傾斜煤層底板破壞特征及其阻隔水性能與突水預(yù)測

1 緒論

1.1 研究背景與意義

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.3 主要存在問題

1.4 主要研究內(nèi)容

2 傾斜煤層底板破壞特征力學(xué)分析

2.1 沿煤層傾斜方向底板應(yīng)力分布

2.2 沿煤層傾斜方向底板破壞深度

2.3 沿煤層傾斜方向底板破壞形態(tài)

2.4 工程應(yīng)用

2.5 本章小結(jié)

3 傾斜煤層底板破壞特征數(shù)值分析

3.1 FLAC3D簡介與建模原則

3.2 數(shù)值計(jì)算模型與方案

3.3 沿煤層傾斜方向底板應(yīng)力分布

3.4 沿煤層傾斜方向底板破壞特征

3.5 埋深對底板應(yīng)力分布與破壞特征的影響

3.6 本章小結(jié)

4 傾斜煤層底板突水力學(xué)分析

4.1 傾斜煤層底板隔水關(guān)鍵層力學(xué)模型

4.2 傾斜煤層底板隔水關(guān)鍵層力學(xué)特性

4.3 傾斜煤層底板隔水關(guān)鍵層失穩(wěn)力學(xué)判據(jù)

4.4 工程應(yīng)用

4.5 本章小結(jié)

5 傾斜煤層底板突水?dāng)?shù)值分析

5.1 流固耦合方程與建模原則

5.2 模擬工程背景與數(shù)值計(jì)算模型

5.3 沿煤層傾斜方向底板流固耦合破壞特征

5.4 沿煤層傾斜方向底板承壓滲透特性

5.5 沿煤層傾斜方向底板易于突水位置

5.6 本章小結(jié)

6 傾斜煤層底板阻隔水性能分析

6.1 傾斜煤層底板隔水關(guān)鍵層破斷失穩(wěn)特征

6.2 傾斜煤層底板隔水關(guān)鍵層突水危險(xiǎn)區(qū)域

6.3 傾斜煤層底板隔水關(guān)鍵層阻隔水性能

6.4 本章小結(jié)

7 傾斜煤層底板破壞特征微震監(jiān)測與突水預(yù)測

7.1 傾斜煤層工作面概況

7.2 微震監(jiān)測原理與方案

7.3 傾斜煤層底板破壞特征微震監(jiān)測

7.4 傾斜煤層底板突水預(yù)測

7.5 本章小結(jié)

8 主要結(jié)論

8.1 結(jié)論

8.2 展望

參考文獻(xiàn)2100433B

本書共分8章，第1章論述了研究傾斜煤層底板破壞特征及其阻隔水性能與突水預(yù)測對實(shí)現(xiàn)承壓水上傾斜煤層安全帶壓開采的必要性和重要性；第2、3章分別從理論和數(shù)值計(jì)算方面分析了傾斜煤層底板破壞特征；第4、5章分別從理論和數(shù)值計(jì)算方面分析了傾斜煤層底板突水機(jī)理；第6章分析了傾斜煤層底板阻隔水性能；第7章依據(jù)傾斜煤層底板破壞特征微震監(jiān)測結(jié)果對傾斜煤層底板突水進(jìn)行了預(yù)測；第8章總結(jié)了傾斜煤層底板破壞特征及其阻隔水性能與突水預(yù)測方面的研究成果。

本書可供采礦工程、安全工程、地質(zhì)工程等專業(yè)相關(guān)工程技術(shù)人員閱讀，亦可供高等院校、科研機(jī)構(gòu)的采礦工程、安全工程、地質(zhì)工程等專業(yè)的科研人員參考。

涌水量在短期內(nèi)突然成倍劇增的現(xiàn)象稱為突水。通常按突水時(shí)涌水的主要水源，將突水劃分為斷層、地表、底板、陷落柱和采空區(qū)積水等五類。我國為底板突水事故多發(fā)性的國家。據(jù)統(tǒng)計(jì)，底板突水事故約占我國各類突水事故總次數(shù)的1/4，并且這類突水往往造成重大的災(zāi)害性損失。

底板突水又常按其突水的峰值流量、動(dòng)態(tài)表現(xiàn)形式等進(jìn)行分類。按突水的峰值流量可將突水事故分為特大型、大型、中型和小型突水，其峰值流量分別為大于50m3/min，20-49m3/min，5-19m3/min和小于5m3/min。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國發(fā)生的突水淹井事故約有85%以上的事故源于大型和特大型突水事故。峰值流量的大小反映了水源的富水程度、水壓高低和突水通道的暢通程度。一般，直接由奧灰或由奧灰補(bǔ)給的含水層所形成的底板突水具備有富水和水壓高的特點(diǎn)，大多為大型或特大型突水。因此，底板突水對礦井安全生產(chǎn)的威脅很大，常需特殊加以重視。

