采动底板构造活化灾变前兆信息辨识及突水机理试验研究

发布时间：2020-08-22 11:18

【摘要】：矿井突水灾害问题一直困扰着我国煤矿的安全生产,其中因断层、陷落柱等构造活化引发的突水是矿井水事故的主要形式。众多学者针对底板突水机理的研究往往集中于不同类型构造活化特征方面,忽略了不同构造活化引起完整围岩破坏与突水通道形成演化特征相关性方面的研究,基于该观点本文综合采用理论分析、室内岩石试验、数值模拟和物理模拟等方法,针对采场底板缺陷构造活化、异常物理信息辨识、围岩裂隙扩展突水机理及监测技术方面展开了一系列系统化的理论分析与基础试验研究。依据底板区域性裂隙扩展演化特征推导出了不同区域岩体渗流特征方程,基于实际矿井资料发现在同一应力水平下底板膨胀区内岩体渗透性能远高于其它区域;将底板地质缺陷突水灾变模式划分为底板缺陷裂隙扩展型、构造导通型和隐伏构造滑剪型共3种类型,并基于力学理论推导了对应的突水判据,将底板突水归结为水-岩-应力相互作用影响下构造活化,破坏底板岩层完整性引发的裂隙导通型突水。为了探究含缺陷岩体强弱部分协同失稳特征,通过对宏观预制缺陷的红砂岩和强弱单元组合岩体进行的单轴压缩试验,多角度探究了缺陷岩体在破坏过程中强段和弱段之间的相互作用,利用实验过程收集的应力、应变和声发射等物理场信息随加载过程的变化信息,分析了岩体由独立活动向整体协同破坏的转化过程中内部应变积累区和释放区的协同作用特征,提出了将强偏离线性阶段和亚失稳阶段释放的相关物理信息作为预测构造突水的有效辨识信息。结合3种突水灾变模式与室内岩石试验结果设计了大尺寸含缺陷类岩石双向加载破坏试验,捕捉模拟地应力环境下缺陷岩体构造活化过程构造及其围岩的裂隙演化等物理变化特征,通过对试验数据分析发现不同类型类岩石材料破坏过程中存在明显的裂纹-应力-时间和损伤变量-能量-时间的阶段性特征,试验结果发现在构造活化阶段,缺陷岩体中相对完整围岩不断产生新的宏观裂纹并与原有的缺陷裂纹彼此贯通,声发射事件数量密集发生且能量较大,岩石损伤变量已至临界值,造成试件整体失稳破坏。利用FRACOD2D数值模拟方法研究了固流耦合作用下缺陷岩体失稳裂纹传播过程,建立了 3种裂隙扩展耦合模型,模拟结果发现流体在裂纹中流动过程中沿裂纹方向流体压力呈非线性分布,在特定环境下的裂纹网中流动过程中路径越短,流量越大,岩体原生节理为含水裂纹的扩展提供了条件,相对进出口距离最近的裂纹成为突水主通道;基于该认识,本文创建了骆驼山“3.1”突水事故模型,发现突水事故的主要原因为高承压水驱使陷落柱主溶洞裂纹向开挖方向扩展并于工作面前方煤壁受矿压作用下产生的裂纹贯通,进而形成突水通道。为了验证理论分析和实验结果的正确性,利用非亲水固流耦合相似模拟材料和采动煤层底板突水相似模拟试验系统开展了底板构造突水物理模拟试验,实现了对不同突水模式下围岩裂隙扩展致突水通道形成、围岩应力和孔隙水压变化规律的研究,进而验证了3种灾变模式及突水判据的准确性。依据室内岩石力学试验、数值模拟和物理试验结果,总结了构造活化失稳前异常物理信息并进行了辨识分析,基于一系列理论分析和试验研究成果对构造失稳监测进行了可行性浅析,为煤层开采底板突水的预测防治提供了一种新思路和理论支持。
【学位授予单位】：山东科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD745
【图文】：

底板含有构造时，开采后底板区域性变化对构造活化有着复杂的影响特展开对不同区域岩体渗流耦合特征研究，同时，底板构造含有不同的赋立具有针对性的突水灾变模型并推导相关判据为研宄复杂的底板突水提。逡逑底板采动岩体区域性裂隙渗流岕合机制（Ｒｅｓｅａｒｃｈ邋ｓｔａｔｕｓ邋ａｎｉｎｇ邋ｐｒｏｂｌｅｍｓ邋ｉｎ邋ａｎｄ邋ａｂｒｏａｄ）逡逑１底板岩体区域性划分逡逑层底板突水作为一种典型的应力场和渗流场耦合作用形成的灾害，对其预测防治的研究，己成为评价采场安全稳定的关键研宄课题。众多工程地下工程中渗流场与应力场具有区域性分布特征，不同区域内渗透压力布，应力场变化导致渗流场流速、流量的改变，因此采用针对两场耦合才能准确分析工程实际情况［ｌ７Ｍ７８ｉ。正确认识和解决煤层底板突水问题如何有效描述底板不同区域内应力渗流相互作用下岩体裂隙扩展贯通道的行为。逡逑应力集屮段逡逑

底板裂隙区域性特征及构造突水灾变模式逡逑体应力重新分布的情况，对底板进行区域性划分［１７９］，即压缩区、过度区、膨胀区、逡逑重新压实区，如图２．１所示。底板不同分区内岩石应力状态影响了其渗透性的变化，逡逑底板岩体通过内部孔隙、裂隙的扩展和贯通为应力场与渗流场的耦合提供了条件。逡逑在开采扰动过程中，不同底板区域内的孔隙、裂隙的扩展及贯通存在不同的状态，逡逑进而导致底板岩体应力和渗流反复耦合，使得底板突水具有区域性和时间性特征。逡逑因此，探讨煤层开采后底板区域性变化特征对研宄复杂的底板突水提供有效手段。逡逑２．邋１．２区域性岩体裂隙演化特征分析逡逑（１）

逦３０逡逑正应力／ＭＰａ逡逑图２．邋３不同区域岩体渗透系数变化趋势逡逑Ｆｉｇ．邋２．３邋Ｖａｒｉａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ邋ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ邋ｏｆ邋ｒｏｃｋ邋ｍａｓｓ邋ｉｎ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｒｅｇｉｏｎｓ逡逑２．邋２底板构造突水灾变模式及判据（Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｅ邋ｍｏｄｅｌ邋ａｎｄ邋ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ逡逑ｏｆ邋ｗａｔｅｒ邋ｉｎｒｕｓｈ）逡逑２．邋２．邋１地质缺陷概述逡逑矿井地下施工时面对的介质大多是由复杂岩石组成的地质体，其中往往存在陷逡逑落柱、断层、节理群等地质缺陷，如图２．４所示。由于地质缺陷的存在，不仅导致逡逑了自然地质环境发生改变，而且对煤矿开采的长期安全产生较大的影响。在煤矿回逡逑采过程中，底板构造等地质缺陷的存在不仅破坏了隔水层的完整性，而且降低了隔逡逑水层的阻水能力，降低了煤层与含水层的距离及底板隔水层的有效厚度，导致承压逡逑水沿地质缺陷导升至隔水层中，为承压水涌入矿井提供了有利条件［１８６］。当煤层底逡逑板含有断层等地质缺陷时，矿井工作区域突水发生的可能性相比于拥有完整隔水层逡逑的区域要大。逡逑？二：＇逦■含水层逡逑图２．邋４矿井地质缺陷示意图逡逑Ｆｉｇ．邋２．４邋Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ邋ｄｅｆｅ

本文编号：2800624