本文關(guān)鍵詞：水壓作用下防砂安全煤（巖）柱失穩(wěn)突水潰砂機(jī)理研究

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【摘要】：近年來,隨著煤炭資源的大量開采,華東、華北等許多礦區(qū)出現(xiàn)了資源匱乏和工作面接續(xù)緊張的問題。為了扭轉(zhuǎn)這一局面,礦井在淺部區(qū)域提高了開采上限,縮小了安全煤(巖)柱留設(shè)厚度,提高了資源的回收率,但同時(shí)許多礦區(qū)發(fā)生了災(zāi)難性的突水潰砂事故,造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。目前具有厚砂土層、薄基巖地質(zhì)特征的西北地區(qū)為我國主要的煤炭生產(chǎn)基地之一,回采工作面突水潰砂也時(shí)有發(fā)生,時(shí)刻威脅著礦井的安全生產(chǎn)。突水潰砂事故一般發(fā)生在特殊地質(zhì)條件下的煤層開采過程中,屬于礦井隱蔽災(zāi)害,突水潰砂機(jī)理需通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、理論分析和室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合進(jìn)行綜合分析研究。本文以趙固礦區(qū)地質(zhì)條件為基礎(chǔ),通過分析趙固一礦薄基巖工作面突水潰砂事故實(shí)例,根據(jù)薄基巖區(qū)的地質(zhì)特征,構(gòu)建了楔形保水壓結(jié)構(gòu)模型,并通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了楔形保水壓結(jié)構(gòu)的保水特性;運(yùn)用礦山壓力與巖層控制相關(guān)理論、材料力學(xué)理論,采用有限元和離散元數(shù)值分析法研究了薄基巖工作面覆巖破壞規(guī)律和楔形保水壓結(jié)構(gòu)下開采的危險(xiǎn)性;利用研制的風(fēng)化巖石裂縫涌水?dāng)U展試驗(yàn)裝置研究了高水壓作用下裂隙風(fēng)化泥巖保護(hù)層的穩(wěn)定性和風(fēng)化泥巖裂縫涌水及擴(kuò)展規(guī)律;通過采動(dòng)裂縫幾何特征對(duì)涌砂影響的專門試驗(yàn)裝置研究了采動(dòng)裂縫形態(tài)和尺寸對(duì)突水潰砂的影響;采用彈塑性力學(xué)、滲流力學(xué)及斷裂力學(xué)等理論研究了高水壓作用下防砂安全煤(巖)柱失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)制,完善了高水壓條件下防砂安全煤(巖)柱留設(shè)方法和突水潰砂防治工程判據(jù)。論文研究主要有以下成果:(1)按照厚度變化基巖分為厚基巖、薄基巖和超薄基巖三類,根據(jù)趙固一礦采礦條件,將基巖厚度小于等于50m的區(qū)域劃分為薄基巖區(qū),頂板屬于中硬類型。薄基巖區(qū)松散層中部有厚層粘土層,淺部含水層對(duì)礦井充水無直接影響;新近系底部絕大部分區(qū)域?yàn)楹駥诱惩翆?局部有砂礫“天窗區(qū)”,對(duì)礦井充水有影響;風(fēng)化帶含水層和頂板砂巖含水層為弱富水性,對(duì)礦井充水影響有限,可采用采前鉆孔疏放和工作面邊采邊疏的方法進(jìn)行防治。(2)分析了薄基巖工作面突水潰砂實(shí)例,揭示了高水壓作用下防砂安全煤(巖)柱的失穩(wěn)機(jī)理,構(gòu)建了楔形保水壓結(jié)構(gòu)模型。楔形保水壓結(jié)構(gòu)由上、下粘土層、中部砂礫“天窗區(qū)”和楔形風(fēng)化帶巖層組成。土工試驗(yàn)、風(fēng)化帶巖石強(qiáng)度試驗(yàn)、阻水性能試驗(yàn)和崩解試驗(yàn)表明松散層深部粘土和風(fēng)化帶泥巖具有良好的隔水性能和保水性能,受巨厚松散層的影響,楔形保水壓結(jié)構(gòu)中局部存在含水層“高壓核”,對(duì)薄基巖工作面開采構(gòu)成很大威脅。