【摘要】：我國(guó)華北型煤田開采,普遍受底板巖溶水害威脅;但由于不同礦區(qū)水文工程地質(zhì)條件存在差異,突水類型和機(jī)理、危害程度及防治技術(shù)也存在差異�；幢钡V區(qū)是華北型煤田典型大水礦區(qū),曾數(shù)次發(fā)生底板巖溶水特大突水淹井災(zāi)害。隨著礦井采深增大、水壓逐漸增高,巖溶水害威脅更加嚴(yán)重。由于深部開采水文工程地質(zhì)條件和底板巖溶突水機(jī)理的復(fù)雜性,采用現(xiàn)行的規(guī)程規(guī)范方法,已難以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)突水危險(xiǎn)性。論文以淮北礦區(qū)典型礦井太灰含水層底板突水為研究對(duì)象,綜合運(yùn)用理論分析、現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查、煤礦現(xiàn)場(chǎng)井下試驗(yàn)、物理模擬和數(shù)值模擬等研究方法,對(duì)薄層灰?guī)r突水機(jī)理、評(píng)價(jià)方法、治理模式進(jìn)行了深入研究,取得了如下研究成果:(1)通過(guò)地面抽水試驗(yàn)、井下多孔聯(lián)合放水試驗(yàn)、井下簡(jiǎn)易探放水試驗(yàn),研究了太灰上段含水層單層富水性特征、垂向富水性變化特征,認(rèn)為:淮北6(10)煤開采主要突水水源為太灰上段L3~L4灰。太灰上段隨埋深的增大,富水性逐漸減弱,提出在深部存在“高承壓、弱富水”的水文地質(zhì)條件環(huán)境。(2)通過(guò)分析太灰上段鉆孔單位涌水量、鉆孔涌水率,鉆孔巖芯巖溶調(diào)查,確定了太灰上段巖溶發(fā)育類型:L1、L2灰為孔隙裂隙型巖溶;L3、L4灰為溶蝕裂隙網(wǎng)絡(luò)型巖溶類型。研究發(fā)現(xiàn)隨埋深增加,巖溶發(fā)育程度逐漸減弱,指出埋深變化和補(bǔ)給量變化,是影響巖溶發(fā)育、含水層富水性變化的主要因素。(3)通過(guò)分析淮北各礦區(qū)工作面突水特征,提出淮北薄層灰?guī)r底板突水工作面具有“超壓開采”的特點(diǎn)和“逢突必?cái)唷钡囊?guī)律性;突水量總體上與礦區(qū)太灰上段富水性分區(qū)特征基本吻合。突水工作面特征統(tǒng)計(jì)與分析,為研究確定不同水文地質(zhì)條件的底板水害治理模式,提供了有力的依據(jù)。(4)在統(tǒng)計(jì)華北大水礦區(qū)薄層灰?guī)r底板突水案例的基礎(chǔ)上,發(fā)現(xiàn)以恒定的臨界突水系數(shù)值預(yù)測(cè)不同厚度隔水層的突水危險(xiǎn)性,與實(shí)際嚴(yán)重不符;研究了隔水層厚度對(duì)臨界突水系數(shù)影響的力學(xué)機(jī)理,建立了臨界突水系數(shù)隨隔水層厚度變化的修正公式,豐富和發(fā)展了突水系數(shù)理論,提高了底板突水預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。(5)采用RFPA2D-Flow數(shù)值模擬軟件,建立不同隔水層厚度、相同突水系數(shù)的底板突水模型,模擬結(jié)果表明相同的突水系數(shù)前提條件下,隔水層厚度越小、突水危險(xiǎn)性越大,與Ts-M法理論推導(dǎo)具有相似的特征。對(duì)比分析了單一軟弱隔水層底板(泥巖)、與軟硬互層隔水層裂隙發(fā)育特征;模擬結(jié)果顯示,當(dāng)煤層隔水層厚度突水系數(shù)相同,軟硬互層組合結(jié)構(gòu)巖體,其突水裂隙發(fā)育貫通的可能性更小。(6)通過(guò)斷層突水相似材料模擬實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)斷層突水過(guò)程中,斷層(帶)內(nèi)水壓、滲透系數(shù)呈現(xiàn)規(guī)律性變化:滲流啟動(dòng)階段,水壓先增大,然后保持基本不變,滲透系數(shù)基本不變;滲流轉(zhuǎn)換階段,水壓迅速降低,滲透系數(shù)大幅增加;突水階段,水壓、滲透系數(shù)基本趨于穩(wěn)定不變。據(jù)此,提出了斷層突水的“滲壓平衡”理論觀點(diǎn),解釋了“滲壓平衡”的機(jī)理,闡述了“滲壓平衡”理論的工程實(shí)踐意義,初步探索了以“滲壓平衡”理論為基礎(chǔ)的斷層突水預(yù)測(cè)、監(jiān)測(cè)預(yù)警方法。(7)通過(guò)煤礦現(xiàn)場(chǎng)斷層壓水試驗(yàn)、斷層突水相似材料模擬實(shí)驗(yàn)、斷層滲流理論分析,發(fā)現(xiàn)斷層滲透系數(shù)與臨界突水系數(shù)存在相關(guān)關(guān)系:斷層臨界突水系數(shù)TS隨滲透系數(shù)K的增大,非線性減小。在上述研究的基礎(chǔ)上,提出斷層突水的評(píng)價(jià)方法—TS-K法,TS-K法彌補(bǔ)了突水系數(shù)法對(duì)構(gòu)造破壞塊段滲流特征研究的不足,為斷層(帶)突水預(yù)測(cè)、斷層(帶)注漿效果評(píng)價(jià)提供了依據(jù)。(8)提出了工作面為單元的“治水勘探”理念,凝練提出了“疏水降壓、限壓開采”、“局部注漿、抗壓開采”、“全面注漿改造、抗壓開采”三種底板水害治理模式,界定了各種治理模式的應(yīng)用條件,規(guī)范了治理模式的技術(shù)要求,以具體的水害工程治理為案例,提出了“經(jīng)濟(jì)疏水量”、局部注漿綜合評(píng)價(jià)技術(shù),鉆定向鉆進(jìn)技術(shù)等治理模式的關(guān)鍵技術(shù),形成了不同治理模式的配套技術(shù)體系。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TD745
【圖文】：

