【摘要】：礦井突水災(zāi)害問題一直困擾著我國煤礦的安全生產(chǎn),其中因斷層、陷落柱等構(gòu)造活化引發(fā)的突水是礦井水事故的主要形式。眾多學(xué)者針對底板突水機(jī)理的研究往往集中于不同類型構(gòu)造活化特征方面,忽略了不同構(gòu)造活化引起完整圍巖破壞與突水通道形成演化特征相關(guān)性方面的研究,基于該觀點(diǎn)本文綜合采用理論分析、室內(nèi)巖石試驗(yàn)、數(shù)值模擬和物理模擬等方法,針對采場底板缺陷構(gòu)造活化、異常物理信息辨識、圍巖裂隙擴(kuò)展突水機(jī)理及監(jiān)測技術(shù)方面展開了一系列系統(tǒng)化的理論分析與基礎(chǔ)試驗(yàn)研究。依據(jù)底板區(qū)域性裂隙擴(kuò)展演化特征推導(dǎo)出了不同區(qū)域巖體滲流特征方程,基于實(shí)際礦井資料發(fā)現(xiàn)在同一應(yīng)力水平下底板膨脹區(qū)內(nèi)巖體滲透性能遠(yuǎn)高于其它區(qū)域;將底板地質(zhì)缺陷突水災(zāi)變模式劃分為底板缺陷裂隙擴(kuò)展型、構(gòu)造導(dǎo)通型和隱伏構(gòu)造滑剪型共3種類型,并基于力學(xué)理論推導(dǎo)了對應(yīng)的突水判據(jù),將底板突水歸結(jié)為水-巖-應(yīng)力相互作用影響下構(gòu)造活化,破壞底板巖層完整性引發(fā)的裂隙導(dǎo)通型突水。為了探究含缺陷巖體強(qiáng)弱部分協(xié)同失穩(wěn)特征,通過對宏觀預(yù)制缺陷的紅砂巖和強(qiáng)弱單元組合巖體進(jìn)行的單軸壓縮試驗(yàn),多角度探究了缺陷巖體在破壞過程中強(qiáng)段和弱段之間的相互作用,利用實(shí)驗(yàn)過程收集的應(yīng)力、應(yīng)變和聲發(fā)射等物理場信息隨加載過程的變化信息,分析了巖體由獨(dú)立活動(dòng)向整體協(xié)同破壞的轉(zhuǎn)化過程中內(nèi)部應(yīng)變積累區(qū)和釋放區(qū)的協(xié)同作用特征,提出了將強(qiáng)偏離線性階段和亞失穩(wěn)階段釋放的相關(guān)物理信息作為預(yù)測構(gòu)造突水的有效辨識信息。結(jié)合3種突水災(zāi)變模式與室內(nèi)巖石試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)了大尺寸含缺陷類巖石雙向加載破壞試驗(yàn),捕捉模擬地應(yīng)力環(huán)境下缺陷巖體構(gòu)造活化過程構(gòu)造及其圍巖的裂隙演化等物理變化特征,通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)不同類型類巖石材料破壞過程中存在明顯的裂紋-應(yīng)力-時(shí)間和損傷變量-能量-時(shí)間的階段性特征,試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)在構(gòu)造活化階段,缺陷巖體中相對完整圍巖不斷產(chǎn)生新的宏觀裂紋并與原有的缺陷裂紋彼此貫通,聲發(fā)射事件數(shù)量密集發(fā)生且能量較大,巖石損傷變量已至臨界值,造成試件整體失穩(wěn)破壞。利用FRACOD2D數(shù)值模擬方法研究了固流耦合作用下缺陷巖體失穩(wěn)裂紋傳播過程,建立了 3種裂隙擴(kuò)展耦合模型,模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)流體在裂紋中流動(dòng)過程中沿裂紋方向流體壓力呈非線性分布,在特定環(huán)境下的裂紋網(wǎng)中流動(dòng)過程中路徑越短,流量越大,巖體原生節(jié)理為含水裂紋的擴(kuò)展提供了條件,相對進(jìn)出口距離最近的裂紋成為突水主通道;基于該認(rèn)識,本文創(chuàng)建了駱駝山“3.1”突水事故模型,發(fā)現(xiàn)突水事故的主要原因?yàn)楦叱袎核?qū)使陷落柱主溶洞裂紋向開挖方向擴(kuò)展并于工作面前方煤壁受礦壓作用下產(chǎn)生的裂紋貫通,進(jìn)而形成突水通道。為了驗(yàn)證理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性,利用非親水固流耦合相似模擬材料和采動(dòng)煤層底板突水相似模擬試驗(yàn)系統(tǒng)開展了底板構(gòu)造突水物理模擬試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了對不同突水模式下圍巖裂隙擴(kuò)展致突水通道形成、圍巖應(yīng)力和孔隙水壓變化規(guī)律的研究,進(jìn)而驗(yàn)證了3種災(zāi)變模式及突水判據(jù)的準(zhǔn)確性。依據(jù)室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)、數(shù)值模擬和物理試驗(yàn)結(jié)果,總結(jié)了構(gòu)造活化失穩(wěn)前異常物理信息并進(jìn)行了辨識分析,基于一系列理論分析和試驗(yàn)研究成果對構(gòu)造失穩(wěn)監(jiān)測進(jìn)行了可行性淺析,為煤層開采底板突水的預(yù)測防治提供了一種新思路和理論支持。
【學(xué)位授予單位】：山東科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TD745
【圖文】：

