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近年来伴随着我国经济的快速增长,能源特别是煤炭资源的需求量也迅速增加。作为煤矿五大自然灾害之一,突水事故严重影响到人身安全并造成巨大的经济损失。由于在实际矿区中断层广泛分布、陷落柱多发育于奥灰含水层以及二者的薄弱结构特征、良好的充导水性质或活化导水性质等,小构造对煤矿突水事故的影响不可忽略。另外,随着开采深度的加大,岩溶承压水成为煤矿安全的另一隐患。因此,本文通过研究小构造对承压水体上煤层开采的影响,以加强对采煤过程中流固耦合作用的认识,进一步深化煤层底板突水机理,并为突水预测与防治提供参考。
采掘活动所引起的围岩应力与地下水渗流之间的流固耦合作用是岩溶承压水体上煤层底板突水问题的研究热点之一。利用岩石类材料的弹塑性理论、地下水在岩层中的渗流理论,并结合多孔介质岩石或裂隙岩体的应力与渗流耦合理论的研究进展,建立了承压水体上采煤的应力与渗流耦合理论模型,从而为数值模拟研究提供了理论基础。
矿区工程水文地质条件是研究承压水体上煤层底板突水问题的基础,而渗透系数则是表征岩层水力特性的重要参数。以显德汪矿为例,首先对矿区的岩层煤层发育特征、小构造(如断层、陷落柱)的结构特点和充导水性质、奥灰含水层的富水性以及9#煤底板的隔水性能进行了分析;然后基于钻孔(奥观13)勘探和抽水试验,分别以直接代入法、消除阻力法的井流理论公式和涌水量反分析的有限元数值方法,对以渗透系数为主的水文地质参数进行了反演计算。
陷落柱型突水具有极大的危害性。为研究陷落柱条件下的突水机理,并为突水预测提供理论依据,论文首先建立了基于应力与渗流耦合理论的数值模型;在此基础上,采用有限元数值模拟并分析了强充水型陷落柱条件下、承压水体上采煤推进过程中的围岩变形特征和渗流场分布特点;并将不同工况下考虑耦合与不考虑耦合两种情况进行对比,探讨了煤层开采过程中的流固耦合效应。
小构造、采掘活动和奥灰承压水共同作用时的煤层底板突水问题是一个极其复杂的过程。文中以采煤推进过程中的围岩塑性破坏扩展、煤岩或煤层底板围岩变形及其渗流分布特征等作为对比依据,对陷落柱存在形式、断层存在形式(断层和倾角的变化)、底板隔水层强度和承压水压等主要突水影响因素进行分析,从而为突水预测与防治提供参考。
鉴于采掘活动中断层型突水的常见性,结合三维数值模拟,通过分析与断层倾向相同、相反的倾向长壁式采煤和走向长壁式采煤在采区内不同断层走向长度时的塑性破坏分布特点及其扩展特征,来对断层存在时的几种采煤方案进行对比,从而为工程实践提供参考。