本文關(guān)鍵詞：煤炭開采上覆巖層變形破壞及其滲透性評價研究

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【摘要】：我國西部煤炭資源豐富,晉陜蒙寧甘地區(qū)探明煤炭儲量占全國的62.7%,2013年晉陜蒙寧甘地區(qū)煤炭產(chǎn)量23.82億噸,占全國總產(chǎn)量的80%以上。煤炭作為我國主體能源格局相當(dāng)長時期內(nèi)難以改變,煤炭資源開發(fā)重心向西部轉(zhuǎn)移是保障我國能源安全的必然要求。但是我國西部富煤地區(qū)多處于干旱和半干旱地帶,水資源僅占全國的3.9%,且年蒸發(fā)量是降雨量的6倍,生態(tài)環(huán)境十分脆弱。西部煤炭開采普遍采用超大工作面、一次采全高等現(xiàn)代采煤技術(shù),由于礦區(qū)煤層埋藏淺、上覆基巖薄、地表為厚風(fēng)積沙覆蓋層,這種高強度、整體式的開采覆巖變形破壞往往形成冒裂帶和裂隙帶的“兩帶”結(jié)構(gòu),含水層結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重,造成基巖含水層和第四系松散含水層水體向采空區(qū)滲流,造成礦區(qū)地下水資源滲漏流失和井下突水潰沙地質(zhì)災(zāi)害等,對礦區(qū)水資源系統(tǒng)和地表生態(tài)造成了巨大擾動。因此,開展煤炭開采過程中上覆巖層變形破壞及其滲透性評價研究,對西部生態(tài)脆弱礦區(qū)煤炭安全開采及地下水資源保護(hù)具有重要意義。本文以神東礦區(qū)大柳塔煤礦為依托,運用煤礦工程地質(zhì)學(xué)、巖石(體)力學(xué)、巖體水力學(xué)及采礦工程等理論,采用實驗研究、理論分析、物理模擬試驗和數(shù)值模擬計算等方法開展了煤炭開采上覆巖層變形破壞及其滲透性評價研究,揭示了不同巖性巖石全應(yīng)力-應(yīng)變-滲透性規(guī)律,并建立了巖體滲透系數(shù)與應(yīng)力應(yīng)變之間的三維關(guān)系和模型。研究了煤炭開采上覆巖層破斷及裂隙演化規(guī)律和超大工作面應(yīng)力-位移變化規(guī)律及其控制機理;揭示了煤炭開采頂?shù)装鍘r層滲透系數(shù)場分布及其控制因素�；诓煽諈^(qū)冒裂帶巖體孔隙率及滲透性分布特征,建立了煤炭開采上覆巖層滲透性評價理論與方法,揭示了煤炭開采上覆巖層滲透性分區(qū)、分帶特征,對研究區(qū)煤炭開采上覆巖層滲透性進(jìn)行了評價,為煤礦安全開采和水資源保護(hù)提供了理論依據(jù)。通過以上研究,取得了如下成果和認(rèn)識:(1)采用電液伺服巖石力學(xué)實驗系統(tǒng),分析了煤層上覆巖石全應(yīng)力應(yīng)變過程的滲透性規(guī)律,不同巖性巖石的滲透性在全應(yīng)力-應(yīng)變過程中為應(yīng)變的函數(shù),在彈性變形階段巖石滲透系數(shù)隨著微裂隙閉合逐漸減小,在塑性變形階段巖石滲透系數(shù)隨著裂隙的擴展、貫穿而迅速增加,滲透系數(shù)峰值主要發(fā)生在應(yīng)變軟化階段,不同巖性巖石存在一定差異性;不同巖性巖石的平均最大滲透系數(shù)排列順序是:泥巖砂質(zhì)泥巖粉砂巖細(xì)砂巖中、粗砂巖,因此在煤炭開采過程中泥巖和砂質(zhì)泥巖是比較好的隔水巖層。應(yīng)用孔隙彈性力學(xué)理論,建立了三向應(yīng)力條件下裂隙巖體滲透系數(shù)與應(yīng)力-應(yīng)變的耦合模型及三維關(guān)系。這些成果揭示了采動應(yīng)力-裂隙-滲流演變機理,為煤炭開采頂?shù)装鍘r層滲透性評價提供了理論基礎(chǔ)。(2)以大柳塔井田主采煤層頂?shù)装宄练e巖體為對象,建立了不同沉積巖性組合結(jié)構(gòu)地質(zhì)模型,采用物理模擬試驗方法研究了煤炭開采上覆巖層破斷及裂隙演化規(guī)律,并分析了沉積巖性組合對煤炭開采過程中覆巖變形破壞、支承壓力分布及覆巖裂隙發(fā)育的影響,并在物理模擬試驗和大量現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,建立了西部煤炭規(guī)模開采條件下的導(dǎo)水裂隙帶高度計算模型。