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本文采用理论分析、实验室试验、数值模拟、现场实测等研究方法,运用弹性力学、塑性力学、损伤力学、断裂力学、岩石力学、多元统计学及神经网络学等知识,构建了煤层底板突水危险性主控因素体系;构建了深浅部分界点的数学模型,界定了深部、浅部煤层底板破坏规律的分界点;运用半无限体理论和滑移线场理论构建了深部煤层底板采动破坏力学模型;基于损伤断裂理论及统一强度理论分析了深部煤层底板采动卸荷破坏机理;运用实验室TAW-3000电液伺服岩石三轴试验机分析了不同应力状态的岩石在卸荷后重新加载过程中的渗透系数变化特征;构建了深部煤层底板破坏深度数学模型;构建了深部煤层底板突水危险性预测的PSO优化SVM(PSO-SVM)模型;最后,结合峰峰矿区辛安煤矿深部112145工作面的煤层底板破坏深度实测结果,验证了深部煤层底板变形破坏机理及突水危险性预测模型的正确性。论文研究的主要内容与结论如下:1.建立了煤层底板突水危险性主控因素体系,该体系主要包括煤层底板有效隔水层阻水性能和煤层底板承压含水层突水强度两个方面,共计17个主控因素。其中,煤层底板有效隔水层的阻水性能与煤层底板隔水层厚度及其岩性、煤层底板破坏深度、煤层底板承压水原始导升高度及地质构造相关。重点分析了煤层底板破坏深度各主控因素的影响权重,设计了9个因素(8个主控因素,1个空白列)、4个水平的32种正交试验方案,分析了8个主控因素对煤层底板破坏深度的影响权重顺序及各主控因素与煤层底板破坏深度的关系。2.搜集了74组华北石炭二叠系煤层底板破坏深度实测数据,分别构建了深部、浅部煤层底板破坏深度及其影响因素的增广矩阵。计算并提取了深部、浅部相关系数矩阵的向量,分析了深部、浅部相关系数矩阵向量的关联性,确定了深浅部煤层底板破坏规律的分界点。通过增加数据的方法对深浅部分界点的稳定性进行分析;通过模糊C均值聚类法对深浅部分界点的合理性进行验证。3.深部煤层底板在煤层回采过程中先后经历了采动压缩-剪切滑移-采动卸荷-采空区重新承载-采空区压实五个阶段,重点分析了易发生煤层底板突水三个阶段:剪切滑移、采动卸荷及采空区重新承载。(1)剪切滑移阶段。运用断裂理论分析了采场端部的应力分布规律,结合Griffith破坏准则确定了采场端部的塑性区范围。在此基础上,通过半无限体理论分析了采场端部塑性区的支承压力分布规律,确定了支承压力影响下的煤层底板主动破坏区域,运用滑移线场理论构建了深部煤层底板采动破坏力学模型。结合峰峰矿区辛安煤矿深部112145工作面的实际参数,分析了深部煤层底板最大破坏深度与其影响因素的关系。结果表明:深部煤层底板最大破坏深度与工作面超前支承压力峰值的大小呈正相关变化;在煤壁塑性区范围一定的情况下,深部煤层底板最大破坏深度与煤层底板内摩擦角呈正相关变化,与煤层底板内聚力呈负相关变化。(2)采动卸荷阶段。在依据摩尔图解及断裂力学理论对深部煤层底板卸荷突水破坏分析的基础上,运用损伤断裂力学并结合统一强度理论,建立了考虑渗透水压作用下分支裂纹端部形成的塑性区范围计算方程与岩体发生贯穿破坏时的损伤阀值,把裂纹扩展过程与岩体损伤耦合起来,构建了深部煤层底板采动卸荷破坏力学模型。对比分析了考虑裂纹端部塑性区影响与否的情况下深部煤层底板裂纹损伤断裂能量gi与其相关影响因素的关系。结果表明:侧压系数为0.5时,最大主应力完全卸荷状态下裂纹端部应力强度因子比双轴应力状态下大,岩体易发生破坏。考虑了裂纹端部塑性区的影响,深部煤层底板裂纹损伤断裂能量相比于不考虑其影响时偏大,增大了煤层底板突水的危险性。深部煤层底板裂纹损伤断裂能量gi与裂纹半长a、裂纹面连通面积与总面积之比α、裂纹面渗透水压p及最小主应力σ3呈正相关;与裂纹面摩擦系数f及岩体的弹性模量e呈负相关。(3)采空区重新承载阶段。结合辛安煤矿112145工作面实际地质情况,设计了实验室试验方案。对该工作面煤层底板进行钻孔取芯,运用taw-3000电液伺服岩石三轴试验机记录了轴向应变、径向应变、轴压、围压、水压及出水口达到稳定渗流时的渗流量,分析了深部煤层底板卸荷并重新加载至破坏过程中的岩石渗透系数变化特征。试验分析得出:相比于正常加载情况下,弹性阶段卸载并重新加载至破坏的过程对岩石渗透系数影响较小;塑性阶段卸载并重新加载至破坏的过程有助于岩石阻渗能力的形成;峰后阶段卸载并重新加载至破坏的过程增大了岩石的渗透性能。4.结合华北石炭二叠系深部煤层底板破坏深度实测数据,运用多元非线性回归理论构建了深部煤层底板破坏深度数学模型,回归分析结果与实测结果的相关系数为0.9415,说明拟合程度高。在此基础上,结合19组华北型石炭二叠系深部煤层底板突水案例,考虑了工作面斜长、埋深、煤层底板含水层水压、煤层底板隔水层厚度的影响,通过matlab编写了pso优化svm中惩罚因子和核函数参数的程序,构建了深部煤层底板突水危险性评价的pso优化svm(pso-svm)模型。5.通过钻孔注水法及钻孔应力应变法两种观测手段同时对峰峰矿区辛安煤矿深部112145工作面的煤层底板破坏深度进行了实测,验证了深部煤层底板采动破坏力学模型和深部煤层底板破坏深度数学模型的正确性。工作面的安全回采验证了深部煤层底板采动卸荷破坏力学模型和深部煤层底板突水危险性预测模型的正确性。本文的研究成果为深部煤层底板破坏机理及其突水危险性预测研究提供了重要参考。