带压开采底板构造裂隙带活化导渗机制

摘要

随着煤矿延深开采,底板突水已成为威胁煤矿安全生产的最主要灾害之一,构造裂隙带突水是其主要表现形式,研究采掘过程中底板构造裂隙带活化渗流机制,对于矿井水害的预测和防治具有重要意义。为此,论文综合运用室内实验、理论分析及现场实测等方法,针对带压开采过程中的构造裂隙带活化突水通道形成机制及渗流突变规律进行了深入研究,取得如下成果:
　　对岩石裂隙渗流的细观特征进行试验,分析岩石破坏过程中不同阶段渗透性变化及其与岩石内部微裂纹的演化关系,探讨岩石渗透性随变形的变化特点以及渗透系数—应力之间的关联性,得出塑性软岩和脆性坚硬岩石在全应力—应变过程中的变形规律及渗透性差异;根据脆性岩石的破坏机制与渗透系数的演化类比关系,结合岩石统计强度和重整化群理论,在岩石试样承载能力概率函数基础上推导出了预测岩石临界破坏点处应变的表达式。
　　根据底板不同突水模式的力学共性特征,将底板突水划分为突水蓄势和突水失稳两个过程,并阐述各突水过程的基本力学特征,结合已有突水实例的统计结果,分析突水的发生条件、灾变特征及影响因素;通过现场原位压渗实测,获取煤系完整岩层及裂隙带岩体的平均阻渗强度,研究底板岩体的阻渗特征,提出采用底板有效隔水层(单位厚度阻渗强度)评价断层带阻渗条件的方法。
　　通过室内物理模拟试验,基于采用“孔隙流—裂隙流—管道流”的渗流组合类型来表示断层带渗流过程的思想,指出断层带中充填物颗粒的流失是断层突水量和渗流类型发生改变的基础;结合现场压渗试验结果获得了构造裂隙带渗透破坏是底板突水的前兆过程,构造裂隙带活化突水实质是底板岩体发生渗透破坏,也是底板水害防治的重要阶段。
　　考虑断层破碎带中介质的不同力学性质及外界采掘扰动的影响,用突变理论建立断层活化失稳的非线性模型,推导出断层活化失稳的充要力学判据及突水临界压力;从非线性的角度将诱发断层活化突水的外界扰动条件分为临界微扰动和超前强扰动,分析煤层底板断层活化突水与外界采掘扰动条件的关联性,揭示外界扰动条件下的断层活化突水机理。
　　论文最后将试验及理论成果应用于现场,检验断层带岩体阻渗强度评价方法及断层活化突变模型的适用性,为带压开采构造扰动底板突水危险性评价提供了理论依据。

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变量注释表

1 绪论

1.1 研究背景及意义(Significance and Basis of Dissertation)

1.2 国内外研究现状(Current Research Works at Home and Abroad)

1.3 存在的问题(Problems about Current Research)

1.4 研究内容及技术路线(Research Contents and Technical Way)

2 底板岩层细观渗流特征

2.1 岩石伺服渗透试验(Penetration Test of Rock Specimen under the Servo-control Condition)

2.2 岩石伺服渗透特征(Penetration Characteristics of Rock Specimen under the Servo-control Condition)

2.3 应变转换与渗流突变(Strain Transformation and Seepage Mutation)

2.4 本章小结(Brief Summary)

3 底板突水力学特征及阻渗条件

3.1 突水基本力学特征(Basic Mechanical Characteristics on Water Inrush)

3.2 突水影响因素及类型划分(Influence Factors and Classification on Water Inrush)

3.3 底板阻渗条件(Preventing Seepage Conditions for Coal Seem Floor)

3.4 本章小结(Brief Summary)

4 底板突水通道的形成及机制

4.1 突水通道概念(Concept of Water Inrush Channel)

4.2 底板突水通道类型(Types for Water Inrush Channel of Coal Seem Floor)

4.3 断层活化突水模型试验(Model Test of Water Inrush Induced by Fault Reactivation)

4.4 断层活化导渗机制(Seepage Mechanism of Fault Reactivation)

4.4 本章小结 (Brief Summary)

5 断层活化突变模型

5.1 采掘扰动(Mining Disturbance)

5.2 断层带介质水致弱化特性(Weakening Characteristic by Water in Fault Medium)

5.3 断层活化失稳非线性模型(Nonlinear Model of Fault Activation and Instability)

5.4 断层活化失稳机理(Activation and Instability Mechanism for Fault Zone)

5.5 本章小结(Brief Summary)

6 工程应用实践

6.1 杨村矿 4603 工作面底板断层采动阻渗条件(Preventing Seepage Conditions for Fault Zone at 4603 Worki ng Face Coal Seam Floor in Yangchun Coalmine under the Mining)

6.2 裴沟矿 32071 底板 F32-9断层采动阻渗性实测(Preventing Seepage Characteristics of F32-9 fault Zone in Peigou Coalmine)

6.3 本章小结(Brief Summary)

7 结论与展望

7.1 主要结论(Main Conclusions)

7.2 创新点(Creative Points)

7.3 研究展望(Research Prospects)

参考文献

作者简介

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