(3)運(yùn)用材料力學(xué)理論和關(guān)鍵層理論研究了工作面礦壓顯現(xiàn)特征和關(guān)鍵層特征。研究表明巨厚松散層薄基巖工作面老頂初次來壓和周期來壓步距短,頂板中僅存在單一關(guān)鍵層,老頂破斷巖塊易形成“短砌體梁”結(jié)構(gòu)。巨厚松散層薄基巖工作面老頂“短砌體梁”結(jié)構(gòu)和“臺(tái)階巖梁”結(jié)構(gòu)易發(fā)生變形失穩(wěn)和滑落失穩(wěn),導(dǎo)致工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈,將加劇松散層底部砂土層的變形失穩(wěn)和破壞。(4)根據(jù)巨厚松散層粘土的工程特性,厚層粘土層具有自承載能力,可減小上部土層對(duì)關(guān)鍵層傳遞的載荷,提出了關(guān)鍵層發(fā)生復(fù)合破斷時(shí)關(guān)鍵層組合梁上部巖層載荷傳遞系數(shù),并結(jié)合巖層組合梁載荷傳遞理論,推導(dǎo)出載荷傳遞系數(shù)公式,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)礦壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算出該地質(zhì)條件下薄基巖工作面載荷傳遞系數(shù)為0.24~0.30。根據(jù)頂板關(guān)鍵層復(fù)合破斷和變形特征,推導(dǎo)出關(guān)鍵層復(fù)合破斷巖塊上部裂縫通道寬度公式。通過分析老頂斷裂巖塊回轉(zhuǎn)角和斷裂角的變化特征,根據(jù)裂縫幾何形態(tài)將裂縫通道劃分為矩形截面、梯形截面等9種類型。(5)以薄基巖區(qū)地質(zhì)條件為基礎(chǔ),建立了薄基巖大采高工作面數(shù)值計(jì)算力學(xué)模型,通過有限元和離散元數(shù)值模擬研究了薄基巖工作面的覆巖破壞規(guī)律。數(shù)值分析結(jié)果表明隨著工作面的推進(jìn),覆巖破壞區(qū)域范圍不斷擴(kuò)大,達(dá)到充分采動(dòng)后,覆巖的破壞高度不再增加,塑性破壞區(qū)形成“馬鞍”型,巖層移動(dòng)角為75°左右。煤層開采后,采空區(qū)正上方、正下方巖體出現(xiàn)卸壓現(xiàn)象,在煤壁前方出現(xiàn)應(yīng)力集中。工作面回采后覆巖破壞塑性區(qū)分為拉伸破壞區(qū)、拉伸裂隙區(qū)、剪切破壞區(qū)和拉剪破壞區(qū)。采高為3.5m時(shí),垮落帶高度為12~15m,垮采比3.43~4.29;導(dǎo)水裂縫帶高度為42~43m,裂采比12.00~12.29。薄基巖工作面大采高開采產(chǎn)生的導(dǎo)水裂縫帶將波及到楔形保水壓結(jié)構(gòu),引起“高壓核”破壞泄漏,對(duì)工作面的安全開采造成直接的影響。(6)根據(jù)模擬試驗(yàn)相似原理和流體力學(xué)理論,研制了風(fēng)化巖石裂縫涌水?dāng)U展試驗(yàn)裝置,研究了高水壓作用下采動(dòng)裂縫風(fēng)化泥巖保護(hù)層的穩(wěn)定性。通過考慮注水壓力、裂縫寬度、下位裂縫寬度和巖石物理性質(zhì)四個(gè)因素,共設(shè)計(jì)4個(gè)試驗(yàn)方案,9組試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,水壓作用下風(fēng)化泥巖裂縫擴(kuò)展存在臨界水頭壓力,水頭壓力達(dá)到臨界值時(shí)裂縫發(fā)生擴(kuò)展,引起風(fēng)化泥巖保護(hù)層失穩(wěn)破壞,逐漸喪失阻水砂性能,形成管涌;隨著風(fēng)化泥巖裂縫的擴(kuò)展,含水層水壓力不斷減小,水壓降速逐漸減小;涌水量變化呈斜“s”型,先增大后逐漸趨于穩(wěn)定;風(fēng)化泥巖裂縫擴(kuò)展分為初始裂縫彌合期、裂縫擴(kuò)展期和崩解破碎期3個(gè)階段;裂縫擴(kuò)展時(shí)間的長短和裂縫擴(kuò)展寬度與注水壓力、裂隙初始寬度、巖石物理性質(zhì)有關(guān),是滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)相互作用的結(jié)果。