本文關(guān)鍵詞：承壓水上采空區(qū)底板巖層擾動規(guī)律研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著淺部煤炭資源的枯竭,煤礦開采開始向深部延伸;同時,由于地層深部地下水壓力的增高,遇到承壓水威脅的礦井數(shù)量越來越多。眾所周知,井下作業(yè)場所的高壓地下水環(huán)境不僅導(dǎo)致礦井排水費用的增加,甚至引發(fā)礦井突水事故;因此,有效控制井下作業(yè)場所的地下水影響對保障作業(yè)人員生命安全、實現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)有重要的意義。煤層帶壓開采時的安全預(yù)測是實現(xiàn)對地下水有效控制的重要前提,可以通過采空區(qū)底板巖層擾動值判斷巖層破斷的可能性,進而分析煤層帶壓開采的安全性;可靠的計算方法可以獲得底板巖層擾動規(guī)律,分析模擬各種不同情況下采空區(qū)底板巖層擾動量的變化,為制定有效的底板巖層地質(zhì)環(huán)境改善措施提供可靠的依據(jù),也避免不必要的投資浪費。國內(nèi)外許多學者都在煤層帶壓開采預(yù)測方面進行了大量的研究工作,提出了多種分析煤層帶壓開采安全性的計算方法,這些方法對于預(yù)測采空區(qū)底板巖層突水的可能性有著重要的意義。但是這些研究工作對于采空區(qū)底板巖層所受的外力,大多按照均勻分布和呈線性分布來進行處理,未考慮覆巖“豎三帶”的逐步發(fā)育過程及工作面和巷道煤壁的支承作用對采空區(qū)底板表面壓力分布的影響;在不同外力假設(shè)的影響下,底板隔水巖層擾動值會發(fā)生變化,可能導(dǎo)致煤層帶壓安全開采的預(yù)測結(jié)果不準確;因此,需要開展非均勻載荷作用下的采空區(qū)底板巖層擾動規(guī)律研究。本文綜合運用理論分析、現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬軟件等方法和手段,對采空區(qū)底板巖層擾動規(guī)律進行了系統(tǒng)的研究,取得了如下研究成果:(1)底板隔水層厚度及承壓水壓力對采空區(qū)底板巖層擾動的影響分兩種情況:當?shù)装甯羲畬雍穸燃俺袎核畨毫ο鄬^大時,覆巖中冒落、裂隙帶所形成的底板巖層壓力對采空區(qū)底板變形增量影響較小;采空區(qū)底板隔水巖層最大擾動值隨工作面推進而逐漸增大,直至覆巖彎曲下沉帶重量加載至底板表面時開始減小。當?shù)装甯羲畬雍穸燃俺袎核畨毫ο鄬^小時,覆巖中冒落、裂隙帶所形成的底板巖層壓力對采空區(qū)底板變形增量影響較大;老頂初次來壓后,采空區(qū)底板隔水巖層最大擾動值即開始減小。所以,預(yù)測帶壓開采危險性時,必須考慮煤層開采過程中覆巖的影響,并結(jié)合底板下伏承壓水壓力大小及底板隔水巖層厚度進行綜合分析。(2)應(yīng)用以連續(xù)介質(zhì)為基礎(chǔ)的FLAC3D數(shù)值模擬軟件,構(gòu)建了煤層開采的數(shù)學及物理模型;通過現(xiàn)場實測與模擬模型的結(jié)果對比,驗證模型正確性;根據(jù)采空區(qū)底板巖層數(shù)值模擬結(jié)果,獲得采動影響下采空區(qū)底板表面壓力的分布規(guī)律。(3)應(yīng)用連通器原理研發(fā)了“隱蔽工程中點位高程動態(tài)測量裝置”,可以對采空區(qū)的各底板巖層擾動量進行無參照標高點的測量;結(jié)合現(xiàn)場實際情況,分析多種不利因素對儀器測量結(jié)果的影響,獲得測量的主要誤差來源為采空區(qū)部與觀測巷之間溫度變化;并運用該裝置對采空區(qū)底板巖層豎直方向的擾動值進行測量,獲得采空區(qū)底板巖層隨工作面回采時的擾動曲線。(4)采空區(qū)后方底板巖層擾動值變化規(guī)律為先增加后減小。工作面回采初期,采空區(qū)后方底板巖層向上擾動量逐漸增加,且最大值位于采空區(qū)后方中心位置附近;擾動等值線呈扇形分布并逐漸減小,工作面和巷道附近擾動值較小。當工作面回采較長距離時,雖然采空區(qū)底板卸壓面積隨工作面回采仍在逐漸增大,但采空區(qū)后方底板巖層被冒落巖體壓制造成擾動量變小;而采空區(qū)前方由于工作面和巷道的支承作用,工作面及巷道附近的底板表面壓力相對較小,導(dǎo)致采空區(qū)前方接近工作面和巷道附近的底板巖層擾動量相對較大;此時,采空區(qū)底板巖層擾動最大值位于采空區(qū)前方相對中間的位置,然后擾動等值線呈橢圓狀分布,向四周逐漸減小。當采空區(qū)前方底板隔水巖層擾動值達到極值時,擾動值不隨工作面回采產(chǎn)生較大變化,基本保持不變。
【關(guān)鍵詞】：底板擾動值 承壓水 采空區(qū) 底板突水 帶壓開采
【學位授予單位】：河南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TD745
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 1 引言14-40
• 1.1 選題依據(jù)14-15
