承压开采条件下底板断层活化及突水机理研究

发布时间：2020-11-03 12:02

　　 矿井水害事故大多数是由于底板突水造成的,而断层构造的存在是造成采动底板突水的主要原因之一。在采场支承压力的作用下,断层带岩体内部裂隙萌生、扩展,当断层上下盘沿断层面产生剪切、拉伸作用时,造成上下盘相互错动,即发生了“采动断层活化”。当断层贯穿煤层和富含水层时,断层上下盘的错位移动就会造成煤层底板和含水层之间的距离减小,隔水层的有效厚度也随之变小,增大了断层突水的可能性。断层带内裂隙贯通,形成突水通道,造成严重的突水事故。因此,在采动支承压力和水压作用下的断层活化及突水机理的研究是降低和解决承压开采突水危害的重中之重。本文运用理论分析和数值模拟方法,结合断层产状要素对断层活化的影响,以开采采动裂隙萌生、断层活化及形成的突水通道为研究重点,来揭示出采动底板断层活化及突水机理,得到以下结论:(1)考虑采场底板支撑压力分布规律和含水层水压的影响,完善了采场底板断层活化机理的力学模型,基于弹性力学基本理论,推导出断层任意一点的正应力与剪应力公式,得到断层活化的力学判据以及底板隔水层破坏的判据。(2)通过数值模拟相关软件FLAC3D,分析了不同推进距离、断层倾角、断层落差以及推进方向条件下,断层的活化特性。断层带较其周围岩层的强度低,随着工作面的推进,采场塑性区“包围圈”与剪应力逐渐增大;断层落差越大,断层越容易活化;小倾角断层易发生压剪破坏和裂隙发育明显。(3)通过软件模拟出采动过程中断层活化底板突水通道的演化过程,分析了采动断层活化底板的渗流特征,在留设防水煤柱时,断层落差增大,留设的防水煤柱随之增大;断层倾角越小,需要留设的防水煤柱则越宽。
【学位单位】：山东科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TD745
【部分图文】：

所发生的滞后突水问题均与断层的力学性质相关，即与断层的类型相关。??（１）根据断层（面）形成机理的不同，可划分为正断层（张性断裂面）、逆断??层（压性断裂面）、平移断层（扭性断裂面）。如图２．２?（ａ）、（ｂ）、（ｃ）所示，对于正??断层，主应力ｑ为垂直分布，ａ２、ａ３为水平分布，其断裂面为由拉伸作用产生??９??

ｅ水源?＼?＼??图２．１断层活化及突水路径优化１３６１??Ｆｉｇ２．１?Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｗａｔｅｒ?ｉｎｒｕｓｈ?ｐａｓｓａｇｅｗａｙ?ｂｙ?ｆａｕｌｔ?ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ１，６＇??经过对大量煤层底板断层活化突水事故分析研宄，学者总结出底板断层活??化突水的过程：在采场支承压力的作用下，断层带岩体内部裂隙萌生、扩展，??当断层上下盘沿断层面产生剪切、拉伸作用时，造成上下盘相互错动，即发生??了“采动断层活化”。活化的结果是发生孔隙流一裂隙流一管道流的渗流转换，??最终导致水量较大的断层突水事故＠］。??２．２断层活化机理分析??断层活化是由于断层的上下盘相互错动，通常由采动支承压力引起，活化??后的断层由非导水变为导水。一旦断层发生初始活化，其上下盘岩层会沿着断??层面发生剪切位移

合剪切破坏机制，因此，断层活化的力学判据为：当点断层面上的剪应力＆达??到断层面的剪切破坏强度ｒ时，即ｒ？＞Ｔ时，断层发生活化。??考虑采场推进距离对断层活化的影响，反映在图２－３所示的力学模型中即??为参数Ｓ，、Ｓ４的不同情况，采场推进时断减小，而Ｓ４不断增加。假设切??眼距离断层?１１０ｍ，固定?Ｈ＝９００ｍ，?／＝２５０００Ｎ／ｍ３，０＝４５°，８２＝８６＝２０１７１，??Ｓ３＝Ｓ５＝ｌ〇ｍ，?Ｋ尸３．５，?Ｋ２＝２．５，ａ＝０．?８?，?ｚ?取?０￣１５０ｍ，而推进距离?Ｌ?分别取?３０ｍ，??６０ｍ，，?９０ｍ，１２０ｍ，１５０ｍ，对应着参数?Ｓ４?分别为?３０ｍ，?６０ｍ，?９０ｍ，１２０ｍ，１５０ｍ，??参数Ｓ，分别为５０ｍ，?２０ｍ，－１０ｍ，－４０ｍ，－７０ｍ，计算得到断层面上的剪应力??分布规律见图２．４。??１４?ｆ??１２?■?—Ｌ＝３０ｍ?－Ａ—Ｌ＝６０ｍ??＾?一［?＝９（）ｍ?Ｍ?ｌ，１２０ｍ??＼?８?■?—４—１?＝１５０ｍ??！６．??０?＾￣ｔ－ｉ，ｂ丨丨丨丨丨丨丨丨■丨丨??＿２?１００?１２０?１４０?１６０??－４?■??－６?■??ｚ／ｍ??图２．４不同推进距离下断层面上剪应力分布??Ｆｉｇ．２．４?Ｓｈｅａｒ?ｓｔｒｅｓｓ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｏｎ?ｆａｕｌｔ?ｗｉｔｈ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ａｄｖａｎｃｅ?ｄｉｓｔａｎｃｅ??由图２．４可以看出
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本文编号：2868544