高承壓含水層上煤層開(kāi)采底板斷裂活化致災(zāi)機(jī)制.pdf

1、隨著采煤深度的加大,遇到的承壓含水層中的水壓越來(lái)越高,如山東星村煤礦的奧陶系石灰?guī)r含水層水壓可達(dá)13MPa。而高水壓易于引發(fā)斷裂活化突水。所以,研究高承壓含水層上煤層開(kāi)采底板斷裂活化致災(zāi)機(jī)制,對(duì)于煤礦水害預(yù)測(cè)和防治具有重要意義。
　　本論文采用地質(zhì)分析、物理試驗(yàn)、理論推導(dǎo)等手段對(duì)高承壓含水層上煤層開(kāi)采底板斷裂活化致災(zāi)機(jī)制進(jìn)行了細(xì)致的研究,得到以下研究成果:
　　(1)指出了煤層底板斷裂活化突水的水力劈裂特征,建立了基于多層次

2、熵權(quán)法和多源地學(xué)信息融合技術(shù)的底板斷層活化突水危險(xiǎn)性指數(shù)綜合評(píng)價(jià)方法。通過(guò)對(duì)煤層底板斷裂突水事件的分析,發(fā)現(xiàn)斷裂活化突水現(xiàn)象符合水力劈裂特征。同時(shí),在煤層底板斷裂活化突水諸多致災(zāi)地質(zhì)環(huán)境因素中找到了影響煤層底板斷裂活化突水的三個(gè)主控因素。采用單因素分析方法,提煉出每個(gè)主控因素的多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)因子。運(yùn)用信息論中的熵權(quán)法對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)因子的權(quán)重進(jìn)行確定。選用10個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)因子,借助于GIS平臺(tái)建立評(píng)價(jià)指標(biāo)因子信息圖層以及空間屬性數(shù)據(jù)庫(kù),采用多

3、源地學(xué)信息融合技術(shù)對(duì)10個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)因子圖層信息進(jìn)行采集、疊加、分析。而后求解出評(píng)價(jià)區(qū)網(wǎng)格單元的綜合評(píng)價(jià)值,并用危險(xiǎn)性指數(shù)來(lái)表征。以兗州煤田某礦E3206工作面得出基于多層次熵權(quán)法和多源地學(xué)信息融合技術(shù)的底板斷層活化突水危險(xiǎn)性指數(shù)綜合評(píng)價(jià)分區(qū)。
　　(2)采用物理模擬試驗(yàn)獲得了有充填物的斷裂在高圍壓、高水壓條件下的滲透特性及影響因素。制作模擬帶充填物的斷裂體試樣,并在三軸應(yīng)力條件下對(duì)裂隙充填物及其與試件接觸面的滲透系數(shù)進(jìn)行高圍壓、高

4、水壓條件下的測(cè)試,得出其滲透性能在高壓條件下的變化特征。在低圍壓、軸壓情況下,一般都表現(xiàn)為滲透系數(shù)隨著滲透壓差的增大而增大。而在高圍壓、軸壓情況下,初始階段仍表現(xiàn)為滲透系數(shù)隨著滲透壓差的增大而增大,隨著水壓的繼續(xù)增大,出現(xiàn)了滲透系數(shù)穩(wěn)定期,若繼續(xù)增大滲透壓差,滲透系數(shù)將出現(xiàn)變小趨勢(shì)。其內(nèi)在原因?yàn)?在高圍壓、軸壓情況下,且水頭壓力差較大的條件下,同一圍壓、軸壓條件下應(yīng)力場(chǎng)受到了滲透荷載的影響,從而使得裂隙充填物及其與試件接觸面的滲透系數(shù)表

5、現(xiàn)隨著水壓的增大而減小的趨勢(shì)。
　　(3)從地下水動(dòng)力學(xué)、巖體力學(xué)和斷裂力學(xué)理論上闡明了水力劈裂引起斷層活化的機(jī)理。基于彈塑性力學(xué)理論和地下水動(dòng)力學(xué)理論,推導(dǎo)出帶有應(yīng)力場(chǎng)參數(shù)的滲透系數(shù)表達(dá)式。應(yīng)用巖體力學(xué)和斷裂力學(xué)理論,推導(dǎo)出在自然營(yíng)力作用下水力劈裂后裂隙演化擴(kuò)展的長(zhǎng)度公式。
　　基于上述研究,通過(guò)對(duì)斷裂帶從初始狀態(tài)到活化狀態(tài)的過(guò)程分析,得出高承壓含水層上煤層開(kāi)采底板斷裂活化致災(zāi)機(jī)制是在采動(dòng)效應(yīng)的激發(fā)下滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的耦合作