本文關(guān)鍵詞：趙各莊礦深部煤層底板突水危險性與斷裂滯后突水評價，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：我國幅員遼闊,我國幅員遼闊,煤層底板灰?guī)r含水層分布廣泛,裂隙發(fā)育不均一,且富水性極強,尤其是華北地區(qū),奧陶系灰?guī)r含水層嚴重影響了下組煤的開采。據(jù)不完全統(tǒng)計,底板突水事故占礦井突水事故的50-60%。隨著采礦技術(shù)水平的不斷提高和開采裝備的不斷改善,煤炭的開發(fā)力度也在逐年加大,礦井的開采深度也在逐年延深,由此而產(chǎn)生的高地應力條件下,底板高承壓水的突出問題已經(jīng)嚴重影響和制約了高產(chǎn)高效礦井的建設�？梢灶A計,國內(nèi)典型礦井的深部開采經(jīng)驗及研究成果必將為正在向深部開采的礦井起到指導作用。煤層底板突水是一個隨地質(zhì)及水文地質(zhì)條件變化實時變化的復雜動態(tài)過程,在該過程中,圍巖應力場、滲流場、圍巖滲透性、巖石力學性質(zhì)等都是隨煤層開采實時發(fā)生著動態(tài)變化,是一種受控于多因素且具有非常復雜形成機理的非線性動力現(xiàn)象。因此面對這樣復雜動態(tài)過程和多種影響因素,應用變權(quán)分區(qū)模型解決了傳統(tǒng)常權(quán)分區(qū)模型固定權(quán)重不變的弊端,在很大程度上提高了煤層底板突水脆弱性評價的準確性。由于不同的煤層底板突水主控指標無量綱化方法會得到具有一定差異的突水危險性評價結(jié)果,為此,將無量綱化理論與變權(quán)理論相結(jié)合,構(gòu)建了反映不同水文地質(zhì)條件的突水主控指標數(shù)據(jù)屬性特征的分區(qū)變權(quán)模型,評價結(jié)果更加科學合理;基于流固耦合理論,利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件內(nèi)嵌的程序語言fish編寫自定義函數(shù)、變量,實現(xiàn)了材料的彈性模量和滲透系數(shù)隨煤層開采過程中應力和水壓的變化而實時變化,并在此基礎上構(gòu)建了斷層物質(zhì)為彈塑性介質(zhì)、流變介質(zhì)的變參數(shù)-彈塑性流固耦合模型和變參數(shù)-流變流固耦合模型,揭示了深部采場煤層底板斷層滯后突水機理。結(jié)合典型的深部開采礦井-趙各莊礦,本文將基于流固耦合理論、無量綱化理論、變權(quán)理論來探索深部煤層開采底板突水機理和預測煤層底板突水危險性,詳細研究成果如下:1、深入分析了研究區(qū)的開發(fā)情況、礦井生產(chǎn)水平及主采煤層、礦井排水系統(tǒng)、礦井位置、交通、地形地貌、水文氣象等概況;詳細分析了地層、構(gòu)造、含(隔)水層及地下水的補、徑、排等地質(zhì)及水文地質(zhì)條件,確定了煤層底板奧陶系含水層為礦井研究水平安全開采的主要威脅。2、通過對研究區(qū)煤層底板突水相關(guān)的地質(zhì)、水文地質(zhì)等資料的深入分析,構(gòu)建了影響開灤趙各莊礦最深水平12-2#煤層底板突水的主控指標體系,根據(jù)各主控指標結(jié)合GIS技術(shù)建立了各主控因素專題圖,并根據(jù)各個指標值的屬性特點,采用多種無量綱化方法對各個指標值進行量化,結(jié)果表明,不同的無量綱化處理方法會得到不同的綜合評價結(jié)果;對基于無量綱化與常權(quán)分區(qū)模型的綜合評價結(jié)果應用Spearman等級相關(guān)系數(shù)進行無量綱化方法的對比優(yōu)選,從而得到一種最適合評價模型的無量綱化處理方法,結(jié)果表明,各種無量綱方法得到的綜合評價的排序結(jié)果與 合理排序‖都有著極高的相關(guān)性,其中平均化等級排序與 合理排序‖的相關(guān)性最高,相關(guān)系數(shù)為0.998,因此,可以得出結(jié)論,平均化處理得到的綜合評價結(jié)果最好;建立變權(quán)分區(qū)模型的突水脆弱性評價模型,同時將多種無量綱化處理方法應用到變權(quán)分區(qū)模型對評價區(qū)煤層進行脆弱性評價,并利用自然分級法確定了評價區(qū)12-2#煤層底板奧灰含水層突水脆弱性分區(qū)閾值。最后根據(jù)分區(qū)閾值得出煤層底板突水危險性綜合分區(qū)圖。通過對變權(quán)分區(qū)模型評價結(jié)果的對比分析,可以看出將多種無量綱化處理方法應用到變權(quán)模型,不僅表現(xiàn)出不同無量綱處理方法對綜合評價結(jié)果的影響,也體現(xiàn)出了變權(quán)理論對評價結(jié)果的影響;因此,通過對各種無量綱方法進行對比優(yōu)選,選取最適合評價模型的無量綱方法,然后應用到變權(quán)分區(qū)模型,才能使最終的綜合評價結(jié)果更加科學合理。