矿井深部煤层底板采动效应的岩体结构控制机理研究

发布时间：2016-11-19 02:04

  本文关键词：矿井深部煤层底板采动效应的岩体结构控制机理研究，，由笔耕文化传播整理发布。

《安徽理工大学》 2015年

矿井深部煤层底板采动效应的岩体结构控制机理研究

翟晓荣  

【摘要】：近年来,随着国内矿区煤层开采深度的增加,底板水害事故较以往浅部开采日趋频发,矿井进入深部开采后,采场地应力及底板承压水水压也随之增大,尤其在华北型煤田山西组下部煤层开采过程中,受到太原组及奥陶系灰岩承压水的威胁更加严重。淮北矿区位于华北煤田南缘,所处地质构造单元独特,矿区煤系地层断裂、陷落柱等构造极为发育,加之近年来开采深度逐渐增加,造成下组煤底板水害事故频发。因此,开展矿区深部下组煤回采过程中底板突水机理的研究,对淮北矿区乃至整个华北矿区下组煤安全回采都具有重要的理论与现实意义。本文以淮北矿区为研究对象,开展了矿井深部不同底板岩体结构条件下,工作面回采过程中底板采动效应的研究,从岩体结构角度揭示了矿井深部底板突水机理。从矿区水文工程地质特征入手,对矿区山西组下部煤层底板岩层沉积特征、底板岩体结构特征及底板太原组灰岩岩溶含水层富水性特征进行了系统分析与研究。在此基础之上,建立了两大类,六个亚类不同底板岩体结构特征的地质模型,采用数值模拟方法对六类不同结构底板采动效应进行了研究,并采用相似材料模拟试验法对含切割煤层断层结构底板采动效应进行了研究。最后,结合工作面底板注浆加固改造工程,综合运用理论分析、数值模拟、实验室试验及现场实测等技术手段,对注浆前后工作面底板采动效应差异进行了系统分析,最终取得了如下研究成果和结论：(1)在分析淮北矿区山西组下部煤层底板沉积特征的基础上,对矿区下组煤底板沉积组合进行分类,得出矿区下组煤底板沉积组合可分为三大类,即：硬-软型、软-硬-软型及软硬相间型,并以此为依据,建立了完整层状结构底板模型；通过对淮北矿区下组煤开采过程中底板水害事故的研究得出,底板发生突水的位置与底板岩体结构有着密切的联系,通常发生在底板薄弱地带,如厚度变薄带、底板裂隙发育部位、断层及陷落柱发育部位,反映出底板突水与底板岩体结构的对应关系。(2)基于FISH语言对FLAC3D软件进行二次开发,对完整层状结构底板流固耦合作用下,底板采动效应进行了深入研究,得出相同底板隔水层厚度条件下,随着底板水压的增加,底板采动破坏深度增加,同时含水层上部会产生一定范围的原位张裂带,且随着水压增大范围也会进一步扩大,底板突水危险性升高；当底板厚度一定,随着采深的增大,底板在高采动应力与水压共同作用下,破坏深度进一步增大,揭示出矿井进入深部开采后,底板突水风险较浅部大,同时揭示出浅部与深部开采底板采动塑性分区的差异,主要表现在进入深部开采后,含水层顶部出现了原位张裂带,而浅部开采条件下,底板下方仅发育采动破坏带。(3)对不同岩层组合条件下底板采动效应进行了分析,得出岩层组合特征不同底板采动效应存在明显差异,综合采动应力及采后围岩渗透性来看,软硬相间型底板对底板阻水最为有利,而硬软型底板最差；底板中采动应力特征可概括为一条曲线、两种区间、三个特征点,采动曲线可划分为增压与卸压两个不同应力区间,以及卸压峰值、应力转换点和应力回归点三个特征点,当考虑流固耦合条件时,应力转换点深度增大,表现为受采动卸压影响程度更大,同时深部由原来的增压逐渐转换为卸压,即底板承压水水压的存在,使底板深部出现明显卸压,不利于底板阻水,且不同岩层组合底板中采动应力转换点深度变化幅度不同,硬软型底板卸压幅度最大,而软硬相间型最小,揭示出岩层组合特征对底板采动效应的控制机理。(4)对底板中包含裂隙、切穿煤层断层、及隐伏陷落柱三种不同结构底板模型进行了采动效应研究,得到了断层及陷落柱受采动与底板水压共同影响下,“活化”诱发工作面底板突水的过程,结果表明随着采深增大,底板水压及地应力的增大,构造诱发底板突水风险增大。裂隙诱发底板突水过程可分为三个阶段,即裂隙剪切破坏阶段、剪切破坏区扩展阶段和突水通道形成阶段；切穿煤层断层诱发底板突水主要是原位张裂带进一步向上发育了采动导升现象,致使底板有效隔水层厚度明显减小；隐伏陷落柱诱发底板突水过程为陷落柱产生向上的导升与底板采动破坏贯通所致,揭示了不同岩体结构底板突水机理。(5)通过对含断裂构造模型的相似材料模拟试验,得出断层带对岩体采动效应有明显的控制作用,从采动应力场传递规律及位移场特征可以看出,断层带对采动应力的传递有明显的阻隔作用,当煤柱宽度小于30m后,采动应力会在上盘岩体近断层带附近产生集中,导致断层上、下盘岩体中采动应力出现明显差异,从而使两盘岩体沿断层面出现了明显的位移差,最终上盘岩体沿断层带出现错动,导致断层“活化”,揭示了断层对岩体采动效应的控制作用与采动诱发断层“活化”机理。(6)结合研究区恒源煤矿山西组下组煤6煤Ⅱ615工作面底板注浆加固改造工程,对注浆前后底板岩体结构进行了系统研究,基于岩块力学性质及波速测试、岩体原位波速测试,得出注浆后底板中砂岩段强度提高1.36倍,泥岩段提高1.01倍,砂岩段注浆效果显著；通过底板采动破坏深度实测,得出Ⅱ615工作面注浆后底板破坏深度为14m,比类似开采条件下,未注浆Ⅱ614工作面底板采后破坏深度减小,说明由于注浆改造工程造成底板岩体结构不同,从而采动效应亦不同,进一步揭示了底板岩体采动效应的岩体结构控制机理。(7)通过实验室测试与原位实测研究得出,采取底板注浆加固改造措施后,底板砂、泥岩段岩体强度提高,同时含水层被改造为弱透水层或隔水层,底板隔水层厚度较注浆前增大。相同底板水压条件下,底板隔水层厚度的增加,不利于底板深部原位张裂带的发育,而底板岩体强度的增加,可使得底板采动破坏深度明显减小。因此,底板注浆加固改造后,随着底板隔水层厚度与岩体强度的增加,会使底板采动破坏深度与原位张裂高度同步减小,使底板“两带”之间有完整效隔水层厚度增加,提高了底板岩体阻隔水能力,从而实现了下组煤底板带压安全回采。

【关键词】：
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD745
【目录】：

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