底板含有構(gòu)造時(shí)，開采后底板區(qū)域性變化對構(gòu)造活化有著復(fù)雜的影響特展開對不同區(qū)域巖體滲流耦合特征研究，同時(shí)，底板構(gòu)造含有不同的賦立具有針對性的突水災(zāi)變模型并推導(dǎo)相關(guān)判據(jù)為研宄復(fù)雜的底板突水提。逡逑底板采動(dòng)巖體區(qū)域性裂隙滲流岕合機(jī)制（Ｒｅｓｅａｒｃｈ邋ｓｔａｔｕｓ邋ａｎｉｎｇ邋ｐｒｏｂｌｅｍｓ邋ｉｎ邋ａｎｄ邋ａｂｒｏａｄ）逡逑１底板巖體區(qū)域性劃分逡逑層底板突水作為一種典型的應(yīng)力場和滲流場耦合作用形成的災(zāi)害，對其預(yù)測防治的研究，己成為評價(jià)采場安全穩(wěn)定的關(guān)鍵研宄課題。眾多工程地下工程中滲流場與應(yīng)力場具有區(qū)域性分布特征，不同區(qū)域內(nèi)滲透壓力布，應(yīng)力場變化導(dǎo)致滲流場流速、流量的改變，因此采用針對兩場耦合才能準(zhǔn)確分析工程實(shí)際情況［ｌ７Ｍ７８ｉ。正確認(rèn)識和解決煤層底板突水問題如何有效描述底板不同區(qū)域內(nèi)應(yīng)力滲流相互作用下巖體裂隙擴(kuò)展貫通道的行為。逡逑應(yīng)力集屮段逡逑

底板裂隙區(qū)域性特征及構(gòu)造突水災(zāi)變模式逡逑體應(yīng)力重新分布的情況，對底板進(jìn)行區(qū)域性劃分［１７９］，即壓縮區(qū)、過度區(qū)、膨脹區(qū)、逡逑重新壓實(shí)區(qū)，如圖２．１所示。底板不同分區(qū)內(nèi)巖石應(yīng)力狀態(tài)影響了其滲透性的變化，逡逑底板巖體通過內(nèi)部孔隙、裂隙的擴(kuò)展和貫通為應(yīng)力場與滲流場的耦合提供了條件。逡逑在開采擾動(dòng)過程中，不同底板區(qū)域內(nèi)的孔隙、裂隙的擴(kuò)展及貫通存在不同的狀態(tài)，逡逑進(jìn)而導(dǎo)致底板巖體應(yīng)力和滲流反復(fù)耦合，使得底板突水具有區(qū)域性和時(shí)間性特征。逡逑因此，探討煤層開采后底板區(qū)域性變化特征對研宄復(fù)雜的底板突水提供有效手段。逡逑２．邋１．２區(qū)域性巖體裂隙演化特征分析逡逑（１）

邐３０逡逑正應(yīng)力／ＭＰａ逡逑圖２．邋３不同區(qū)域巖體滲透系數(shù)變化趨勢逡逑Ｆｉｇ．邋２．３邋Ｖａｒｉａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ邋ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ邋ｏｆ邋ｒｏｃｋ邋ｍａｓｓ邋ｉｎ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｒｅｇｉｏｎｓ逡逑２．邋２底板構(gòu)造突水災(zāi)變模式及判據(jù)（Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｅ邋ｍｏｄｅｌ邋ａｎｄ邋ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ逡逑ｏｆ邋ｗａｔｅｒ邋ｉｎｒｕｓｈ）逡逑２．邋２．邋１地質(zhì)缺陷概述逡逑礦井地下施工時(shí)面對的介質(zhì)大多是由復(fù)雜巖石組成的地質(zhì)體，其中往往存在陷逡逑落柱、斷層、節(jié)理群等地質(zhì)缺陷，如圖２．４所示。由于地質(zhì)缺陷的存在，不僅導(dǎo)致逡逑了自然地質(zhì)環(huán)境發(fā)生改變，而且對煤礦開采的長期安全產(chǎn)生較大的影響。在煤礦回逡逑采過程中，底板構(gòu)造等地質(zhì)缺陷的存在不僅破壞了隔水層的完整性，而且降低了隔逡逑水層的阻水能力，降低了煤層與含水層的距離及底板隔水層的有效厚度，導(dǎo)致承壓逡逑水沿地質(zhì)缺陷導(dǎo)升至隔水層中，為承壓水涌入礦井提供了有利條件［１８６］。當(dāng)煤層底逡逑板含有斷層等地質(zhì)缺陷時(shí)，礦井工作區(qū)域突水發(fā)生的可能性相比于擁有完整隔水層逡逑的區(qū)域要大。逡逑？二：＇邐■含水層逡逑圖２．邋４礦井地質(zhì)缺陷示意圖逡逑Ｆｉｇ．邋２．４邋Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ邋ｄｅｆｅ

本文編號：2800624