帶壓開(kāi)采下底板滲流與應(yīng)力耦合破壞突水機(jī)理及其工程應(yīng)用.pdf

1、近年來(lái)，隨著董家河煤礦開(kāi)采深度的增加，開(kāi)采環(huán)境日趨復(fù)雜，水壓、地應(yīng)力等不斷增大，太原組下部煤層開(kāi)采受到奧陶紀(jì)灰?guī)r承壓水的威脅將更加突出，如何有效預(yù)防和控制底板奧灰?guī)r溶水害問(wèn)題已變得十分迫切和重要。本文圍繞帶壓開(kāi)采條件下煤層底板突水的影響因素分析、采動(dòng)支承壓力和承壓水壓力數(shù)學(xué)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(xiǎn)區(qū)域等級(jí)劃分、底板注漿改造工程設(shè)計(jì)依據(jù)等科學(xué)問(wèn)題,綜合運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)等技術(shù)途徑,對(duì)

2、滲流與應(yīng)力耦合作用下底板采動(dòng)破壞特征及突水機(jī)理展開(kāi)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(hào)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(hào)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(dǎo)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(dòng)礦壓是促進(jìn)因素、工作面的傾斜長(zhǎng)度及開(kāi)采面積是工程主觀因素。
　　(2)應(yīng)用煤體線性彈塑性軟化模型,推導(dǎo)出煤壁前方支承壓力表達(dá)式,采用半無(wú)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(yīng)力分布狀態(tài),給出了充分采動(dòng)前、后煤層底板巖體應(yīng)力達(dá)到屈服時(shí)的塑性線,同時(shí)采用塑性滑移線場(chǎng)理論研究了底板采動(dòng)破壞形態(tài)及破壞深度,并結(jié)合承壓水壓力對(duì)底板隔水層的影響,研究了承壓水壓力對(duì)底板隔水層的作用機(jī)理,分析了帶壓開(kāi)采下底板

4、采動(dòng)應(yīng)力耦合作用,從而形成了董家河煤礦5號(hào)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(dòng)破壞現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)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(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合,對(duì)董家河煤礦5號(hào)煤層底板巖體受采動(dòng)影響的局部深度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),得到了帶壓開(kāi)采條件下煤層底板采動(dòng)破壞深度,實(shí)現(xiàn)了用理論方法解決現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題。
　　(4)采用巖石損傷破裂過(guò)程滲流與應(yīng)力耦合分析系統(tǒng)F-RFPA2D,建立

5、了滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合作用下董家河煤礦5號(hào)煤層底板巖層結(jié)構(gòu)數(shù)值模型,對(duì)底板采動(dòng)應(yīng)力與滲流影響進(jìn)行數(shù)值模擬分析,揭示了煤層底板隔水層的采動(dòng)破壞特征、應(yīng)力分布及滲流特征,為深入研究董家河煤礦5號(hào)煤層底板突水規(guī)律提供了科學(xué)依據(jù)。
　　(5)結(jié)合董家河煤礦實(shí)際水文地質(zhì)條件,運(yùn)用突水系數(shù)理論對(duì)董家河煤礦太原組5號(hào)煤層底板隔水層進(jìn)行帶壓開(kāi)采危險(xiǎn)等級(jí)區(qū)域劃分,并據(jù)此對(duì)底板巖層的隔水性能作出評(píng)價(jià),預(yù)測(cè)未來(lái)開(kāi)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(hào)煤層受奧灰水害威脅的壓煤儲(chǔ)量達(dá)到5344.6萬(wàn)噸,提高了煤炭資源的回收率,創(chuàng)造了相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益,為董家河煤礦帶壓開(kāi)采底板水害防治與控制奠定了基礎(chǔ)。
　　(6)通過(guò)本文的系統(tǒng)分析,將研究成果應(yīng)用于董家河煤礦5號(hào)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(shí)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(shí)現(xiàn)了工作面安全回采,取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,為今后董家河煤礦乃至澄