采动覆岩离层水突水灾害演化规律研究

发布时间：2020-04-25 01:34

【摘要】：离层水突水问题是顶板突水的一种特殊的情况,与常见顶板突水的区别主要是其水源赋存于覆岩中的离层空间。本文针对红柳煤矿1121首采工作面的突水情况进行分析,以实际工作面上方覆岩结构和水文结构为原型,开展对离层水突水灾害演化规律的研究。近些年国内离层水突水事件在多地发生,不同的地质背景下均可能发生离层水突水。离层水突水具有征兆不明显,瞬时突水量大的特征,加之其成因复杂多样难以把握,所以可研究的科学内容既丰富又有其现实意义。文章选取了鸳鸯湖矿区红柳煤矿作为离层水突水的案例背景,其地质特征可归纳为砂岩-泥岩组成的近水平沉积地层,煤层较厚,无火成岩,无复杂构造,水文地质结构由多个含水层与隔水层相间组成。本文所研究的离层水突水规律以此地质特征为背景。为探究离层水突水的孕灾规律,建立了基于地质原型的二维物理模型和数值模型。选取水源、通道、采动作为离层水突水的致灾因素(危险源),探究煤层开采引起的致灾因素随采长和开采时间的动态变化规律。导水裂隙带、离层和离层水是研究的主要对象,其时空演化规律与突水事件关系紧密。文章中应用理论方法确定了工作面顶板特殊的覆岩结构形成离层的必然性,基于弹性岩梁法计算了理论离层量、离层空间、影响面积的动态发育规律。物理模型讨论了不同配方的相似材料模拟软硬岩层相间的可行性,观察实验结果总结了导水裂隙带和离层裂隙的动态发育规律。数值模型讨论了位移场、应力场、孔压场、渗流场的随开采的动态变化,在FLAC3D中可以用应变增量和饱和度反映离层与离层水情况。将理论及模拟分析的孕灾规律进行动态评价,建立了离层水突水的模糊综合评价模型,与实际突水情况相结合,讨论了模糊综合评价模型的可行性。文章的主要结论为:红柳煤矿离层水突水水源为下直罗组上分层粗砂岩含水层,离层形成于其与下伏泥岩层之间,开采至180m时导水裂隙沟通至离层后发生离层突水;覆岩应力场、位移场、流场均会因煤层开采变化,突水灾害的演化可由场的变化规律反映;综合考虑水源、通道、采动因素所建立的离层水突水的模糊数学模型具有动态评价功能。本文的研究结论与已有研究成果相一致,与实际采煤工作面情况相符合。在此基础上丰富了对离层水突水动态演化规律的探究,关注了更多的细节问题,以期为离层水突水的相关研究提供一些借鉴意义。
【图文】：

覆岩,关键层,结构示意图,离层

图 1-1 采后覆岩四带结构示意图Figure 1-1 Structure diagram of four overburden belts after mining键层理论与砌体梁模型理论与砌体梁模型是钱鸣高院士提出的一种覆岩结构力在多层硬岩层时，，对岩体活动全部起控制作用的岩层称的局部起控制作用的成为亚关键层，总之关键层为在采动载主体。复合关键层是指两相邻关键层不仅会产生复合。关键层理论认为采场上覆岩层的变形、破断、离层等一层中的关键层控制，其主要的研究内容包括关键层载荷初次破断距和周期破断距），关键层的判别方法（理论法条件（刚度条件和强度条件）以及非连续变形不整合离的支撑下，已得出了关于离层位置，大小，发育特征的出现在各关键层下，离层量和离层区长度在初次破断后仅离层的最大发育高度止于覆岩主关键层，采动区四周离层型圈[9]。判断关键层的方法可以首先将大致确定可能形

示意图,采动覆岩,平衡拱,示意图

图 1-2 采动覆岩平衡拱移动示意图图 1-3 采动上覆岩层岩梁形态Figure 1-2 Balanced arch movement of mining-induced overburdenFigure 1-3 Shape of rock beam in overlying strata of mining郝延锦等提出岩梁断裂时的长度可以由悬臂梁式垮落的拱形破坏力学结构模型描述如图 3。图中，L 为岩梁走向方向长度，Ф1 为采空区开切眼侧岩层断裂角一般 63°左右，Ф2 为停采线侧的岩层断裂角一般为 60°左右。首次离层位置应该出现在岩梁的中间，最大离层空间随着工作面的推进和离层空间的填充周期性出现，即工作面每推进一个断裂岩梁长度时，出现一次最大离层空间[25]。张建全等认为当离层发育到一定程度后，下位岩层的下部岩体可视为弹性地基梁，上位岩层可视为固支梁，而离层裂隙宽度可视为两者挠度之差[26]。1.2.2 覆岩破坏及运动研究的模拟方法赵德深等通过相似材料物理模拟模型实验研究，揭示了煤矿区采动覆岩中离层产生、发展与分布的时空规律；探讨了离层发展高度与工作面推进距离的关系，单一离层从产生到最大值直至消失的时间效应等规律[27]。WeifengYang 等应用物[28]
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD745

【相似文献】