论文部分内容阅读
煤层底板突水过程影响因素多样,具有突发性和非线性动力学特征,为探究矿井采动底板岩体破裂特征,模拟突水通道形成过程,本文以华泰煤矿15301工作面承压水上开采为背景,综合采用理论分析、数值模拟等手段,开展了承压水上开采底板应力分布规律与破坏特征、裂隙岩体试件全应力应变渗透性规律数值模拟、含断层构造采动底板岩体突水过程数值模拟及不同倾角断层对底板突水影响数值模拟等方面研究,主要研究成果如下: (1)基于弹性力学理论中半无限弹性体下应力传递理论,建立了均布载荷、三角形载荷和梯形共六类计算模型,推导对应的垂直应力、水平应力、剪切应力表达式,结合初次来压和周期来压特点,建立工作面走向和倾向开采力学模型,并利用应力叠加原理,得到在极坐标和直角坐标系两种情况下应力表达式,解得底板任一点的应力分量,基于Mathcad软件做出垂直应力、水平应力和剪切应力分布图,结合Mohr-Coulomb准则,得到底板岩体破坏特征。 (2)建立了渗透压力作用下单裂隙试件三轴压缩和三轴拉伸力学模型,分析了压剪和拉剪作用下裂隙试件的断裂强度,并基于RFPA-Flow软件,进行了分别进行了含30°、45°、60°裂纹试件单轴压缩数值模拟和含45°裂纹试件三轴压缩和三轴拉伸数值模拟,得到了全应力应变过程中裂纹扩展形态及渗透性变化与孔隙水压、围压等影响因素的关系,主要结论如下:①在单轴压缩过程中,裂纹尖端起裂应力与倾角成正比,裂纹倾角越大越难扩展,扩展形态均为纵向翼裂纹,且渗透性峰值迟滞于应力峰值;②围压相同时,试件轴向渗透性与孔隙水压成正比,孔隙水压相同时,试件轴向渗透性与围压成反比;③低围压下,裂纹主体以纵向翼裂纹发展,高围压下,裂纹主体以横向反翼裂纹发展。 (3)分析了煤层底板突水通道类型,构建含45°断层构造承压水上开采数值模型,模拟了采动底板突水过程,得到了断层影响下底板破坏规律及突水路径,通过所布设的水平应力监测线,对采动后底板岩体水平应力进行监测,并按水平应力特点对底板岩体进行分区,结合前述结论分析了采动底板岩体裂纹扩展及突水机理。 (4)建立了含30°、45°、60°正断层上盘工作面开采数值模型,分析了不同倾角正断层对底板突水影响规律及断层倾角对断层活化的影响,得到:①在工作面推进相同距离的情况下,断层倾角越小,越容易发生底板突水,需留设的断层保护煤柱越长;②在正断层上盘工作面开采时,不同断层倾角的煤层开采过程中底板突水通道形成过程及路径具有相似性,均沿着断层发展并从煤壁前斜下方形成突水通道。