奥陶系推覆体下覆岩采动应力和水压力响应研究

摘要

本文围绕奥陶系石灰岩推覆体含水层下煤层开采过程中覆岩应力和承压含水层孔隙水压力采动响应这一科学问题展开研究。论文以安徽省钱营孜煤矿东一采区32煤层的开采为工程地质原型，建立了研究区采动水文地质工程地质模型；基于岩体断裂的强度准则和压剪应力作用下裂纹止裂的临界条件，推导了奥陶系石灰岩推覆体含水层下煤层开采导水裂隙带高度的计算公式；研制了奥陶系石灰岩推覆体含水层下煤层开采的相似模型试验装置；开展了奥陶系石灰岩推覆体含水层下煤层开采的相似模型试验；最后，利用数值模拟对采场塑性区发育特征、岩层移动、覆岩应力和承压含水层孔隙水压力变化进行了研究。
　　本研究主要内容包括：⑴建立了奥陶系石灰岩推覆体含水层下煤层开采响应研究的采动水文地质工程地质模型。模型综合考虑了采场的工程地质条件、水文地质条件和开采条件。工程地质条件包括工程地质类型的物理力学参数、结构面特征和原岩应力场等；水文地质条件包括隔水层和含水层岩性、富水性、连通性以及水文地质边界条件等；开采条件包括煤层开采方法和顶板管理方法。⑵推导了奥陶系石灰岩推覆体含水层下煤层开采导水裂隙带高度的计算公式。该公式基于岩体断裂强度准则和脆性材料在压剪应力作用下裂纹止裂的临界条件，从损伤岩体裂纹扩展演化的角度，综合考虑了采场的构造应力、断层的影响、渗流场对应力场的力学作用和水对岩石的软化作用。应用该公式对钱营孜煤矿东一采区 E3213工作面导水裂隙带高度进行计算，并将计算结果与已有的导水裂隙带高度的计算公式进行对比分析，结果表明本文的公式提高了导数裂隙带高度的计算精度。⑶研制了奥陶系石灰岩推覆体含水层下煤层开采覆岩应力和承压含水层水压力采动响应的相似模型试验装置。该装置由模型箱体、供水系统、应力监测系统、水压监测系统和图像采集系统五个部分构成。装置的设计实现了煤层的分步开采过程，并有效地控制了试验过程中材料箱体的臌胀变形。⑷利用研制的装置开展了奥陶系石灰岩推覆体含水层下煤层开采覆岩应力和承压含水层孔隙水压力响应的相似模型试验。结果表明，采动覆岩应力和承压含水层孔隙水压力的变化规律受到开采活动和地质构造的共同影响，与DF200断层的水平距离、覆岩位置的不同对覆岩应力和孔隙水压力响应有密切的影响。孔隙水压力的变化表现为随开采距离的增加逐渐增大的趋势。孔隙水压力监测点位于采空区前方的奥陶系石灰岩含水层内，在试验设计的推进开采范围内，未发生突水现象。⑸对采场的流固耦合作用进行了数值模拟研究，揭示了断层剪切活化、覆岩应力及含水层孔压变化等的耦合作用。结果表明，采动效应引起了 DF200断层沿断层面约90m范围的剪切破坏，断层剪切破坏的附近区域孔隙水压力降低，进而在承压含水层中形成了一个水压降低区，此时，断层附近的塑性区与顶板导水裂隙带尚未连通，顶板未突水；随着工作面的推进，塑性区继续发育，水压降低区的范围扩大，突水瞬间发生，孔隙水压力值发生较大幅度的降低；模型采动后，工作面前方至 DF200断层下盘竖向应力、水平应力及其相应变化量均明显大于断层上盘，说明DF200断层对应力的传递具有阻隔作用。

目录

致谢

变量注释表

1绪论

1.1研究意义和背景 (Research Significance and Background)

1.2文献综述 (Literature Review)

1.3存在的主要问题 (Main Unsolved Problems)

1.4研究方案 (Research Program)

2 研究区水文地质工程地质条件

2.1 区域地质构造特征 (Regional Geological Tectonic Feature)

2.2 研究区地质条件（Geological Conditions of the Study Area）

2.3 水文地质条件 (Hydrogeological Conditions)

2.4 32 煤 覆 岩 工 程 地 质 特 征 (Engineering Geological Characteristics of 32 Coal Overburden Rocks)

2.5 采动水文地质工程地质模型 (Mining Hydrogeological and Engineering Geological Model）

2.6 本章小结 (Summary)

3 奥陶系石灰岩推覆体含水层下煤层开采导水裂隙带高度计算

3.1 覆岩破坏的力学分析(Fracture Mechanics Analysis of Overlying Strata)

3.2 工作面支承压力分布 (Distribution of Abutment Pressure of Working Face)

3.3 压剪应力作用下裂纹扩展的临界条件 (Critical Conditions of Crack Growth under the Action of Compression-Shear Stress)

3.4 地质构造对应力场的影响（Influence of Geological Structure on Stress Field）

3.5 应力场作用下导水裂隙带高度计算公式 (The Fomula for Calculating the Height of Water Conducting Fractured Zone under the Action of Stress Field)

3.6 渗流场和应力场耦合作用下导水裂隙带高度计算公式 (The Fomula for Calculating the Height of Water Conducting Fractured Zone under the Action of Seepage and Stress Fields Coupling)

3.7 奥陶系石灰岩推覆体含水层下导水裂隙带高度计算的对比分析 (Comparative Analysis of Calculation Results of the Height of Water Conducting Fractured Zone under the Ordovican Limestone Nappe Aquifer)

3.8 讨论 (Discussions)

3.9 本章小结 (Summary)

4流固耦合相似模型试验装置和相似材料的研制

4.2 试验装置的总体设计方案 (General Design Scheme of Experimental Setup)

4.3 试验装置的关键技术问题 (Critical Technical Issues of Experimental Setup)

4.4 流固耦合相似材料配比正交实验 (Orthogonal Experiment of Analogue Simulation Material for Fluid-Solid Coupling)

4.5 本章小结 (Summary)

5 奥陶系石灰岩推覆体含水层下煤层开采的相似模型试验

5.1 相似理论 (Similarity Theory)

5.2两类平面问题的几何和力学特征（Geometrical and Mechanical Characteristics of Two Plane Problems）

5.3 平面应力模型试验 (The Plane Stress Model Test under the Action of Stress Field)

5.4 渗流场和应力场耦合作用下的平面应变模型试验 (Plane Strain Model Test under the Action of Coupled Seepage and Stress Fields)

5.5 结果与分析（Results and Analysis）

5.6 讨论 (Discussions)

5.7 本章小结 (Summary)

6 奥陶系石灰岩推覆体含水层下煤层开采数值模拟研究

6.1流固耦合原理和计算方法（Fluid-Solid Coupling Principle and Computing Method）

6.2 奥陶系石灰岩推覆体含水层下煤层开采引起的覆岩破坏、岩层移动、应力变化和水压变化(Overburden Failure, Strata Movement and Changes of Stress and Water Pressure Induced by Mining under the Ordivician Limestone Nappe Aquifer)

6.3 承压含水层水压对采场应力和孔隙水压力变化的影响分析(Influencing Analysis of Confined Aquifer Water Pressure on the Changes of Stress and Pore Water Pressure in the Mining Area)

6.4 讨论 (Discussions)

6.5 本章小结(Summary)

7 结论与展望

7.1 结论 (Conclusions)

7.2 创新点 (Main Creative Results)

7.3 展望 (Future Study)

参考文献

附录

作者简历

声明

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