質(zhì)模型試驗進一步分析斷層滯后突水通道的形成機理，結(jié)合斷層滯后突水現(xiàn)場監(jiān)測，建立了多場信息突水預(yù)警判識準(zhǔn)則，研發(fā)了適用于斷層滯后突水災(zāi)害治理的CCFB復(fù)合注漿材料，并進行了災(zāi)害防控工程應(yīng)用研究，取得了一系列有益的研究成果。
　　(1)得出斷層滯后突水災(zāi)害特征及規(guī)律。從斷層的力學(xué)性質(zhì)及充填介質(zhì)類型角度，在歸納

3、總結(jié)大量構(gòu)造型突水災(zāi)害的基礎(chǔ)上，分析了不同斷層可能誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害，進而得出引發(fā)斷層滯后突水的地質(zhì)構(gòu)造特征及地質(zhì)災(zāi)害形式。分析了各影響因素對斷層突水的作用機理，研究了深部開采斷層滯后突水的災(zāi)變條件，分析了各災(zāi)變條件對斷層滯后突水的影響機制，分析了原生不導(dǎo)水?dāng)鄬訙笸凰疄?zāi)變特征，為考慮時間效應(yīng)的斷層滯后突水機理提供基礎(chǔ)。
　　(2)揭示了采動作用下斷層滯后突水機理?；诹鞴恬詈侠碚?，建立了斷層弱化滲流力學(xué)模型，將斷層滯后突水過程分解為

4、非飽和滲流階段、低速飽和滲流階段與快速飽和滲流階段，分別通過理查德方程、達(dá)西定律以及布里克曼方程進行相應(yīng)的描述。借助多場耦合軟件建立了有限元數(shù)值模型，模擬了斷層介質(zhì)流失所引起的滲流通道擴展過程，得到了考慮斷層滯后突水時間效應(yīng)的突水關(guān)鍵通道地下水流態(tài)演化規(guī)律。
　　(3)開展了斷層滯后突水地質(zhì)模型試驗，研制了新型流固耦合相似材料及模型試驗裝置系統(tǒng)。以石英砂、滑石粉、碳酸鈣、白水泥、石蠟、硅油、鐵粉等為原料，研制了流固耦合非親水相似材

5、料體系，建立了由試驗臺架、水壓恒定加載系統(tǒng)和靜力加載控制系統(tǒng)組成的地質(zhì)模型試驗裝置系統(tǒng)。開展了采動作用下斷層滯后突水物理模擬試驗，分析了斷層滯后突水過程中位移場、應(yīng)力場及滲流場變化規(guī)律，進一步驗證并揭示斷層滯后突水的通道形成機理。
　　(4)得到了斷層滯后突水防突煤柱最小安全厚度計算方法?；趲r體彈塑性理論，得到防突煤柱發(fā)生塑性變形時的臨界條件。結(jié)合斷層滯后突水工程地質(zhì)條件，建立防突煤柱有限元數(shù)值模型，確定了防突煤柱最佳安全厚度。

6、
　　(5)開展了深部巖體采動作用下多場信息現(xiàn)場實時監(jiān)測，得到了多場信息演化規(guī)律及斷層滯后突水預(yù)警判識準(zhǔn)則。分析了斷層滯后突水快速飽和滲流階段多物理場演化規(guī)律，得出基于溫度場與滲壓場的斷層滯后突水監(jiān)測預(yù)警判識準(zhǔn)則;研發(fā)了單孔多物理場監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了深部巖體單孔多物理場實時監(jiān)測，通過對斷層滯后突水相鄰工作面留設(shè)防突煤柱，開展深部巖體斷層滯后突水多物理場在線實時監(jiān)測，分析了留設(shè)斷層防突煤柱多物理場演化規(guī)律，并對開采工作面進行實時監(jiān)測預(yù)

7、警判識。
　　(6)研發(fā)了適用于斷層滯后突水災(zāi)害治理的CCFB復(fù)合注漿材料。基于無機復(fù)合原理，研究了CCFB材料體系中各組分對材料性能的影響，確定了CCFB復(fù)合注漿材料基本組分為PO425硅酸鹽水泥、粉煤灰、粘土及鈉基膨潤土。依據(jù)材料研發(fā)目標(biāo)，確定了適用于斷層滯后突水地表深長鉆孔CCFB材料體系的組分配比。通過對各配比的抗壓抗折強度、初終凝時間、流動度與流動時間、析水分層時間、抗?jié)B性分析，得出各組分對材料體系可注性及堵水特性的影響

8、。通過XRD和SEM分析方法，研究了材料體系水化特征及微觀形貌，從微觀角度分析了CCFB材料體系固化反應(yīng)原理。結(jié)合材料體系經(jīng)濟性分析，確定CCFB材料體系的最佳組分配比為:水泥20％、粉煤灰68％,粘土10％，膨潤土2％。
　　(7)建立了斷層滯后突水災(zāi)害防控關(guān)鍵技術(shù)體系。依托王樓煤礦三采區(qū)13301斷層滯后突水工作面及13303相鄰開采工作面，提出斷層滯后突水災(zāi)害防控與治理方法。在水害防控方面，基于斷層滯后突水防突煤柱最小安全厚

9、度計算方法，結(jié)合13303工作面工程地質(zhì)條件設(shè)計防突煤柱;在水害治理方面，針對13301斷層滯后突水工作面，分析突水關(guān)鍵通道及地下水徑流網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計地面深長鉆孔布置方式?？紤]漿液粘度、屈服切應(yīng)力、靜水壓力共同影響，提出適用于CCFB復(fù)合注漿材料的注漿參數(shù)設(shè)計方法。開展PO425硅酸鹽水泥材料、水泥-粉煤灰材料及CCFB復(fù)合注漿材料現(xiàn)場對比試驗，對比分析CCFB復(fù)合注漿材料的可注性，從微觀結(jié)構(gòu)角度分析初期、中期及后期注漿階段漿液對被注地層孔