封闭不良钻孔导水及安全性评价方法研究

发布时间：2017-09-15 00:27

  本文关键词：封闭不良钻孔导水及安全性评价方法研究

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【摘要】：封闭不良钻孔(Poor Sealed Boreholes,PSB)作为潜在的导水通道,是地下工程常见的安全隐患。钻孔穿越地层的水文地质条件和工程地质条件共同决定了钻孔的导水性以及其对地下工程的安全性。文章以山东北皂煤矿实际水文地质、工程地质条件为基础,在膨胀软岩遇水变形行为对钻孔结构的影响、采掘扰动对钻孔结构的影响、“含水层-竖直井孔”系统的流量(降深)过程以及钻孔结构对流量(降深)过程的影响,三个方面进行了相关的理论研究和数值试验研究。主要研究成果如下:(1)根据岩石单轴抗压强度以及膨胀性测试结果,分别基于地质软岩分类标准和膨胀软岩分类标准,对研究区煤(矿)层顶板岩层的岩性进行分析,并结合封闭不良钻孔的注浆封堵情况,将钻孔分成五段结构:穿膨胀岩段的膨胀缩径段、扰动破坏沿钻孔导升段、孔径变径段、注浆封堵段和原始结构段,并以此概化钻孔的导水结构和导水通道的元素;(2)将膨胀软岩遇水变形过程视作弱耦合过程,分别基于Richards方程和湿度应力场理论,建立了柱坐标下膨胀软岩吸湿弹性变形的基本方程,并对穿膨胀软岩钻孔围岩的水分扩散与吸湿后弹性膨胀变形的耦合过程进行了数值模拟,模拟结果表明,随着含水率的增高,膨胀软岩不断软化,产生的湿度应力会存在峰值,且峰值湿度应力会随着水分的扩散而不断向围岩深部运移;在研究区模拟的参数条件下,钻孔会发生短暂的闭合,但钻孔最终稳定缩径量为3cm;(3)采用经验公式和数值法评价了不含钻孔结构条件下矿层覆岩导水裂隙带的发育高度,并提取导水裂隙带顶界面处的位移历时过程,将其作为初始条件之一,以圣维南原理为依据来模拟钻孔结构对导水裂隙带发育高度的影响,进而评价采掘扰动对钻孔结构的影响,模拟结果表明,导水裂隙带会沿钻孔继续向上发育,并且在研究区工程地质条件和常见钻孔尺寸条件下,其发育高度一般不超过3.42m,而破坏范围一般不超过1.1m;(4)根据概化的钻孔导水结构模型,建立了“含水层-竖直井孔”系统模型的基本方程并编制计算程序,对流量和降深过程进行了迭代计算,计算结果表明:常见尺寸的钻孔在概化的钻孔结构以及水文地质条件下,钻孔顶部的水头在导水初期就能迅速降低至含水层顶板,钻孔最大导通水量不超过5.02 L/s,以此作为研究区“含水层-竖直井孔”系统的最大导水能力,用于评价钻孔对井下生产过程的安全性。
【关键词】：湿度应力场 钻孔缩径 钻孔对覆岩破坏的影响 “渗流-管流”模型
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD745
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-18
• 参量注释表18-19
• 1. 绪论19-29
• 1.1 研究背景及意义19-20
• 1.2 国内外研究现状20-28
• 1.3 研究方法以及技术路线28-29
• 2. 研究区域地质条件概况29-36
• 2.1 研究区位置及地层条件概况29-31
• 2.2 研究区水文地质条件31-36
• 3. 封闭不良钻孔导水性分析与结构概化36-43
• 3.1 软岩地层岩性分析及水理性质36-41
• 3.2 封闭不良钻孔导水结构分析41-43
• 4. 湿度场作用下穿膨胀软岩围岩弹性变形特征方法研究43-64
• 4.1 钻孔围岩变形基本方程43-49
• 4.2 钻孔围岩变形数值模拟49-62
• 4.3 小结62-64
• 5. 钻孔结构对导水裂隙带发育高度的影响评价64-81
• 5.1 导水裂隙带发育高度的经验公式计算及分析64-65
• 5.2 钻孔结构对导水裂隙带发育高度的影响的数值模拟与分析65-80
• 5.3 小结80-81
• 6. 基于“渗流-管流”耦合模型的钻孔导水量量化81-92
• 6.1 含水层-竖直井孔‖系统的概化与基本方程81-88
• 6.2 钻孔结构对导水量的影响88-91
• 6.3 小结91-92
• 7. 结论及建议92-94
• 7.1 主要结论92-93
• 7.2 建议93-94
• 参考文献94-102
• 作者简历102-104
• 学位论文数据集104

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