(7)風(fēng)化泥巖裂縫涌水?dāng)U展試驗(yàn)中,通過設(shè)定不同的變量和參數(shù),經(jīng)水流沖刷后風(fēng)化泥巖裂縫表面呈現(xiàn)不同的裂紋特征,裂縫在水流沖刷作用下,裂縫切面經(jīng)歷了片蝕和溝蝕兩個(gè)階段。根據(jù)泥沙流動(dòng)理論建立了風(fēng)化泥巖裂縫涌水?dāng)U展力學(xué)模型,推導(dǎo)出高水壓水流作用下巖體表面顆粒失穩(wěn)發(fā)生的力學(xué)條件。巖石裂縫面上的顆粒失穩(wěn)造成裂縫擴(kuò)展,水力坡度越大滲透力就越大,水流作用下顆粒就越容易失穩(wěn),從而導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展程度增大。(8)利用研制的采動(dòng)裂縫幾何特征(形態(tài)、尺寸)對(duì)涌砂影響的專門試驗(yàn)裝置研究了采動(dòng)裂縫幾何特征對(duì)突水潰砂的影響,共設(shè)計(jì)3個(gè)試驗(yàn)方案,24組試驗(yàn),并通過理論經(jīng)驗(yàn)公式分析了裂縫幾何特征和砂層物理性質(zhì)對(duì)涌砂臨界水力坡度的影響。巖石裂縫涌砂過程分為滴水、局部砂粒失穩(wěn)和砂層失穩(wěn)水砂混合流潰出三個(gè)階段;水砂涌出后砂層中上部形成漏斗狀空洞,砂層下部形成長軸與裂縫長度方向一致的橢球體狀空洞;裂縫幾何特征不同,水砂涌出臨界水力坡度和潰砂量差異大;裂縫寬度越大,砂層密實(shí)度越低,水砂涌出的臨界水力坡度就越小,容易發(fā)生突水潰砂。(9)通過對(duì)薄基巖區(qū)覆巖破壞規(guī)律和高水壓作用下風(fēng)化帶保護(hù)層失穩(wěn)的研究,提出了高水壓作用下防砂安全煤(巖)柱失穩(wěn)滲流-管涌演變力學(xué)模型,對(duì)突水潰砂力學(xué)機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)研究。根據(jù)孔隙-裂隙彈性理論將采動(dòng)前后和高水壓滲流失穩(wěn)后的保護(hù)層風(fēng)化巖體概化為非連通裂隙巖體、連通裂隙巖體和破碎巖體3種類型,分析認(rèn)為薄基巖工作面發(fā)生突水潰砂前后裂隙巖體滲流變化經(jīng)歷了4個(gè)階段:采前低滲流階段、采后高水壓滲流階段、滲流失穩(wěn)階段及管涌階段,并建立了各個(gè)階段固液耦合力學(xué)模型,揭示了高水壓作用下防砂安全煤(巖)柱失穩(wěn)突水潰砂的整個(gè)過程。(10)完善了水體下采煤安全煤(巖)柱的留設(shè)方法。根據(jù)覆巖破壞規(guī)律和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,考慮高水壓對(duì)采動(dòng)裂隙風(fēng)化泥巖保護(hù)層阻隔砂性能的不利影響,提出了適用于高水壓條件下的防砂安全煤(巖)柱留設(shè)方法,增加了高水壓作用下煤柱的損傷厚度并提出了對(duì)其確定的方法。結(jié)合薄基巖區(qū)突水潰砂工作面頂板孔探測(cè)結(jié)果,提出了突水潰砂防治工程判據(jù)。為了防止楔形保水壓結(jié)構(gòu)下采動(dòng)時(shí),“高壓核”含水層泄漏對(duì)防砂安全煤(巖)柱穩(wěn)定性的影響,制定了工作面頂板疏水降壓措施。將研究成果應(yīng)用于薄基巖區(qū)其他工作面實(shí)現(xiàn)了安全開采,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TD745

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

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本文編號(hào)：1172803