【摘要】：本論文以鄂爾多斯盆地南北兩端兩個煤礦為研究對象,緊緊圍繞白堊系離層水害問題系統(tǒng)研究了白堊系巨厚砂巖離層水害特征、離層動態(tài)演化分析計算模型的創(chuàng)建及應用、白堊系離層水突水危險性評價、白堊系離層水害模式分類及防治方法總結(jié),形成了一套白堊系離層水害問題系統(tǒng)理論,主要研究成果如下:(1)關(guān)于白堊系離層水害特征:研究區(qū)白堊系沉積以洛河組為主,沉積厚度350m左右,白堊系砂巖底部的離層具備良好的充水條件。研究發(fā)現(xiàn)預計的導水裂縫帶內(nèi)部存在突水通道閉合帶,突水通道閉合帶位于冒落帶頂部第一個泥巖段至洛河組底部第一個泥巖段之間的區(qū)域�；谫_系覆巖內(nèi)存在突水通道閉合帶的事實,對可積水離層重新進行了定義,提出了10種可積水離層類型。白堊系離層水害模式的沉積特征自上而下可被概括為:“積水離層帶+突水通道閉合帶+突水通道未閉合帶”,突水通道閉合帶的隔水性是上覆離層存在積水的主要原因,突水通道閉合帶的周期性短暫打開是白堊系離層水涌入工作面的直接原因。(2)關(guān)于離層動態(tài)演化分析:根據(jù)煤層開采過程中覆巖內(nèi)存在壓力平衡拱的事實及一些已有的研究成果,提出了三角形離層域的概念,并給出了三角形離層域的范圍。分析了傳統(tǒng)離層位置判別方法的不足,提出了一種改進的巖層接觸狀態(tài)判別方法——逐級對比合并法。通過逐級對比合并,可以將巖層實際呈現(xiàn)的組合狀態(tài)展示出來,對離層發(fā)育位置的判別更加符合實際。將三角離層域與逐級對比合并法結(jié)合起來建立了一個可用于離層動態(tài)演化分析的計算模型——階梯狀組合梁計算模型。應用結(jié)果顯示該模型能夠用于進行離層動態(tài)演化分析,能夠較準確地對工作面異常出水對應的進尺進行預計。(3)關(guān)于離層水害評價:分析認為煤層開采厚度、洛河組巖層均厚、洛河組內(nèi)中-粗砂巖占比、突水通道閉合帶內(nèi)裂隙整體閉合潛力是洛河組離層水突水危險性的四個主要相關(guān)因素。運用熵權(quán)法計算出了這四個因素的權(quán)重。權(quán)重計算結(jié)果顯示煤層開采厚度對離層水突水形式起決定作用。通過分析已有突水案例之間的差異,提出了滲漏型、涌突型兩種離層水害模式。且離層水突水危險性指數(shù)小于0.5的離層水害模式為滲漏型,離層水突水危險性指數(shù)大于或等于0.5的離層水害模式為涌突型。通過本次研究,加深了對白堊系離層水害問題的認識,創(chuàng)建了一種離層動態(tài)演化分析計算模型,提供了離層水害評價及分類的指標。這些研究成果對豐富離層水害相關(guān)理論有重大理論意義,對有離層隱患的工作面進行離層水害防治有重大工程實際價值。
【圖文】：

杰[85-86]運用數(shù)值計算、相似材料模擬及理論分析等方法對覆巖離層巖層學機理進行了研究，認為離層的產(chǎn)生是由于覆巖中存在壓力平衡拱，有拱是產(chǎn)生離層的先決條件，離層的高度和跨度約等于工作面推進距離的[87]通過相似材料物理模擬發(fā)現(xiàn)工作面推進距離較小時，頂板不會有離層進尺增大時，離層發(fā)育高度約為工作面進尺的 0.4~0.6 倍，，Wang[88]做工作并得到了相似的結(jié)論。伍澤東等[89]首次使用真三維模型進行模擬，層空腔體積和最大離層高度等參數(shù)。岳建剛等[90]根據(jù)組合梁原理對工作巖內(nèi)空腔型離層位置進行了判別。此外，一些學者通過數(shù)值模擬等方法同因素對離層發(fā)育的影響[91-99]，還有不少學者對煤層采后覆巖離層的監(jiān)方法進行了研究[100-109]，其中光纖監(jiān)測是近年來新興的覆巖采動變形監(jiān)可對敷衍裂隙發(fā)育過程及時監(jiān)測[110-113]。綜上可知，在進行離層位置判別時，現(xiàn)有研究成果多通過宏觀分析、借、數(shù)值模擬、相似材料實驗模擬來實現(xiàn)。也有學者通過對覆巖內(nèi)部的巖征及接觸關(guān)系進行解析計算來獲得覆巖內(nèi)離層的分布情況，但他們所用式幾乎都是一樣的、重復性的，屬于傳統(tǒng)的離層判別公式（詳見第 5 章

荷依然為原始地應力大小，實際上由于開挖后壓力平衡拱的存在，能對巖層施加載荷的巖層范圍是有限的、變化的，只有壓力平衡拱內(nèi)（即離層才對離層上位巖層施加了載荷。以下以壓力平衡拱的研究現(xiàn)狀為中心種確定離層域的理論。1907 年，俄國學者 M.M.Продъяконов（普羅托奇雅闊諾夫）基于均質(zhì)內(nèi)硐室開挖，提出壓力拱學說，及普氏拱理論，該理論為我國隧道與地力學基礎(chǔ)。但在實際采礦工程中的巷道開挖或煤層回采過程中的頂板覆均一介質(zhì)，介質(zhì)條件十分復雜，該理論并不能很好的勝任采礦工程中煤巖中應力平衡拱的計算。鄭穎人、邱陳瑜（2016）對普氏壓力拱理論的了分析[122]。趙德深、朱廣軼等（2002）通過相似材料模擬實驗，研究了離層分布時認為離層分布的橫向范圍由巖層平均斷裂角來圈定[84]蘇仲杰（2003）對覆巖離層巖層的變形機理進行了系統(tǒng)研究，對平衡拱行了受力分析（圖 1-2），并推導出了壓力平衡拱的拱跡線方程（公式 到了拱高 H、采深 D、工作面進尺 L 的關(guān)系（公式 1 6）[85-86]。
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TD745

【參考文獻】

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本文編號：2628557