按底板突水的地點(diǎn)可分為掘進(jìn)巷道突水和采煤工作面突水兩類。前者的突水地點(diǎn)發(fā)生在開掘于煤層中的準(zhǔn)備巷道，后者則發(fā)生在采煤工作面附近且多系因受到采動(dòng)影響而發(fā)生底板突水。統(tǒng)計(jì)資料表明：這兩類突水方式的突水次數(shù)約各占一半左右。應(yīng)當(dāng)指出：這兩類突水的機(jī)理有所差別，由于防止發(fā)生采煤工作面突水所需的隔水層厚度更大，并且這類突水事故大多為大型或特大型突水事故，它們對安全生產(chǎn)的威脅也更大。所以一般應(yīng)特別重視防治采煤工作面底板突水。

按照底板突水的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)形式又可分為爆發(fā)型、緩沖型和滯后型三類。爆發(fā)型突水多直接發(fā)生于采掘工作地點(diǎn)附近，并且一旦發(fā)生突水，其突水量在瞬間即達(dá)到峰值流量，然后，突水量逐漸減少和趨于穩(wěn)定。這種突水的來勢很猛，水中常夾有巖塊碎屑，有很強(qiáng)的沖擊力，危害最大。緩沖型突水也多發(fā)生在采掘工作地點(diǎn)附近，其突水量則經(jīng)歷由小到大逐漸增長的過程，往往要在突水后數(shù)小時(shí)、數(shù)日甚至數(shù)月才增長到最大流量，所以其突水的來勢較緩，沖擊力也較弱。滯后型突水一般是在采掘工作面推進(jìn)了相當(dāng)距離以后才在巷道或采空區(qū)中發(fā)生突水，其滯后發(fā)生突水時(shí)間可長達(dá)數(shù)日、數(shù)月甚至數(shù)年，突水量的增長也可急可緩。突水動(dòng)態(tài)表現(xiàn)形式的差別反映了隔水層破壞方式的不同。隔水巖層（巖柱）因其拉、剪應(yīng)力超限而突然破壞時(shí)大多形成爆發(fā)型突水；而緩沖型突水則往往是隔水層因滲流速度超限而逐漸破壞了隔水能力所形成的，至于滯后型突水則又往往與礦壓的疊加影響有著密切的聯(lián)系。不同的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)形式反映了不同的突水原因，需分別針對問題所在，采用不同的防治措施 。

承壓強(qiáng)含水層上采煤的底板突水事故是具有頗高水壓的底板含水突發(fā)性地穿越了位于開采煤層與含水層之間的隔水巖層，并進(jìn)入開采空間所造成的突水事故。此種突水是一種復(fù)雜的地質(zhì)、開采現(xiàn)象，既有地質(zhì)、構(gòu)造的原因，也有開采工作的原因。分析表明，造成底板突水的原因與含水層上方原始導(dǎo)升帶的高度，開采形成的底板裂隙帶深度以及兩帶之間隔水巖層的抵抗下部承壓水水壓破壞的能力緊密相關(guān)。原始導(dǎo)升帶和底板裂隙帶的巖體已失去隔水性能，若開采空間通過該兩帶直接導(dǎo)通了承壓水體，或者雖未直接導(dǎo)通，但在承壓水水壓的作用下，介于該兩帶之間的隔水保護(hù)層將遭到破壞，進(jìn)而發(fā)展成為導(dǎo)通承壓水的巖體，則開采空間將發(fā)生突水事故。

本項(xiàng)目在煤礦底板突水預(yù)測理論、方法和煤礦底板突水防治技術(shù)研究方面取得了顯著成果。（1）煤礦底板突水機(jī)理認(rèn)識 煤礦底板巖體最大破壞深度與開采工作面的開采寬度成正比，與巖體原始應(yīng)力及巖體抗壓強(qiáng)度之比的平方成正比，該破壞深度隨開采深度和支承壓力的增加而增大，隨巖體強(qiáng)度的增加而減小 水流對煤層底板隔水層的作用主要表現(xiàn)為水壓力對底板隔水巖層的破壞作用，這種破壞主要以兩種形式的力進(jìn)行（2）煤礦底板突水預(yù)測理論 根據(jù)協(xié)同學(xué)原理與方法，建立了煤礦底板子系統(tǒng)相互協(xié)作的數(shù)學(xué)模型 基于突變理論，提出了根據(jù)煤礦采動(dòng)過程中獲得的煤層底板應(yīng)力應(yīng)變和承壓水監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立單變量序列尖點(diǎn)突變模型，得出煤層底板巖體系統(tǒng)穩(wěn)定判據(jù)的方法（3）理論及方法應(yīng)用 建立了河北省萬年煤礦的三維地質(zhì)模型 成功預(yù)測了河北省峰峰煤田五礦、萬年礦等礦的突水問題，進(jìn)行了煤礦突水危險(xiǎn)性評價(jià)，為有效防治突水提供了科學(xué)依據(jù)，避免了突水預(yù)測不及時(shí)、不準(zhǔn)確帶來的礦難事故 提出了峰峰煤田底板突水和帶壓開采防治水措施（4）論文及專著 項(xiàng)目組發(fā)表論文20余篇，其中核心期刊11篇，EI檢索4篇，出版專著3部（5）成果在五礦、萬年煤礦的應(yīng)用使得新增產(chǎn)值近億元，社會(huì)效益顯著（6）成果被國內(nèi)同行專家評為達(dá)到國際先進(jìn)水平。 2100433B