深部煤层带压开采底板断层活化突水机理研究

摘要

矿井断层突水长期困扰煤矿的安全生产。底板断层活化突水过程的影响因素很多，要解决底板断层活化突水问题要综合考虑地质构造、原岩应力、含水层水压和开采方式等因素，系统的对底板断层活化突水进行研究。本文采用力学分析、数值求解、FLAC数值模拟和工程实践相结合的方法，对采场底板断层活化及突水力学机理进行研究，主要成果如下：
　　（1）基于半无限体理论，建立底板断层活化机理的力学模型，推导出在矿压作用下断层面上任意一点剪应力计算公式。将工作面实际地质参数代入剪应力计算公式，通过绘制断层面上剪应力随工作面推进的变化曲线图，直观的可以看出任意一因素改变时断层面上剪应力的变化规律。
　　（2）通过FLAC3D数值模型软件，分别获得断层落差、断层倾角和含水层水压对承压水上采动断层活化突水的影响规律。
　　（3）根据阳城煤矿1311工作面的实际地质条件，建立FLAC数值计算模型，通过对工作面推进过程中的垂直应力、剪应力、塑性区和孔隙水压的变化进行分析，判定工作面极易发生突水事故。现场实测最终测得1311工作面的最大破坏深度为33.77m，与数值模拟所得数值相近。
　　（4）将1311工作面实际参数代入所得断层活化突水判剧，得出断层带的最大破坏深度为31.84m，与现场实测值33.77m和数值模拟所得34.84m较为接近。为降低1311工作面突水风险，根据工作面的开采实际情况和前文研究提出留设防水煤柱的措施，通过计算设定1311工作面防水煤柱尺寸为26m。

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摘 要

ABSTRACT

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Contents

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 底板突水机理研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 研究内容及技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

2 底板断层活化突水力学分析

2.1 底板突水通道形成分析

2.1.1 突水通道概念

2.1.2 突水通道类型

2.2 底板断层活化突水力学特征

2.2.1 底板断层活化力学模型

2.2.2 底板断层应力分布分析

2.3 底板断层活化突水影响因素

2.3.1 工作面采深对断层活化的影响

2.3.2 断层倾角对断层活化的影响

2.3.3 工作面推进距离对断层活化的影响

2.3.4 煤壁前方应力集中程度对断层活化的影响

2.3.5 采空区压实程度对断层活化的影响

2.4 本章小结

3 带压开采底板断层活化突水数值模拟研究

3.1 数值模拟方案

3.2 断层落差对底板断层活化突水的影响

3.2.1 断层围岩垂直应力分布规律

3.2.2 断层围岩剪应力分布规律

3.2.3 断层围岩孔隙水压分布规律

3.3 断层倾角对底板断层活化突水的影响

3.3.1 断层围岩垂直应力分布规律

3.3.2 断层围岩剪应力分布规律

3.3.3 断层围岩孔隙水压分布规律

3.4 含水层水压对底板断层活化突水的影响

3.5 本章小结

4 工程应用

4.1 阳城煤矿1311工作面地质条件

4.2 数值计算模型的建立及结果分析

4.2.1 数值计算模型

4.2.2 1311工作面断层围岩垂直应力与剪应力分布规律

4.2.3 1311工作面断层围岩塑性区和孔隙水压分布规律

4.3 底板破坏深度现场实测

4.3.1 底板破坏深度监测方法

4.3.2 监测方案设计

4.3.3 监测结果分析

4.4 1311工作面底板突水危险性分析

4.5 底板断层突水防治措施

4.5.1 留设断层防水煤柱

4.5.2 1311工作面防水煤柱计算

4.6 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间主要成果