深部开采底板破裂与裂隙扩展演化基础试验研究

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深部矿井的高承压水问题,严重影响着煤炭的安全生产。本文针对深部岩体所处的高地应力、强支承压力和高承压水的复杂环境,通过理论分析、室内试验研究、数值仿真模拟和现场探测等方法对深部底板破裂机理与裂隙扩展演化规律进行了深入的基础试验研究。  基于深部底板岩体的力学特性,分析了深部底板的应力和位移分布及变化规律;根据“内应力场”、“外应力场”和“下三带”理论,建立了深部底板岩体的受力模型,通过对隔水层岩体的力学分析,获得了隔水层的三种破裂模式及判断准则,推导出不同破裂模式下合理的工作面开采长度。通过“下三带”理论对底板破坏形态的描述,对底板岩体的裂隙按产生机理和存在状态进行了分类,对不同类型底板岩体裂隙的起裂准则进行了分析,推导出压剪和拉剪应力条件下裂隙扩展与主应力及水压的关系;采用岩石破裂过程分析系统,研究了裂隙的几何属性(裂隙长度、裂隙宽度、裂隙倾角、岩桥长度、岩桥倾角)对大尺寸岩样单、双裂隙扩展演化及贯通模式的影响规律,揭示了大尺寸岩样的破裂突发性特征;从裂隙扩展的角度分析了深部断层发生活化的力学机理。利用声发射事件的定位原理,通过分别制备完整类岩石和含单、双裂隙的类岩石试样,研究了双轴加载下预制单裂隙和双裂隙的大尺寸试样在不同加载速率下的裂隙演化规律,揭示了试样破裂过程中产生的声发射行为特征,加深了对底板岩体破坏机制的认识,为预防和控制底板的变形破坏提供了新的思路。通过大量的试验配比与分析,选取出以石蜡、凡士林、砂、碳酸钙和液压油为隔水层相似材料的最优配比,建立了深部含断层底板裂隙扩展演化及导水通道形成的模型,通过对底板和断层附近应力及位移变化规律的分析,得出了底板及断层裂隙的分布及扩展演化特征。利用有限元数值模拟软件,分析了高承压水作用下煤层埋深、断层产状要素以及底板岩性组合对底板采动裂隙扩展演化的影响规律,揭示了不同因素组合下的底板应力场和位移场变化特征以及裂隙演化形成导水通道的动态过程。采用钻孔注水法对埠村煤矿9212工作面的底板破坏情况进行了现场探测,结合华丰煤矿41303工作面和赵各庄煤矿1237工作面的底板破坏结果,反演了深部底板岩体裂隙演化的实测规律,提出从观测底板岩体采动裂隙的发育角度入手,实现对突水灾害的良好预控。
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