3、對煤層底板巖體巖石力學性質(zhì)和水理性質(zhì)影響因素及它們之間的相互耦合作用進行了理論分析。煤層底板含(隔)水層是由一系列非連續(xù)節(jié)理和被節(jié)理裂隙所分割的巖石塊體共同組成的地質(zhì)結(jié)構(gòu)體。巖體中包含各種不同尺度、方向各異及性質(zhì)不同的缺陷構(gòu)造,如斷層、陷落柱、孔隙、微裂紋、節(jié)理和裂隙等宏觀的非連續(xù)面,由于這些缺陷的存在一方面改變了巖體的力學性質(zhì)(彈形模量及強度參數(shù)),另一方面又嚴重影響巖體的水理性質(zhì)(滲透系數(shù)和孔隙率)。在深部高應力下的巖體中的這些缺陷在采掘活動前大都處于閉合狀態(tài),一旦進行采掘活動后破壞了圍巖的原始應力狀態(tài),造成應力場的重新分布,破壞了采場圍巖一定范圍的穩(wěn)定性,造成圍巖的變形與破壞,同時造成天然巖體中原生裂隙的擴展與新裂隙的產(chǎn)生,使巖體裂隙張開度發(fā)生變化引起滲流通道的變化,進而改變滲透系數(shù)和滲透力。而孔隙水壓力的改變就會引起有效應力的變化和裂隙法向及切向應力的逐漸增大,顯著地改變裂隙張開度以及新裂隙的產(chǎn)生等,這便形成了復雜的應力和滲流的耦合作用。對巖體滲流模型的研究促使流-固耦合理論的產(chǎn)生。以terzaghi有效應力原理為基礎結(jié)合biot理論,可實現(xiàn)多孔介質(zhì)雙場耦合;借助裂隙隙寬的變形法則,可實現(xiàn)裂隙巖體滲流應力參數(shù)耦合;通過巖體孔隙變形規(guī)律,也可實現(xiàn)孔隙型巖體滲流應力參數(shù)耦合。4、結(jié)合十四水平地質(zhì)、水文地質(zhì)及開采設計等資料建立了十四水平首采區(qū)的煤層底板突水水文地質(zhì)物理概念模型�；诹鞴恬詈侠碚�,利用flac3d數(shù)值模擬軟件內(nèi)嵌的程序語言fish編寫自定義函數(shù)、變量,實現(xiàn)了材料的彈性模量和滲透系數(shù)隨煤層開采過程中應力和水壓的變化而實時變化,并在此基礎上構(gòu)建了斷層物質(zhì)為彈塑性介質(zhì)、流變介質(zhì)的彈塑性流固耦合模型和流變流固耦合模型。最后分別應用兩模型進行模擬計算,通過對煤層底板正常地段和構(gòu)造地段不同高度垂直應力、垂直位移、最大主應力、最小主應力、孔隙水壓力等參數(shù)的監(jiān)測,得出它們隨煤層開采過程中的動態(tài)演化規(guī)律,模擬結(jié)果表明,彈塑性流固耦合模型可以展現(xiàn)煤層底板(正常地段和構(gòu)造地段)滲流場、應力場、巖體力學參數(shù)、滲流參數(shù)隨煤層開采過程中的動態(tài)規(guī)律,而流變流固耦合模型即可以很好的展現(xiàn)煤層開挖過程中各場、參數(shù)的變化,而且能夠展現(xiàn)在開采結(jié)束后仍有滯后突水的可能,更好的解釋了深部斷裂滯后突水機理,經(jīng)對比分析計算結(jié)果,確定了斷裂破碎帶最危險滯后突水時間。5、結(jié)合深部巖體力學特性質(zhì)、滲透特性,根據(jù)研究區(qū)首采工作面流固耦合模擬計算結(jié)果、煤層底板奧陶系灰?guī)r含水層的突水主要控制因素分析及底板奧灰突水危險性綜合分區(qū)結(jié)果,參考華北型煤田煤層底板奧陶系灰?guī)r含水層突水的綜合防治措施與經(jīng)驗,針對研究區(qū)提出了對應的綜合防治措施和十四水平開拓工程的安全防護措施。
【關(guān)鍵詞】：深部開采 底板突水 流固耦合 滯后突水 脆弱性評價
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TD745
【目錄】：

• 摘要5-8
• Abstract8-16
• 第一章 引言16-30
• 1.1 選題背景及研究意義16-17
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀17-25
• 1.2.1 國內(nèi)外深部開采研究17-19
• 1.2.2 巖體應力—滲流耦合研究19-20
• 1.2.3 煤層底板突水機理研究20-24
• 1.2.4 煤層底板突水評價預測研究24-25
• 1.3 存在問題25-26
• 1.4 研究內(nèi)容、技術(shù)路線26-28
• 1.5 創(chuàng)新點28
• 1.6 本章小結(jié)28-30
• 第二章 研究區(qū)概況30-42
• 2.1 礦井概況30-33
• 2.1.1 礦井開發(fā)情況30
• 2.1.2 礦井生產(chǎn)水平及主要開采煤層30-31
• 2.1.3 礦井排水31
• 2.1.4 礦井位置、交通31-32
• 2.1.5 地形地貌32