研究結(jié)果表明:(1)神東礦區(qū)煤炭規(guī)模開采條件下覆巖破壞形成冒落帶和裂隙帶的“兩帶”結(jié)構(gòu),導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度明顯偏大,并受煤巖層結(jié)構(gòu)所控制,周期來壓步距大,采場礦壓不因采深變淺而減小,反而出現(xiàn)異常強烈的礦壓顯現(xiàn)。(2)由于煤層頂板巖體巖性組合結(jié)構(gòu)的不同,頂板巖體變形破壞、支承壓力分布和位移變化規(guī)律各異,表現(xiàn)為巖性組合結(jié)構(gòu)由砂巖類到砂巖-泥巖互層類時,頂板巖體整體強度由大變小,基本頂初次垮落步距、周期垮落步距及冒裂帶高度減小;工作面超前支承壓力亦由大到小變化,支承壓力區(qū)影響范圍減小,且支承壓力峰值位置向煤柱深處轉(zhuǎn)移;不同高度頂板巖層下沉曲線協(xié)調(diào)性變差,層間離層量變大。(3)煤炭開采上覆巖層斷裂后裂隙率發(fā)生變化,水平方向裂隙率呈“馬鞍”形分布,采空區(qū)邊界處覆巖裂隙率較中部大得多,垂直方向裂隙率隨著距開采煤層高度的增加呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系減小;上覆巖層強度越高,采動裂隙率越大,工作面和開切眼側(cè)破斷巖塊回轉(zhuǎn)角越大。(3)以大柳塔井田主采煤層頂?shù)装宄练e巖體為對象,通過flac3d數(shù)值軟件對超大工作面進(jìn)行了開采模擬計算,揭示了超大工作面開采覆巖應(yīng)力與位移變化規(guī)律:超大工作面與普通工作面相比頂板下沉量明顯增加,且增加幅度隨著采高的增加而變大,當(dāng)工作面長度由240m增加到360m時,采高5m、6m和7m時的工作面后33m煤層上方26m處老頂巖層下沉值分別增加19.5%、29.8%、42.9%;超大工作面與普通工作面相比超前支承壓力峰值明顯增加,且增加幅度隨著采高的增加而變大,當(dāng)工作面長度由240m增加到360m時,采高5m、6m和7m時的工作面超前支承壓力峰值分別增加14.2%、18.5%、27.1%。(4)采用有限差分方法模擬了開采因素和地質(zhì)因素對超大工作面開采圍巖移動變形與應(yīng)力的影響,揭示了超大工作面圍巖變形破壞控制機理。計算結(jié)果表明,隨著采高和工作面長度增大,超前支承壓力峰值變大,煤壁破壞率呈非線性急劇增加,支承壓力影響區(qū)域向煤柱深處轉(zhuǎn)移,即增加了采場支護(hù)系統(tǒng)要求和圍巖控制難度;加大工作面長度和加快工作面推進(jìn)速度能增加覆巖運動整體協(xié)調(diào)性,降低覆巖移動變形量,有效增加了上覆巖層均勻沉降區(qū)面積;斷層的存在導(dǎo)致初始地應(yīng)力場擾動,形成斷層帶低應(yīng)力區(qū)及高應(yīng)力集中區(qū),在回采過程中引起頂板劇烈運動,煤壁與斷層之間的煤柱內(nèi)形成較高的應(yīng)力梯度。(5)采用有限差分方法耦合巖體滲透系數(shù)與應(yīng)力應(yīng)變的三維關(guān)系式,模擬回采工作面的采動影響特征,揭示了工作面圍巖滲透性分布規(guī)律及其控制因素。研究結(jié)果表明,工作面圍巖水平方向滲透性增加幅度和增加區(qū)范圍較垂直方向滲透性要大得多,水平方向滲透性增加區(qū)位于采空區(qū)的正上方和正下方,其分布形狀近似“橢圓形”,最大高度出現(xiàn)在采空區(qū)中部的正上方;而垂直方向滲透性增加區(qū)的范圍不僅分布在采空區(qū)的正上方及正下方,還延展到開采區(qū)邊界斜上方、斜下方30m以外,其分布形狀近似呈“馬鞍形”,最大高度一般出現(xiàn)在采空區(qū)兩側(cè)邊界斜上方。(6)煤層頂?shù)装鍘r體的滲透性隨著煤炭開采巖體變形破壞呈規(guī)律性變化,在煤炭開采過程中處于原巖應(yīng)力區(qū)和超前壓力壓縮區(qū)煤巖體,在工作面前方超前支承壓力的作用下滲透性較小;處于采動礦壓直接破壞區(qū)的煤巖體,其滲透性相應(yīng)增大,一般最大滲透性就出現(xiàn)在該區(qū);處于巖體應(yīng)力恢復(fù)區(qū)內(nèi)的煤巖體,其應(yīng)力逐漸恢復(fù)并接近原巖應(yīng)力狀態(tài),其滲透性逐漸減小。