發(fā)布時(shí)間：2017-12-09 13:32

  本文關(guān)鍵詞：深部煤層底板變形破壞機(jī)理及突水評(píng)價(jià)方法研究

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【摘要】：本文采用理論分析、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等研究方法,運(yùn)用彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、損傷力學(xué)、斷裂力學(xué)、巖石力學(xué)、多元統(tǒng)計(jì)學(xué)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)等知識(shí),構(gòu)建了煤層底板突水危險(xiǎn)性主控因素體系;構(gòu)建了深淺部分界點(diǎn)的數(shù)學(xué)模型,界定了深部、淺部煤層底板破壞規(guī)律的分界點(diǎn);運(yùn)用半無(wú)限體理論和滑移線場(chǎng)理論構(gòu)建了深部煤層底板采動(dòng)破壞力學(xué)模型;基于損傷斷裂理論及統(tǒng)一強(qiáng)度理論分析了深部煤層底板采動(dòng)卸荷破壞機(jī)理;運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室TAW-3000電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)分析了不同應(yīng)力狀態(tài)的巖石在卸荷后重新加載過(guò)程中的滲透系數(shù)變化特征;構(gòu)建了深部煤層底板破壞深度數(shù)學(xué)模型;構(gòu)建了深部煤層底板突水危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)的PSO優(yōu)化SVM(PSO-SVM)模型;最后,結(jié)合峰峰礦區(qū)辛安煤礦深部112145工作面的煤層底板破壞深度實(shí)測(cè)結(jié)果,驗(yàn)證了深部煤層底板變形破壞機(jī)理及突水危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)模型的正確性。論文研究的主要內(nèi)容與結(jié)論如下:1.建立了煤層底板突水危險(xiǎn)性主控因素體系,該體系主要包括煤層底板有效隔水層阻水性能和煤層底板承壓含水層突水強(qiáng)度兩個(gè)方面,共計(jì)17個(gè)主控因素。其中,煤層底板有效隔水層的阻水性能與煤層底板隔水層厚度及其巖性、煤層底板破壞深度、煤層底板承壓水原始導(dǎo)升高度及地質(zhì)構(gòu)造相關(guān)。重點(diǎn)分析了煤層底板破壞深度各主控因素的影響權(quán)重,設(shè)計(jì)了9個(gè)因素(8個(gè)主控因素,1個(gè)空白列)、4個(gè)水平的32種正交試驗(yàn)方案,分析了8個(gè)主控因素對(duì)煤層底板破壞深度的影響權(quán)重順序及各主控因素與煤層底板破壞深度的關(guān)系。2.搜集了74組華北石炭二疊系煤層底板破壞深度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),分別構(gòu)建了深部、淺部煤層底板破壞深度及其影響因素的增廣矩陣。計(jì)算并提取了深部、淺部相關(guān)系數(shù)矩陣的向量,分析了深部、淺部相關(guān)系數(shù)矩陣向量的關(guān)聯(lián)性,確定了深淺部煤層底板破壞規(guī)律的分界點(diǎn)。通過(guò)增加數(shù)據(jù)的方法對(duì)深淺部分界點(diǎn)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析;通過(guò)模糊C均值聚類法對(duì)深淺部分界點(diǎn)的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。3.深部煤層底板在煤層回采過(guò)程中先后經(jīng)歷了采動(dòng)壓縮-剪切滑移-采動(dòng)卸荷-采空區(qū)重新承載-采空區(qū)壓實(shí)五個(gè)階段,重點(diǎn)分析了易發(fā)生煤層底板突水三個(gè)階段:剪切滑移、采動(dòng)卸荷及采空區(qū)重新承載。(1)剪切滑移階段。運(yùn)用斷裂理論分析了采場(chǎng)端部的應(yīng)力分布規(guī)律,結(jié)合Griffith破壞準(zhǔn)則確定了采場(chǎng)端部的塑性區(qū)范圍。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)半無(wú)限體理論分析了采場(chǎng)端部塑性區(qū)的支承壓力分布規(guī)律,確定了支承壓力影響下的煤層底板主動(dòng)破壞區(qū)域,運(yùn)用滑移線場(chǎng)理論構(gòu)建了深部煤層底板采動(dòng)破壞力學(xué)模型。結(jié)合峰峰礦區(qū)辛安煤礦深部112145工作面的實(shí)際參數(shù),分析了深部煤層底板最大破壞深度與其影響因素的關(guān)系。結(jié)果表明:深部煤層底板最大破壞深度與工作面超前支承壓力峰值的大小呈正相關(guān)變化;在煤壁塑性區(qū)范圍一定的情況下,深部煤層底板最大破壞深度與煤層底板內(nèi)摩擦角呈正相關(guān)變化,與煤層底板內(nèi)聚力呈負(fù)相關(guān)變化。(2)采動(dòng)卸荷階段。在依據(jù)摩爾圖解及斷裂力學(xué)理論對(duì)深部煤層底板卸荷突水破壞分析的基礎(chǔ)上,運(yùn)用損傷斷裂力學(xué)并結(jié)合統(tǒng)一強(qiáng)度理論,建立了考慮滲透水壓作用下分支裂紋端部形成的塑性區(qū)范圍計(jì)算方程與巖體發(fā)生貫穿破壞時(shí)的損傷閥值,把裂紋擴(kuò)展過(guò)程與巖體損傷耦合起來(lái),構(gòu)建了深部煤層底板采動(dòng)卸荷破壞力學(xué)模型。對(duì)比分析了考慮裂紋端部塑性區(qū)影響與否的情況下深部煤層底板裂紋損傷斷裂能量gi與其相關(guān)影響因素的關(guān)系。結(jié)果表明:側(cè)壓系數(shù)為0.5時(shí),最大主應(yīng)力完全卸荷狀態(tài)下裂紋端部應(yīng)力強(qiáng)度因子比雙軸應(yīng)力狀態(tài)下大,巖體易發(fā)生破壞�？紤]了裂紋端部塑性區(qū)的影響,深部煤層底板裂紋損傷斷裂能量相比于不考慮其影響時(shí)偏大,增大了煤層底板突水的危險(xiǎn)性。深部煤層底板裂紋損傷斷裂能量gi與裂紋半長(zhǎng)a、裂紋面連通面積與總面積之比α、裂紋面滲透水壓p及最小主應(yīng)力σ3呈正相關(guān);與裂紋面摩擦系數(shù)f及巖體的彈性模量e呈負(fù)相關(guān)。(3)采空區(qū)重新承載階段。結(jié)合辛安煤礦112145工作面實(shí)際地質(zhì)情況,設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方案。對(duì)該工作面煤層底板進(jìn)行鉆孔取芯,運(yùn)用taw-3000電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)記錄了軸向應(yīng)變、徑向應(yīng)變、軸壓、圍壓、水壓及出水口達(dá)到穩(wěn)定滲流時(shí)的滲流量,分析了深部煤層底板卸荷并重新加載至破壞過(guò)程中的巖石滲透系數(shù)變化特征。試驗(yàn)分析得出:相比于正常加載情況下,彈性階段卸載并重新加載至破壞的過(guò)程對(duì)巖石滲透系數(shù)影響較小;塑性階段卸載并重新加載至破壞的過(guò)程有助于巖石阻滲能力的形成;峰后階段卸載并重新加載至破壞的過(guò)程增大了巖石的滲透性能。4.結(jié)合華北石炭二疊系深部煤層底板破壞深度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),運(yùn)用多元非線性回歸理論構(gòu)建了深部煤層底板破壞深度數(shù)學(xué)模型,回歸分析結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.9415,說(shuō)明擬合程度高。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合19組華北型石炭二疊系深部煤層底板突水案例,考慮了工作面斜長(zhǎng)、埋深、煤層底板含水層水壓、煤層底板隔水層厚度的影響,通過(guò)matlab編寫(xiě)了pso優(yōu)化svm中懲罰因子和核函數(shù)參數(shù)的程序,構(gòu)建了深部煤層底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的pso優(yōu)化svm(pso-svm)模型。5.通過(guò)鉆孔注水法及鉆孔應(yīng)力應(yīng)變法兩種觀測(cè)手段同時(shí)對(duì)峰峰礦區(qū)辛安煤礦深部112145工作面的煤層底板破壞深度進(jìn)行了實(shí)測(cè),驗(yàn)證了深部煤層底板采動(dòng)破壞力學(xué)模型和深部煤層底板破壞深度數(shù)學(xué)模型的正確性。工作面的安全回采驗(yàn)證了深部煤層底板采動(dòng)卸荷破壞力學(xué)模型和深部煤層底板突水危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)模型的正確性。本文的研究成果為深部煤層底板破壞機(jī)理及其突水危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)研究提供了重要參考。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)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(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 馮強(qiáng);蔣斌松;;基于積分變換采場(chǎng)底板應(yīng)力與變形解析計(jì)算[J];巖土力學(xué);2015年12期

