赵各庄矿深部煤层底板突水危险性与断裂滞后突水评价

发布时间：2017-04-12 00:11

  本文关键词：赵各庄矿深部煤层底板突水危险性与断裂滞后突水评价，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：我国幅员辽阔,我国幅员辽阔,煤层底板灰岩含水层分布广泛,裂隙发育不均一,且富水性极强,尤其是华北地区,奥陶系灰岩含水层严重影响了下组煤的开采。据不完全统计,底板突水事故占矿井突水事故的50-60%。随着采矿技术水平的不断提高和开采装备的不断改善,煤炭的开发力度也在逐年加大,矿井的开采深度也在逐年延深,由此而产生的高地应力条件下,底板高承压水的突出问题已经严重影响和制约了高产高效矿井的建设。可以预计,国内典型矿井的深部开采经验及研究成果必将为正在向深部开采的矿井起到指导作用。煤层底板突水是一个随地质及水文地质条件变化实时变化的复杂动态过程,在该过程中,围岩应力场、渗流场、围岩渗透性、岩石力学性质等都是随煤层开采实时发生着动态变化,是一种受控于多因素且具有非常复杂形成机理的非线性动力现象。因此面对这样复杂动态过程和多种影响因素,应用变权分区模型解决了传统常权分区模型固定权重不变的弊端,在很大程度上提高了煤层底板突水脆弱性评价的准确性。由于不同的煤层底板突水主控指标无量纲化方法会得到具有一定差异的突水危险性评价结果,为此,将无量纲化理论与变权理论相结合,构建了反映不同水文地质条件的突水主控指标数据属性特征的分区变权模型,评价结果更加科学合理;基于流固耦合理论,利用FLAC3D数值模拟软件内嵌的程序语言fish编写自定义函数、变量,实现了材料的弹性模量和渗透系数随煤层开采过程中应力和水压的变化而实时变化,并在此基础上构建了断层物质为弹塑性介质、流变介质的变参数-弹塑性流固耦合模型和变参数-流变流固耦合模型,揭示了深部采场煤层底板断层滞后突水机理。结合典型的深部开采矿井-赵各庄矿,本文将基于流固耦合理论、无量纲化理论、变权理论来探索深部煤层开采底板突水机理和预测煤层底板突水危险性,详细研究成果如下:1、深入分析了研究区的开发情况、矿井生产水平及主采煤层、矿井排水系统、矿井位置、交通、地形地貌、水文气象等概况;详细分析了地层、构造、含(隔)水层及地下水的补、径、排等地质及水文地质条件,确定了煤层底板奥陶系含水层为矿井研究水平安全开采的主要威胁。2、通过对研究区煤层底板突水相关的地质、水文地质等资料的深入分析,构建了影响开滦赵各庄矿最深水平12-2#煤层底板突水的主控指标体系,根据各主控指标结合GIS技术建立了各主控因素专题图,并根据各个指标值的属性特点,采用多种无量纲化方法对各个指标值进行量化,结果表明,不同的无量纲化处理方法会得到不同的综合评价结果;对基于无量纲化与常权分区模型的综合评价结果应用Spearman等级相关系数进行无量纲化方法的对比优选,从而得到一种最适合评价模型的无量纲化处理方法,结果表明,各种无量纲方法得到的综合评价的排序结果与 合理排序‖都有着极高的相关性,其中平均化等级排序与 合理排序‖的相关性最高,相关系数为0.998,因此,可以得出结论,平均化处理得到的综合评价结果最好;建立变权分区模型的突水脆弱性评价模型,同时将多种无量纲化处理方法应用到变权分区模型对评价区煤层进行脆弱性评价,并利用自然分级法确定了评价区12-2#煤层底板奥灰含水层突水脆弱性分区阈值。最后根据分区阈值得出煤层底板突水危险性综合分区图。通过对变权分区模型评价结果的对比分析,可以看出将多种无量纲化处理方法应用到变权模型,不仅表现出不同无量纲处理方法对综合评价结果的影响,也体现出了变权理论对评价结果的影响;因此,通过对各种无量纲方法进行对比优选,选取最适合评价模型的无量纲方法,然后应用到变权分区模型,才能使最终的综合评价结果更加科学合理。3、对煤层底板岩体岩石力学性质和水理性质影响因素及它们之间的相互耦合作用进行了理论分析。煤层底板含(隔)水层是由一系列非连续节理和被节理裂隙所分割的岩石块体共同组成的地质结构体。岩体中包含各种不同尺度、方向各异及性质不同的缺陷构造,如断层、陷落柱、孔隙、微裂纹、节理和裂隙等宏观的非连续面,由于这些缺陷的存在一方面改变了岩体的力学性质(弹形模量及强度参数),另一方面又严重影响岩体的水理性质(渗透系数和孔隙率)。在深部高应力下的岩体中的这些缺陷在采掘活动前大都处于闭合状态,一旦进行采掘活动后破坏了围岩的原始应力状态,造成应力场的重新分布,破坏了采场围岩一定范围的稳定性,造成围岩的变形与破坏,同时造成天然岩体中原生裂隙的扩展与新裂隙的产生,使岩体裂隙张开度发生变化引起渗流通道的变化,进而改变渗透系数和渗透力。而孔隙水压力的改变就会引起有效应力的变化和裂隙法向及切向应力的逐渐增大,显著地改变裂隙张开度以及新裂隙的产生等,这便形成了复杂的应力和渗流的耦合作用。对岩体渗流模型的研究促使流-固耦合理论的产生。以terzaghi有效应力原理为基础结合biot理论,可实现多孔介质双场耦合;借助裂隙隙宽的变形法则,可实现裂隙岩体渗流应力参数耦合;通过岩体孔隙变形规律,也可实现孔隙型岩体渗流应力参数耦合。4、结合十四水平地质、水文地质及开采设计等资料建立了十四水平首采区的煤层底板突水水文地质物理概念模型。基于流固耦合理论,利用flac3d数值模拟软件内嵌的程序语言fish编写自定义函数、变量,实现了材料的弹性模量和渗透系数随煤层开采过程中应力和水压的变化而实时变化,并在此基础上构建了断层物质为弹塑性介质、流变介质的弹塑性流固耦合模型和流变流固耦合模型。最后分别应用两模型进行模拟计算,通过对煤层底板正常地段和构造地段不同高度垂直应力、垂直位移、最大主应力、最小主应力、孔隙水压力等参数的监测,得出它们随煤层开采过程中的动态演化规律,模拟结果表明,弹塑性流固耦合模型可以展现煤层底板(正常地段和构造地段)渗流场、应力场、岩体力学参数、渗流参数随煤层开采过程中的动态规律,而流变流固耦合模型即可以很好的展现煤层开挖过程中各场、参数的变化,而且能够展现在开采结束后仍有滞后突水的可能,更好的解释了深部断裂滞后突水机理,经对比分析计算结果,确定了断裂破碎带最危险滞后突水时间。5、结合深部岩体力学特性质、渗透特性,根据研究区首采工作面流固耦合模拟计算结果、煤层底板奥陶系灰岩含水层的突水主要控制因素分析及底板奥灰突水危险性综合分区结果,参考华北型煤田煤层底板奥陶系灰岩含水层突水的综合防治措施与经验,针对研究区提出了对应的综合防治措施和十四水平开拓工程的安全防护措施。
【关键词】：深部开采 底板突水 流固耦合 滞后突水 脆弱性评价
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD745
【目录】：