采空區(qū)垮落巖體滲透性恢復(fù)與地面下沉值、采高、采動破碎巖體的碎脹系數(shù)和煤層埋深等有關(guān),并推導(dǎo)出了采空區(qū)內(nèi)不同位置巖體滲透恢復(fù)系數(shù)與地表下沉值之間的關(guān)系式。(7)基于孔隙率與碎脹系數(shù)的關(guān)系和覆巖下沉規(guī)律,得出了采空區(qū)冒裂帶巖體孔隙率和滲透系數(shù)分布計算模型,分析了采空區(qū)冒裂帶巖體孔隙率及滲透性空間分布特征,建立了煤炭開采上覆巖層滲透性評價理論與方法,揭示了煤炭開采上覆巖層滲透性分區(qū)、分帶特征,并對研究區(qū)煤炭開采上覆巖層滲透性進(jìn)行了評價。研究表明,采空區(qū)冒落巖石滲透系數(shù)在橫向上呈“鏟”狀分布形式,由煤壁和兩巷側(cè)向采空區(qū)內(nèi)部滲透系數(shù)值減小兩個數(shù)量級,冒裂帶巖體滲透系數(shù)自開采煤層向上呈負(fù)對數(shù)函數(shù)關(guān)系減小。采空區(qū)冒落巖體沿走向劃分為孔隙滲流特性極好區(qū)、孔隙滲流特性較好區(qū)和孔隙滲流特性中等區(qū);冒裂帶巖體由底界至頂界依次劃分為極強滲透帶、強滲透帶、中等滲透帶和弱滲透帶。(8)根據(jù)大柳塔煤礦活雞兔井探放水試驗,得出該礦區(qū)采空區(qū)冒落帶孔隙率經(jīng)驗值為0.158,建立了神東礦區(qū)采空區(qū)冒落巖石孔隙率與巖性的關(guān)系式�；诓煽諈^(qū)冒裂帶巖體孔隙-滲透性評價,提出了煤礦采空區(qū)儲水量計算模型,并計算出了大柳塔井田2-2煤層采空區(qū)不同儲水高度的時的儲水量,為神東礦區(qū)煤礦地下水庫保護(hù)利用地下水資源提供了理論基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】：煤炭開采 覆巖變形破壞 采動應(yīng)力 滲透性評價
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD82;TD32
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-16
• 1 緒論16-30
• 1.1 研究背景及意義16-17
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀17-27
• 1.2.1 采動覆巖變形破壞規(guī)律研究17-20
• 1.2.2 巖石(體)滲透性及其與應(yīng)力-應(yīng)變耦合關(guān)系研究20-23
• 1.2.3 采動巖體滲透性變化規(guī)律研究23-25
• 1.2.4 采空區(qū)孔隙率分布特征研究25-27
• 1.3 研究內(nèi)容與完成工作量27
• 1.4 研究方法及技術(shù)路線27-28
• 1.5 創(chuàng)新點28-30
• 2 神東礦區(qū)煤炭開采地質(zhì)條件30-44
• 2.1 研究區(qū)概況30-31
• 2.1.1 地理地貌30
• 2.1.2 氣候30-31
• 2.1.3 煤炭生產(chǎn)現(xiàn)狀31
• 2.2 煤巖層結(jié)構(gòu)特征31-38
• 2.2.1 煤層賦存特征31-32
• 2.2.2 煤層上覆巖層巖性分布規(guī)律32-38
• 2.3 煤層上覆巖體類型及其巖石力學(xué)性質(zhì)38-40
• 2.3.1 煤層上覆巖體類型38-39
• 2.3.2 煤層上覆巖石物理力學(xué)性質(zhì)39-40
• 2.4 地下水的賦存條件和水力特征40-41
• 2.5 煤炭現(xiàn)代開采工藝41-42
• 2.6 本章小節(jié)42-44
• 3 煤層上覆巖石滲透性與其應(yīng)力-應(yīng)變耦合關(guān)系研究44-62
• 3.1 引言44
• 3.2 巖石全應(yīng)力應(yīng)變滲透性試驗研究44-50
• 3.2.1 試驗方法44-45
• 3.2.2 試驗結(jié)果及分析45-50
• 3.3 巖體滲透系數(shù)與應(yīng)力-應(yīng)變的耦合模型50-61
• 3.3.1 完整巖石基質(zhì)滲透系數(shù)-應(yīng)力耦合關(guān)系50-52
• 3.3.2 裂隙巖體滲透特征52-56