2 陸銀龍;王連國(guó);;基于微裂紋演化的煤層底板損傷破裂與滲流演化過(guò)程數(shù)值模擬[J];采礦與安全工程學(xué)報(bào);2015年06期

3 劉偉韜;劉士亮;宋文成;張茂鵬;謝祥祥;穆殿瑞;;基于薄板理論的工作面底板隔水層穩(wěn)定性研究[J];煤炭科學(xué)技術(shù);2015年09期

4 謝和平;高峰;鞠楊;高明忠;張茹;高亞楠;劉建峰;謝凌志;;深部開(kāi)采的定量界定與分析[J];煤炭學(xué)報(bào);2015年01期

5 孫建;王連國(guó);;采場(chǎng)底板傾斜隔水關(guān)鍵層的失穩(wěn)力學(xué)判據(jù)[J];煤炭學(xué)報(bào);2014年11期

6 劉杰;王恩元;趙恩來(lái);徐文全;胡少斌;;深部工作面采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)分布變化規(guī)律實(shí)測(cè)研究[J];采礦與安全工程學(xué)報(bào);2014年01期

7 朱術(shù)云;曹丁濤;周海洋;楊朝維;劉近國(guó);;采動(dòng)底板巖性及組合結(jié)構(gòu)對(duì)破壞深度的制約作用[J];采礦與安全工程學(xué)報(bào);2014年01期

8 孫建;;沿煤層傾斜方向底板“三區(qū)”破壞特征分析[J];采礦與安全工程學(xué)報(bào);2014年01期

9 張文泉;張廣鵬;李偉;華祥;;煤層底板突水危險(xiǎn)性的Fisher判別分析模型[J];煤炭學(xué)報(bào);2013年10期

10 孫建;王連國(guó);;基于微震信號(hào)突變分析的底板斷層突水預(yù)測(cè)[J];煤炭學(xué)報(bào);2013年08期

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本文編號(hào)：1270583