• 2.1.6 水文氣象32-33
• 2.1.7 地震33
• 2.2 礦井地質(zhì)及水文地質(zhì)條件分析33-41
• 2.2.1 地質(zhì)條件33-36
• 2.2.2 水文地質(zhì)條件36-41
• 2.3 本章小結(jié)41-42
• 第三章 深部采場煤層底板突水危險性評價42-88
• 3.1 煤層底板突水脆弱性指數(shù)法及其改進方法42-47
• 3.1.1 脆弱性指數(shù)法及其特點42
• 3.1.2 變權(quán)理論概述42-44
• 3.1.3 無量綱化方法概述44-46
• 3.1.4 基于無量綱化與變權(quán)理論的煤層底板突水脆弱性評價方法46-47
• 3.2 煤層底板突水主控因素分析以及主控指標專題圖的建立47-54
• 3.2.1 煤層底板突水主控因素分析47-48
• 3.2.2 煤層底板突水主控因素專題圖的建立48-54
• 3.3 煤層底板突水主控指標無量綱化及無量綱化專題圖建立54-59
• 3.3.1 煤層底板突水主控指標無量綱化55-57
• 3.3.2 煤層底板突水主控指標無量綱化專題圖的建立57-59
• 3.4 屬性數(shù)據(jù)庫的建立59
• 3.5 基于傳統(tǒng)常權(quán)的改進型煤層底板突水脆弱性評價59-66
• 3.5.1 層次分析法（AHP）模型設計59-62
• 3.5.2 專題圖疊加過程62
• 3.5.3 模型的建立62
• 3.5.4 煤層底板突水脆弱性評價分區(qū)62-66
• 3.6 基于無量綱化與常權(quán)模型的煤層底板評價結(jié)果對比分析66-67
• 3.7 無量綱方法的比較與優(yōu)選67-69
• 3.8 基于變權(quán)理論的改進型煤層底板突水脆弱性評價69-77
• 3.8.1 分區(qū)狀態(tài)變權(quán)向量的構(gòu)建69-70
• 3.8.2 主控因素變權(quán)區(qū)間的確定70-73
• 3.8.3 變權(quán)權(quán)重確定73-74
• 3.8.4 專題圖疊加過程74
• 3.8.5 分區(qū)變權(quán)模型—地理信息系統(tǒng)的脆弱性指數(shù)法模型建立74
• 3.8.6 基于平均化與分區(qū)變權(quán)模型的煤層底板突水脆弱性評價分區(qū)74-77
• 3.8.7 模型的識別與檢驗77
• 3.9 基于平均化的變權(quán)模型與常權(quán)模型評價結(jié)果對比分析77-81
• 3.10 基于不同無量綱化與變權(quán)模型的評價結(jié)果與突水系數(shù)對比分析81-83
• 3.11 基于變權(quán)模型的底板突水脆弱性評價與突水系數(shù)評價結(jié)果對比83-86
• 3.11.1 12-283-84
• 3.11.2 變權(quán)模型脆弱性評價與突水系數(shù)法評價的對比分析84-86
• 3.12 本章小結(jié)86-88
• 第四章 煤層底板巖體流固耦合理論研究88-100
• 4.1 巖石力學性質(zhì)88-91
• 4.2 巖石水理性質(zhì)91-94
• 4.3 巖體應力滲流耦合特性94-96
• 4.4 巖體的滲流應力耦合原理96-98
• 4.5 本章小結(jié)98-100
• 第五章深部采場煤層底板采動流固耦合數(shù)值模擬100-132
• 5.1 FLAC~(3D)軟件及模擬流程簡介100-101
• 5.1.1 FLAC~(3D)軟件簡介100
• 5.1.2 基本假設及程序流程設計100-101
• 5.2 首采工作面三維流固耦合數(shù)值計算模型101-103
• 5.3 彈塑性流固耦合數(shù)值模擬103-115
• 5.3.1 彈塑性流固耦合模擬方法103
• 5.3.2 彈塑性流固耦合模擬計算過程103-104
• 5.3.3 模擬結(jié)果及分析104-115
• 5.4 流變流固耦合數(shù)值模擬115-129
• 5.4.1 流變流固耦合模擬方法115
• 5.4.2 模擬結(jié)果及分析115-129
• 5.5 本章小結(jié)129-132
• 第六章 深部采場煤層底板突水綜合防治技術(shù)措施132-134
• 6.1 綜合措施132
• 6.2 十四水平開拓工程的安全措施132-133
• 6.3 本章小結(jié)133-134
• 第七章 結(jié)論與展望134-136
• 7.1 結(jié)論134-135
• 7.2 展望135-136
• 參考文獻136-148
• 致謝148-150
• 作者簡介150
• 在學期間發(fā)表的學術(shù)論文150
• 在學期間參加科研項目150

【參考文獻】

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本文編號：300283