• 3.3.3 裂隙巖體滲透系數(shù)與應(yīng)力應(yīng)變的三維關(guān)系56-61
• 3.4 本章小節(jié)61-62
• 4 煤炭開采覆巖變形破壞規(guī)律物理模擬試驗研究62-90
• 4.1 相似材料模擬試驗62-67
• 4.1.1 研究目的62
• 4.1.2 工程地質(zhì)模型62-63
• 4.1.3 相似常數(shù)確定63-64
• 4.1.4 相似模型材料及制作程序64-67
• 4.2 采動覆巖變形破壞過程分析67-82
• 4.2.1 頂板巖體破斷與運動規(guī)律67-72
• 4.2.2 頂板巖體移動變形規(guī)律72-76
• 4.2.3 頂板巖體應(yīng)力變化規(guī)律76-78
• 4.2.4 采動覆巖裂隙發(fā)育及分布形態(tài)78-82
• 4.3 上覆采空區(qū)下伏煤層開采突水危險性評價82-85
• 4.3.1 有效隔水巖層厚度82-83
• 4.3.2 上覆采空區(qū)突水危險性評價分類83-84
• 4.3.3 上覆采空區(qū)積水下煤層開采突水危險性評價84-85
• 4.4 神東礦區(qū)頂板導(dǎo)水裂隙帶高度實測與計算模型85-88
• 4.4.1 鉆孔沖洗液漏水量探測導(dǎo)水裂隙帶高度85-86
• 4.4.2 導(dǎo)水裂隙帶高度計算模型及綜合分析86-88
• 4.5 本章小節(jié)88-90
• 5 煤炭開采覆巖應(yīng)力應(yīng)變及破壞數(shù)值模擬分析90-118
• 5.1 引言90
• 5.2 FLAC3D程序簡介90-91
• 5.3 超大工作面開采覆巖應(yīng)力應(yīng)變及破壞模擬分析91-116
• 5.3.1 數(shù)值計算模型建立91-92
• 5.3.2 模擬計算結(jié)果分析92-101
• 5.3.3 超大工作面開采頂?shù)装遄冃纹茐目刂埔蛩?/span>101-116
• 5.4 本章小節(jié)116-118
• 6 煤炭開采工作面圍巖滲透性分布規(guī)律研究118-138
• 6.1 引言118
• 6.2 采動圍巖滲透性分布的數(shù)值模擬分析118-132
• 6.2.1 數(shù)值計算模型建立118-119
• 6.2.2 采動圍巖應(yīng)力-滲透性耦合研究119-123
• 6.2.3 采動圍巖應(yīng)變-滲透性耦合研究123-127
• 6.2.4 對比分析127
• 6.2.5 控制因素127-132
• 6.3 煤炭開采中頂?shù)装鍘r層滲透性動態(tài)變化132-134
• 6.4 采空區(qū)滲透性恢復(fù)與地表下沉值的關(guān)系134-137
• 6.5 本章小節(jié)137-138
• 7 煤炭開采上覆巖層滲透性評價及應(yīng)用138-160
• 7.1 引言138
• 7.2 煤炭開采上覆巖層滲透性評價理論與方法138-145
• 7.2.1 采空區(qū)冒裂帶巖體滲透性分布規(guī)律138-143
• 7.2.2 采空區(qū)平均孔隙率和滲透系數(shù)計算方法143-144
• 7.2.3 煤炭開采上覆巖層滲透性分區(qū)分帶特征144-145
• 7.3 煤炭開采上覆巖層滲透性控制機理145-147
• 7.4 大柳塔井田煤炭開采上覆巖層滲透性評價147-159
• 7.4.1 采空區(qū)垮落巖體滲透性橫向分布148-150
• 7.4.2 采空區(qū)冒裂帶巖體滲透性縱向分布150-152
• 7.4.3 采空區(qū)孔隙率現(xiàn)場實測驗證152-154
• 7.4.4 煤礦采空區(qū)儲水量計算154-159
• 7.5 本章小節(jié)159-160
• 8 結(jié)論與展望160-164
• 8.1 結(jié)論160-162
• 8.2 展望162-164
• 參考文獻(xiàn)164-176
• 致謝176-178
• 作者簡介178
• 在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文178
• 在學(xué)期間獲得的國家專利178
• 在學(xué)期間參加科研項目178-179

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本文編號：782977