深部开采裂隙扩展与底板突水通道形成机制研究

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深部煤层处于“三高一扰动”环境中,底板突水事故增加,严重影响了深部煤炭资源的安全高效开采。本文从分析深部开采工程特点入手,针对深部开采高承压水、高原岩应力及强烈扰动和深部岩体所表现出的新力学特性,以“底板应力重分布→底板隔水层变形→裂隙扩展→岩体破裂→突水通道形成→引发底板突水”突水过程化为研究路线,综合运用现场实测、理论分析、室内试验、数值模拟等方法,针对深部采动条件下裂隙扩展机理与底板突水通道形成机制进行了研究,取得了以下主要成果。  (1)采用应力解除法对现场地应力进行了实测,结果表明,最大主应力值大小在35.86~40.59MPa;最小主应力值在13.55~21.44MPa;中间主应力值在19.35~25.93MPa,主应力方向与矿井受东北-西南向断层等区域挤压作用的方向基本一致。(2)基于上覆载荷在半无限弹性体中应力传播理论,获得了采动后底板应力二次分布规律;工作面推进30m,60m,140m时,采空区底板卸荷深度分别为20m,50m,100m,σz/γH为1.8时,影响深度分别为70m,50m,45m,σx/γH为1.2时,影响深度分别为30m,20m,15m;剪应力以类似贝壳表面螺旋线形式向底板深处传播,影响深度随工作面推进距离增加而增大;水压对底板应力的影响主要表现在垂直应力上。  (3)试件在外荷载的作用下,裂隙首先被压实,随后沿裂隙出现损伤,随着应力的不断增强,损伤不断演化,损伤的集中化发展引起裂隙扩展,裂隙起裂角约为70°;应力应变曲线出现明显的应力降现象,表明在此时裂隙起裂扩展。  (4)围压对裂纹的贯通与受力状态有显著影响,单轴压缩时,裂纹为翼裂纹拉破坏模式;三轴压缩时裂纹为以翼裂纹和次生裂纹相连接的拉剪混合模式;当岩桥倾角为45°时,试件呈现剪切型贯通模式;当岩桥倾角为90°时,岩桥形成张拉-剪切混合型贯通模式;当岩桥倾角为135°时,岩桥呈张拉型贯通模式。  (5)岩体中新裂隙的产生和原生节理裂隙的扩展使岩体切割程度加剧,使岩体的结构产生显著变化。裂隙扩展是引起岩体渗透率变化的根本原因,也是岩体丧失隔水性能的根本原因。基于断裂力学理论,分析探讨了底板突水通道形成的断裂力学机制。
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