煤矿底板采动变形及带压开采突水评判方法研究

摘要

煤矿底板采动变形问题的研究，不仅对于承压水上带压安全开采具有科学价值，而且可为采区巷道围岩变形控制维护提供关键依据。
　　本文对采动底板应力分布特征、底板应力及其塑性区分布以及底板破坏深度等变形破坏规律进行了系统研究，研究发现：在前人对支承压力分布规律研究的基础上构建的采场完整支承压力作用下的底板应力分布模型能够得到底板内任一位置的应力分布解析解，通过杨村煤矿4602工作面的底板应力解析计算说明解析得出的底板下的应力分布规律具有实用性；从底板采动变形的角度厘定了底板破坏深度的概念，并采用FLAC3D数值模拟软件开展了底板破坏深度斜长、顶底板岩性组合、采深、采高、倾角的六因素五水平正交数值模拟试验，构建了首次考虑顶板岩性组合这一因素的斜长-顶底板岩性组合-采深-采高-倾角的底板破坏深度预测模型，通过10个煤矿相应的工作面底板破坏深度实测实例进行分析验证了该预测模型精度较高，可以满足工程使用。
　　通过现场底板变形破坏综合实测深刻揭示了底板矿压显现过程及其分区特点、底板破坏深度分区特征以及底板变形与矿压显现的关联规律，具体表现为：采动矿压对底板的影响具有较远距离的采前“超前”显现和采后“滞后”延续的特点，且这种“超前”“滞后”影响具有分区特征；从采动底板变形与采动矿压的关联效应角度将底板所受采动矿压的扰动作用分为“超前聚压扰动”和“采后卸压扰动”两种类型，为合理解释底板采动变形破坏的力学机制提供了力学依据；底板破坏经历超前聚压破坏和采后卸压破坏两个过程，其破坏机制均为剪切破坏，前期为受压状态下的剪切破坏，后期为受拉状态下的剪切破坏，二者具有累进关系，即在采前聚压破坏基础上采后卸压破坏可导致破坏程度进一步加剧，但对于采动破坏深度不具有延伸效果。
　　在70组底板破坏深度实测资料统计的基础上，探索了底板破坏深度与其影响因素的规律，构建了底板破坏深度预测的遗传-改进遗传算法优化BP神经网络模型（BP-GA、BP-GA-MOD）和PSO优化SVM模型（PSO-SVM）。基于MATLAB软件平台，编制了底板破坏深度非线性预测模型系统，能够实现底板破坏深度快速准确的预测。
　　最后，首次明确建立了煤矿底板突水的三级评判模型，以此实现对煤矿底板突水由粗到细、由经验判别到力学分析的多级分布筛选递进评价预测。三级评判分别包括：煤矿底板突水初判、煤矿底板突水详判与煤矿底板突水精判。底板突水初判判据为P=0.0025M2-0.0865M-16.8534/M+2.2440临界方程，该方程是通过对华北七个矿区以及湖南涟邵矿区354个工作面突水点、202个巷道突水点以及318个安全回采工作面的调查分析，应用数学统计回归的方法所得。该临界方程形式与考虑动水压力作用下的底板均质裂隙弱板模型P-M临界方程形式一致；煤矿底板突水的详判，是在初判的基础上对可能发生突水的区域进行的进一步突水判别，综合指标法考虑了影响底板突水的诸多因素，以此判别将更为全面，考虑模型的简化，构建了基于膨胀界限抗渗强度的底板突水评判模型。煤矿底板突水精判，需要对底板岩体特性、含水层特性以及所赋存的地质条件进行更为详细的勘查，掌握突水评判区域非常精细准确的第一手资料，在此基础上，对底板进行力学稳定性分析，确定底板在采动矿压、水压作用下的潜在稳定性。
　　该论文有图73幅，表31个，参考文献207篇。

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Extended Abstract

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Contents

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1 绪论

1.1 选题背景与研究意义（Research Background and Significance）

1.2 研究现状（Research Status）

1.3 现存问题（Existing Problems）

1.4 研究方案(Research Program)

2 采动底板变形破坏规律特征分析

2.1 底板岩体应力状态分析(Analysis on Stress State of Floor Rock Mass)

2.2 采动底板变形破坏规律分析（Analysis on Law of Deformation and Damage of Mining Floor Rock）

2.3 底板破坏深度研究（Study on Floor Failure Depth）

2.4 小结(Brief Summary)

3 底板变形破坏综合实测与采动效应机制

3.1 底板变形破坏应变实测法研究(Research on Strain Testing Method of Deformation and Damage of the Floor)

3.2 典型工作面现场实测(Field Strain Testing of Typical Working Face)

3.3 底板变形实测结果综合分析（Comprehensive analysis of measured results of floor deformation）

3.4 底板采动效应及其力学机制（Mining Effect of the Floor and It’s Mechanical Mechanism）

3.5 小结(Brief Summary)

4 底板破坏深度非线性预测模型构建

4.1 底板破坏深度影响因素统计分析(Statistical Analysis on Influence Factors of Floor Failure Depth)

4.2 底板破坏深度的非线性预测模型(Nonlinear Prediction Model on Floor Failure Depth)

4.3 小结(Brief Summary)

5 底板突水的三级评判预测

5.1 底板岩溶水害主控影响因素分析(Analysis on Main Control Factors of Karst Water Disasters From Floor)

5.2 煤矿底板突水的初判(Primary Judgment on Water Inrush From Floor of Mines)

5.3 煤矿底板突水的详判(Detailed Judgment on Water Inrush From Floor of Mines)

5.4 煤矿底板突水的精判(Elaborate Evaluation on Water Inrush From Floor of Mines)

5.5 小结(Brief Summary)

6 结论

6.1 主要结论(Main Conclusions)

6.2 创新点(Innovation)

6.3 展望(Suggestions on Future Work)

参考文献

附录1

附录2

作者简历

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