含隐伏断层煤层底板高承压水导升及突水机制研究

来源 :煤炭科学研究总院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:seacowp
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随着浅部煤炭资源枯竭,采深增加将面临愈加复杂的工程地质与水文地质条件,矿井防治水也面临着底板隐伏断层突水现象更加严峻的局面。底板空间隐伏断层不仅弱化底板岩层的完整性和阻水性能,而且对采动应力在底板空间动态分布规律扰动作用亦十分显著,极易造成隐伏断层围岩活化导水,严重威胁煤炭资源安全高效生产。因此,本论文针对含隐伏断层底板采动承压水导升机制科学问题,通过现场实测、理论分析、数值模拟等手段,开展高水压与高采动应力耦合作用下承压水运动规律与突水通道形成规律研究,具体成果如下:(1)通过文献统计分析方法,对现有的底板突水机理研究成果、底板突水类型划分方法、突水现象进行了系统梳理,发现随着采深增加而发生的底板隐伏断层致突现象逐渐增多,为了揭示底板隐伏断层突水机制,根据底板隐伏断层规模与空间位置不同,提出底板隐伏断层突水的三类模式:上位隐伏性断层突水,下位隐伏性断层突水,沟通隐伏性断层突水,本文针对下位隐伏性断层突水模式进行了深入研究。(2)基于滑移线场理论,建立底板采动破坏力学模型,推导得到底板采动破坏深度理论计算公式,该式表明底板采动破坏深度与煤层埋深、煤壁支承压力范围、底板岩体力学强度等因素密切相关。此外,采用注水试验法、钻孔窥视法、分布式光纤探测法和瞬变电磁法对工作面底板采动影响范围进行全空间、动静态、多参量联合监测。监测结果表明:底板采动导水裂隙深度约为22 m,采动塑性破坏深度约为24 m,物性差异深度约为30 m,据此建立煤层底板采动响应分带模型,提出将煤层底板采动影响范围在纵向上划分为导水裂隙带、微小裂隙带、物性差异带,丰富了底板岩体采动影响分布规律的认识。(3)基于半无限体理论模型,建立采动应力在底板传递力学模型,从而得到在底板任意空间采动应力分布计算公式。另外,建立了导水隐伏断层采动力学模型,运用断裂力学分析断层活化应力强度因子,最后得到底板导水隐伏断层采动导升高度计算公式,并利用MATLAB数值分析软件进行单因子分析,得到了各导升影响因子与导高的关系。(4)运用FLAC3D数值软件,采用正交试验方法对不同断层倾角、不同底板空间位置等影响因素进行组合试验方案设计,针对不同隐伏断层赋存特征,开展了底板高承压水采动运移规律研究,模拟结果综合表明:受采动影响,隐伏断层围岩会出现应力集中现象,高承压水更易趋向具有良好导水性的隐伏断层运动,隐伏断层宽度越大、倾角越大、越接近含水层则对承压水采动运动规律影响越显著。(5)为了研究采动与水压力协同作用下底板隐伏断层突水机制,运用FLAC3D对底板隐伏正、逆断层突水通道演化规律模拟,研究发现:隐伏正断层对于底板应力场扰动作用要强于隐伏逆断层,前者突水通道发育规模显著大于后者,隐伏正断层更容易诱发突水灾害。据此提出了隐伏断层底板采动应力与水压力联合作用突水机制,并针对这一情况提出了一种“精查构造疏水降压、系统治理分段强注”的底板突水防控技术。(6)通过对梧桐庄矿182602工作面内、外底板含水层进行注浆加固工程实践,有效封堵区域岩溶裂隙及隐伏导水通道,增加相对隔水层厚度,改良治理层位阻隔水性能,增大了2号煤层开采的安全系数,达到了安全开采的设计要求。
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