• 摘要5-8
• Abstract8-16
• 第一章 引言16-30
• 1.1 选题背景及研究意义16-17
• 1.2 国内外研究现状17-25
• 1.2.1 国内外深部开采研究17-19
• 1.2.2 岩体应力—渗流耦合研究19-20
• 1.2.3 煤层底板突水机理研究20-24
• 1.2.4 煤层底板突水评价预测研究24-25
• 1.3 存在问题25-26
• 1.4 研究内容、技术路线26-28
• 1.5 创新点28
• 1.6 本章小结28-30
• 第二章 研究区概况30-42
• 2.1 矿井概况30-33
• 2.1.1 矿井开发情况30
• 2.1.2 矿井生产水平及主要开采煤层30-31
• 2.1.3 矿井排水31
• 2.1.4 矿井位置、交通31-32
• 2.1.5 地形地貌32
• 2.1.6 水文气象32-33
• 2.1.7 地震33
• 2.2 矿井地质及水文地质条件分析33-41
• 2.2.1 地质条件33-36
• 2.2.2 水文地质条件36-41
• 2.3 本章小结41-42
• 第三章 深部采场煤层底板突水危险性评价42-88
• 3.1 煤层底板突水脆弱性指数法及其改进方法42-47
• 3.1.1 脆弱性指数法及其特点42
• 3.1.2 变权理论概述42-44
• 3.1.3 无量纲化方法概述44-46
• 3.1.4 基于无量纲化与变权理论的煤层底板突水脆弱性评价方法46-47
• 3.2 煤层底板突水主控因素分析以及主控指标专题图的建立47-54
• 3.2.1 煤层底板突水主控因素分析47-48
• 3.2.2 煤层底板突水主控因素专题图的建立48-54
• 3.3 煤层底板突水主控指标无量纲化及无量纲化专题图建立54-59
• 3.3.1 煤层底板突水主控指标无量纲化55-57
• 3.3.2 煤层底板突水主控指标无量纲化专题图的建立57-59
• 3.4 属性数据库的建立59
• 3.5 基于传统常权的改进型煤层底板突水脆弱性评价59-66
• 3.5.1 层次分析法（AHP）模型设计59-62
• 3.5.2 专题图叠加过程62
• 3.5.3 模型的建立62
• 3.5.4 煤层底板突水脆弱性评价分区62-66
• 3.6 基于无量纲化与常权模型的煤层底板评价结果对比分析66-67
• 3.7 无量纲方法的比较与优选67-69
• 3.8 基于变权理论的改进型煤层底板突水脆弱性评价69-77
• 3.8.1 分区状态变权向量的构建69-70
• 3.8.2 主控因素变权区间的确定70-73
• 3.8.3 变权权重确定73-74
• 3.8.4 专题图叠加过程74
• 3.8.5 分区变权模型—地理信息系统的脆弱性指数法模型建立74
• 3.8.6 基于平均化与分区变权模型的煤层底板突水脆弱性评价分区74-77
• 3.8.7 模型的识别与检验77
• 3.9 基于平均化的变权模型与常权模型评价结果对比分析77-81
• 3.10 基于不同无量纲化与变权模型的评价结果与突水系数对比分析81-83
• 3.11 基于变权模型的底板突水脆弱性评价与突水系数评价结果对比83-86
• 3.11.1 12-283-84
• 3.11.2 变权模型脆弱性评价与突水系数法评价的对比分析84-86
• 3.12 本章小结86-88
• 第四章 煤层底板岩体流固耦合理论研究88-100
• 4.1 岩石力学性质88-91
• 4.2 岩石水理性质91-94
• 4.3 岩体应力渗流耦合特性94-96
• 4.4 岩体的渗流应力耦合原理96-98
• 4.5 本章小结98-100
• 第五章深部采场煤层底板采动流固耦合数值模拟100-132
• 5.1 FLAC~(3D)软件及模拟流程简介100-101
• 5.1.1 FLAC~(3D)软件简介100
• 5.1.2 基本假设及程序流程设计100-101
• 5.2 首采工作面三维流固耦合数值计算模型101-103
• 5.3 弹塑性流固耦合数值模拟103-115
• 5.3.1 弹塑性流固耦合模拟方法103
• 5.3.2 弹塑性流固耦合模拟计算过程103-104
• 5.3.3 模拟结果及分析104-115
• 5.4 流变流固耦合数值模拟115-129
• 5.4.1 流变流固耦合模拟方法115
• 5.4.2 模拟结果及分析115-129
• 5.5 本章小结129-132
• 第六章 深部采场煤层底板突水综合防治技术措施132-134
• 6.1 综合措施132
• 6.2 十四水平开拓工程的安全措施132-133
• 6.3 本章小结133-134
• 第七章 结论与展望134-136
• 7.1 结论134-135
• 7.2 展望135-136
• 参考文献136-148
• 致谢148-150
• 作者简介150
• 在学期间发表的学术论文150
• 在学期间参加科研项目150

