充填开采再造隔水关键层机理及方法研究

发布时间：2020-05-31 01:30

【摘要】：我国煤矿水文地质条件复杂,受地下含水层潜在突水灾害威胁的煤炭资源储量巨大。煤层开采过程中,隔水关键层的损伤破裂程度与渗透性演化响应规律研究对于实现含水层下煤炭资源安全开采与水资源保护具有重要意义。固体充填采煤技术作为绿色矿山地下水环境保护技术的典型代表之一,可有效控制隔水关键岩层导水裂隙发育与渗流突水通道的形成,为隔水关键层的结构与渗流稳定提供良好条件。鉴于此,本文提出了充填开采再造隔水关键层的思路,采用实验室测试、理论分析、数值模拟、物理模拟和工业性试验等综合研究方法,测试了典型矿区隔水关键层岩石物理力学与渗流特性,研究了充填体与隔水关键层耦合作用关系,充填开采再造隔水关键层的结构破坏与非线性渗流失稳机理,充填开采再造隔水关键层的裂隙场与渗流场演化特征等主要内容,给出了含水层下充填开采再造隔水关键层的工程设计方法,并进行了工业性试验。论文主要取得了以下创新性成果:(1)基于保水采煤的隔水关键层理论,提出了充填开采再造隔水关键层的概念,给出了充填开采再造隔水关键层的基本结构类型及表现形式,研究了单一隔水关键层与隔水关键层复合效应的变形机制,揭示了充填开采再造隔水关键层的内涵。(2)构建了充填开采再造隔水关键层的非均匀弹性地基叠合梁力学模型与非线性渗流动力学模型,给出了充填开采再造隔水关键层的结构破坏与非线性渗流失稳判据,研究了隔水关键层结构破坏及非线性渗流失稳与充实率的定量关系,揭示了充填开采再造隔水关键层的失稳机理。(3)通过数值模拟与物理模拟相结合的方法,研究了不同结构特性、层位特征与充实率等影响因素下,隔水关键层“裂隙萌生、扩展发育、裂隙弥合或裂隙贯通”充填再造过程的保水性能演化规律,得到了采动应力条件下充填开采再造隔水关键层的裂隙时空演化与渗流响应特征。(4)提出了含水层下充填开采再造隔水关键层的工程设计方法,基于隔水关键层空间展布特征、隔水关键层岩石渗流特性测试及非线性渗流动力学模型,给出了试验区域充填采煤工作面的充实率控制指标分布及区域划分,并进行了工程验证,取得了良好的效果。该论文有图122幅,表24个,参考文献207篇。
【图文】：

时单一隔水关键层围岩塑性区、孔隙水压力及变形特征进行模拟研究。采空区充实率为 80%，工作面推进距离分别为 25m、50m、75m 与 100m 时隔水关键层围岩塑性区发育特征随工作面推进距离变化云图如图 2-11 所示，，其中推进距离为 50m 与 100m 时隔水关键层应力分布特征如图 2-12 所示，记录隔水关键层孔隙水压力与下沉量随工作面推进过程的变化曲线如图 2-13 所示。（a）工作面推进 25m （b）工作面推进 50m

（a）工作面推进 50m （b）工作面推进 100m图 2-12 充实率为 80%时隔水关键层垂直地应力分布Figure 2-12 Vertical stress distribution of KAS with BMCR of 80%（a）孔隙水压力变化曲线 （b）垂直下沉量变化曲线图 2-13 充实率为 80%时隔水关键层孔隙水压力与下沉曲线Figure 2-13 Pore water pressure and subsidence curves of KAS with BMCR of 80%由图 2-11~图 2-13 可知：0 25 50 75 100 125 150 175 2001.21.41.61.82.02.2推进距离 25m推进距离 50m推进距离 75m推进距离 100m隙水孔力压M/Pa沿回采方向位置/m0 25 50 75 100 125 150 175 200-350-280-210-140-70070推进距离 25m推进距离 50m推进距离 75m推进距离 100m水关键层下沉量隔m/沿回采方向位置/m
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD823.7

【参考文献】

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本文编号：2689046