煤矿地下水库煤柱坝体强度损伤机理研究

发布时间：2020-05-27 08:50

【摘要】：西部生态脆弱矿区自然环境、生态环境及工程地质环境具有其特殊性,煤炭资源的高强度、大规模开采必然对其环境条件产生不同程度的扰动影响。当煤炭开采带来的影响超过环境的承载能力时,将破坏或改变区域平衡的环境条件。其中,煤层顶板覆岩结构的破坏导致地下水赋存与补给、循环模式发生改变,地下水位下降,致使含水层以层间径流向垂向径流为主的新水循环模式转变,从而使得大部分顶板砂岩弱含水层及第四系潜水含水层地下水渗(溃)入矿井采空区,形成新的含水层(地下水库)。其中,在覆岩压力、水岩作用下煤柱坝体强度弱化特征是影响地下水库安全运行的关键因素之一。本文通过对大柳塔5-2煤进行取样,运用实验室试验与数值模拟相结合的方式,研究了含水率时空演化规律、破坏前后裂隙演化规律及煤矿地下水库煤柱坝体破坏机理。首先,通过自然吸水性试验和核磁共振试验,获得含水煤样含水率时空演化规律(含反复浸水):随含水率增加,煤样吸水过程分为加速吸水、缓慢吸水和吸水稳定阶段,含水率与浸水时间、反复浸水次数之间呈指数函数关系增加,含水率沿煤样高度方向分布不均匀,空间水分布由不均匀性向均匀性转变。然后,通过NMR测试、三维CT扫描和单轴压缩试验,获得破坏前后裂隙时空演化规律:加载前,饱水煤样反复浸水后微结构损伤发育,导致裂隙再发育,浸水2次比浸水1次原生结构发育了26.07%,浸水3次比浸水2次原生结构发育了2.40%。加载后,低含水率煤样内部孔隙、裂隙发育严重,破化程度剧烈;高含水率煤样呈现贯穿裂隙,微结构发育较少,破坏程度较缓和。通过对煤样宏观和微观破坏形式及声发射特征进行分析,得到了煤样破坏类型:随煤样含水率逐渐升高,煤样破坏形式由张拉破坏向剪切破坏转变,破坏程度依此呈现出大块崩落-局部脱落-贯穿裂纹的变化特点。通过研究煤样破坏前含水率分布、声发射定位及高幅值信号提取,获得了载荷作用下含水煤样内部裂隙时空演化规律:声发射定位事件与其宏观破坏形式相符合。最后,利用FLAC~(3D)数值模拟研究地下水库坝体损伤演化特征。分析了反复浸水过程中煤柱坝体受力环境,位移及塑性区的发展变化,提出了煤柱“X”形及底部塑性区发育及破坏特征。
【图文】：

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应用型硕士学位论文井水，但矿井水的利用率仅为 25%[6,7]。在我国西部生是降水量的 6 倍，外排地表的矿井水不能被有效储存主要原因[8]。顾大钊等根据神东矿区煤炭开采的实际区建立地下水库储水的技术思路并展开了工程实践研储水结构，将煤矿采空区内煤柱通过人工坝体连接，东矿区已经成功建设煤矿地下水库 35 座，提供了矿效缓解了西部矿区煤炭开采与水资源保护的矛盾[6,8]图 1-2 所示。

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1 绪论（2）通过高分辨三维 X 射线显微成像系统（3D－XRM）对煤样原生结构进行无损检测，探测在不同含水率下试样破坏前后的裂隙场演化规律，研究含水率分布空间特征与裂隙场之间关系；（3）通过声发射检测的单轴压缩试验，，研究含水煤样强度弱化规律及声发射特征变化规律。同时，研究声发射特征与试样破坏前后裂隙场演化之间的映射关系。根据以上研究内容，采用数值模拟，对大柳塔煤矿地下水库煤柱坝体进行研究，并模拟其破坏机理。1.3.2 技术路线根据论文的研究内容与研究方法，拟采用的技术路线如图 1-3 所示。
【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】：TD823.83;TV623

【参考文献】