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在問題15-36
• 1.2.1 巖溶陷落柱引起底板破壞研究16
• 1.2.2 斷層引起的底板破壞研究16-17
• 1.2.3“下三帶”模型17-18
• 1.2.4 原位張裂與零位破壞模型18-20
• 1.2.5“下四帶”模型20-22
• 1.2.6 巖梁模型22-23
• 1.2.7 薄板模型23-26
• 1.2.8 關(guān)鍵層模型26-28
• 1.2.9 突水系數(shù)法28-30
• 1.2.10 巖水應(yīng)力關(guān)系法30-32
• 1.2.11 脆弱性指數(shù)法32-33
• 1.2.12 物理相似模擬實驗33
• 1.2.13 數(shù)值模擬實驗33-34
• 1.2.14 底板巖層破壞深度的實際測量方法34-35
• 1.2.15 其它預(yù)測方法35
• 1.2.16 目前研究不足之處35-36
• 1.3 本文研究內(nèi)容及技術(shù)路線36-40
• 1.3.1 研究內(nèi)容36-37
• 1.3.2 技術(shù)路線37-40
• 2 底板隔水巖層厚度及承壓水壓力對采空區(qū)底板擾動規(guī)律的影響40-52
• 2.1 相似模擬實驗40-43
• 2.1.1 相似模擬比例確定40-41
• 2.1.2 相似模擬實驗設(shè)計41-43
• 2.2 實驗結(jié)果43-47
• 2.2.1 煤層覆巖變形及破壞特征43-44
• 2.2.2 底板表面壓力分布特征44-45
• 2.2.3 采空區(qū)底板巖層的擾動變化特征45-47
• 2.3 實驗分析47-50
• 2.3.1 煤層覆巖破壞斷裂發(fā)育特征分析47
• 2.3.2 采空區(qū)底板隔水巖層擾動規(guī)律47-49
• 2.3.3 煤層頂?shù)装宓刭|(zhì)特征與底板突水之間的關(guān)系49-50
• 2.4 結(jié)論50-52
• 3 采空區(qū)底板表面壓力分布規(guī)律研究52-88
• 3.1 趙家寨煤礦地質(zhì)概況52-54
• 3.2 數(shù)值模擬軟件54-58
• 3.2.1 FLAC3D介紹55-56
• 3.2.2 拉格朗日元法介紹56-58
• 3.3 數(shù)學模型58-69
• 3.3.1 煤層圍巖巖石力學參數(shù)58-59
• 3.3.2 煤層圍巖巖體力學參數(shù)59-67
• 3.3.3 采空區(qū)破碎巖體力學參數(shù)67-69
• 3.4 物理模型69-75
• 3.4.1 冒落帶高度計算69-71
• 3.4.2 物理模型上下邊界確定71-72
• 3.4.3 物理模型左右側(cè)邊界確定72-75
• 3.5 數(shù)值模擬結(jié)果75-84
• 3.5.1 充填體巖體力學參數(shù)的確定75
• 3.5.2 采空區(qū)底板表面壓力的分布75-84
• 3.6 理論分析84-85
• 3.7 結(jié)論85-88
• 4 擾動測量裝置研發(fā)及應(yīng)用88-104
• 4.1 儀器測量原理89-91
• 4.2 儀器測量誤差分析91-96
• 4.2.1 采空區(qū)溫度的影響91-93
• 4.2.2 連接管路變形的影響93-94
• 4.2.3 液面蒸發(fā)的影響94-95
• 4.2.4 測量儀安裝的影響95-96
• 4.3 現(xiàn)場實測96-103
• 4.3.1 受承壓水影響的底板隔水巖層范圍96-97
• 4.3.2 試驗位置選取97-100
• 4.3.3 儀器的埋藏深度100-101
• 4.3.4 儀器的安裝101-102
• 4.3.5 觀測結(jié)果102-103
• 4.4 結(jié)論103-104
• 5 采空區(qū)底板巖層擾動規(guī)律研究104-124
• 5.1 數(shù)學模型104-106
• 5.2 物理模型106-108
• 5.2.1 物理模型上下邊界確定106
• 5.2.2 物理模型左右邊界確定106-108
• 5.3 數(shù)值模擬結(jié)果108-118
• 5.3.1 數(shù)值模擬結(jié)果驗證108-112
• 5.3.2 采空區(qū)底板巖層擾動規(guī)律112-118
• 5.4 采空區(qū)底板隔水巖層擾動規(guī)律118-119
• 5.5 采空區(qū)底板隔水巖層帶壓開采安全性分析119-122
• 5.5.1 采場圍巖塑性區(qū)分布特征119-120
• 5.5.2 采空區(qū)底板巖層擾動與帶壓開采安全性分析120-121
• 5.5.3 不同厚度底板巖層帶壓開采時安全性分析121-122
• 5.6 結(jié)論122-124
• 6 結(jié)論及展望124-128
• 6.1 主要結(jié)論124-125
• 6.2 創(chuàng)新點125-126
• 6.3 展望126-128
• 參考文獻128-136
• 作者簡歷136-138
• 學位論文數(shù)據(jù)集138

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