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 韩宝平,冯启言,于礼山,毛琼,李炉明,张洪茂;全应力应变过程中碳酸盐岩渗透性研究[J];工程地质学报;2000年01期

2 祝云华;刘新荣;梁宁慧;刘占魁;;裂隙岩体渗流模型研究现状与展望[J];工程地质学报;2008年02期

3 纪成亮;李晓昭;王驹;赵晓豹;汪志涛;邵冠慧;王益壮;;裂隙岩体渗透系数确定方法研究[J];工程地质学报;2010年02期

4 施龙青,宋振骐;采场底板“四带”划分理论研究[J];焦作工学院学报(自然科学版);2000年04期

5 王经明,葛家德,吴玉华,邓西清,贺兆礼;MECHANISM ON PROGRESSIVE INTRUSION OF PRESSURE WATER UNDER COAL SEAMS INTO PROTECTIVE AQUICLUDE AND ITS APPLICATION IN PREDICTION OF WATER INRUSH[J];Journal of Coal Science & Engineering(China);1996年02期

6 杨映涛,李抗抗;用物理相似模拟技术研究煤层底板突水机理[J];煤田地质与勘探;1997年S1期

7 张金才;刘天泉;;煤层底板突水影响因素的分析与研究[J];煤矿开采;1993年04期

8 刘伟韬,张文泉,李加祥;用层次分析-模糊评判进行底板突水安全性评价[J];煤炭学报;2000年03期

9 武强,周英杰,刘金韬,钟亚平,殷作如,李建民,洪益清,周瑞光;煤层底板断层滞后型突水时效机理的力学试验研究[J];煤炭学报;2003年06期

10 刘志军;胡耀青;;承压水上采煤断层突水的固流耦合研究[J];煤炭学报;2007年10期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 郑纲;煤矿底板突水机理与底板突水实时监测技术研究[D];长安大学;2004年

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