本文關(guān)鍵詞：奧陶系推覆體下覆巖采動應(yīng)力和水壓力響應(yīng)研究

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【摘要】：本文圍繞奧陶系石灰?guī)r推覆體含水層下煤層開采過程中覆巖應(yīng)力和承壓含水層孔隙水壓力采動響應(yīng)這一科學(xué)問題展開研究。論文以安徽省錢營孜煤礦東一采區(qū)32煤層的開采為工程地質(zhì)原型,建立了研究區(qū)采動水文地質(zhì)工程地質(zhì)模型;基于巖體斷裂的強(qiáng)度準(zhǔn)則和壓剪應(yīng)力作用下裂紋止裂的臨界條件,推導(dǎo)了奧陶系石灰?guī)r推覆體含水層下煤層開采導(dǎo)水裂隙帶高度的計(jì)算公式;研制了奧陶系石灰?guī)r推覆體含水層下煤層開采的相似模型試驗(yàn)裝置;開展了奧陶系石灰?guī)r推覆體含水層下煤層開采的相似模型試驗(yàn);最后,利用數(shù)值模擬對采場塑性區(qū)發(fā)育特征、巖層移動、覆巖應(yīng)力和承壓含水層孔隙水壓力變化進(jìn)行了研究。主要成果如下:(1)建立了奧陶系石灰?guī)r推覆體含水層下煤層開采響應(yīng)研究的采動水文地質(zhì)工程地質(zhì)模型。模型綜合考慮了采場的工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件和開采條件。工程地質(zhì)條件包括工程地質(zhì)類型的物理力學(xué)參數(shù)、結(jié)構(gòu)面特征和原巖應(yīng)力場等;水文地質(zhì)條件包括隔水層和含水層巖性、富水性、連通性以及水文地質(zhì)邊界條件等;開采條件包括煤層開采方法和頂板管理方法。(2)推導(dǎo)了奧陶系石灰?guī)r推覆體含水層下煤層開采導(dǎo)水裂隙帶高度的計(jì)算公式。該公式基于巖體斷裂強(qiáng)度準(zhǔn)則和脆性材料在壓剪應(yīng)力作用下裂紋止裂的臨界條件,從損傷巖體裂紋擴(kuò)展演化的角度,綜合考慮了采場的構(gòu)造應(yīng)力、斷層的影響、滲流場對應(yīng)力場的力學(xué)作用和水對巖石的軟化作用。應(yīng)用該公式對錢營孜煤礦東一采區(qū)E3213工作面導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行計(jì)算,并將計(jì)算結(jié)果與已有的導(dǎo)水裂隙帶高度的計(jì)算公式進(jìn)行對比分析,結(jié)果表明本文的公式提高了導(dǎo)數(shù)裂隙帶高度的計(jì)算精度。(3)研制了奧陶系石灰?guī)r推覆體含水層下煤層開采覆巖應(yīng)力和承壓含水層水壓力采動響應(yīng)的相似模型試驗(yàn)裝置。該裝置由模型箱體、供水系統(tǒng)、應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)、水壓監(jiān)測系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)五個(gè)部分構(gòu)成。裝置的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了煤層的分步開采過程,并有效地控制了試驗(yàn)過程中材料箱體的臌脹變形。(4)利用研制的裝置開展了奧陶系石灰?guī)r推覆體含水層下煤層開采覆巖應(yīng)力和承壓含水層孔隙水壓力響應(yīng)的相似模型試驗(yàn)。結(jié)果表明,采動覆巖應(yīng)力和承壓含水層孔隙水壓力的變化規(guī)律受到開采活動和地質(zhì)構(gòu)造的共同影響,與DF200斷層的水平距離、覆巖位置的不同對覆巖應(yīng)力和孔隙水壓力響應(yīng)有密切的影響。孔隙水壓力的變化表現(xiàn)為隨開采距離的增加逐漸增大的趨勢�？紫端畨毫ΡO(jiān)測點(diǎn)位于采空區(qū)前方的奧陶系石灰?guī)r含水層內(nèi),在試驗(yàn)設(shè)計(jì)的推進(jìn)開采范圍內(nèi),未發(fā)生突水現(xiàn)象。(5)對采場的流固耦合作用進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,揭示了斷層剪切活化、覆巖應(yīng)力及含水層孔壓變化等的耦合作用。結(jié)果表明,采動效應(yīng)引起了DF200斷層沿?cái)鄬用婕s90m范圍的剪切破壞,斷層剪切破壞的附近區(qū)域孔隙水壓力降低,進(jìn)而在承壓含水層中形成了一個(gè)水壓降低區(qū),此時(shí),斷層附近的塑性區(qū)與頂板導(dǎo)水裂隙帶尚未連通,頂板未突水;隨著工作面的推進(jìn),塑性區(qū)繼續(xù)發(fā)育,水壓降低區(qū)的范圍擴(kuò)大,突水瞬間發(fā)生,孔隙水壓力值發(fā)生較大幅度的降低;模型采動后,工作面前方至DF200斷層下盤豎向應(yīng)力、水平應(yīng)力及其相應(yīng)變化量均明顯大于斷層上盤,說明DF200斷層對應(yīng)力的傳遞具有阻隔作用。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD313

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本文編號：1291041