圖 2-2 淮北煤田構(gòu)造綱要圖（據(jù)屈爭(zhēng)輝[172]）Figure 2-2 the tectonic outline map of HuaiBei mine（according to Qu zhenghui[17表2-2主要斷層特征表Table 2-2 The main fault characteristic table名稱 性質(zhì) 走向 傾向 傾角（o） 落差（m）控程

涌水量 205 m3/h。L3未見溶洞記錄，但少數(shù)鉆漏水嚴(yán)重；L4有 3 個(gè)鉆見溶孔裂隙，楊莊在-147.6m 見溶洞裂隙破碎帶（07 觀 11 孔），圖 2-6。在-305多個(gè)溶洞直徑 0.2m 以上（86 注 2 孔），-430m 見 0.1m 溶洞（#90-6 孔）。另巷道、鉆孔、電法勘探資料表明，閘河礦區(qū)楊莊、朱莊井田內(nèi)奧灰含水層均育有陷落柱。

統(tǒng)計(jì)宿縣礦區(qū)桃園井田、祁南井田揭露太灰上段的地面孔 64 個(gè)，井下放水2 個(gè)，調(diào)查太灰上段溶洞、溶孔、巖溶裂隙發(fā)育特征。136 個(gè)統(tǒng)計(jì)鉆孔揭露上段的鉆孔資料未發(fā)現(xiàn)溶洞發(fā)育，溶蝕裂隙發(fā)育的鉆孔 17 個(gè)，無(wú)巖溶發(fā)育孔 119 個(gè)，巖溶形態(tài)以溶蝕裂隙為主，圖 2-7。

本文編號(hào)：2783683