邢东矿采煤工作面底板突水规律研究

摘要

煤炭是中国经济和社会发展的重要能源基础。随着开采深度的增加和开采条件的劣化，采煤工作面底板突水问题愈加严重，因此研究底板突水的发生和发展规律具有重要意义。本文首先根据底板突水的工程实际，将底板完整岩层简化为弹塑性薄板并运用薄板弯曲的最小位能原理分析了煤层开采底板岩层应力分布特征，及完整底板突水破坏规律。以邢东矿某工作面为工程背景进行相似材料模拟试验，由地质资料分析结果确定实际岩层岩性参数;根据相似原理并结合试验台尺寸确定几何、时间和应力比尺并堆筑模型。自主设计底板加压装置模拟承压水作用，通过位移测点和压力盒的实时监测数据分析得出底板变形破坏和采场压力变化规律。采用数值模拟方法研究煤层开采过程中底板的垂向位移、应力以及塑性区分布特征，并与力学模型分析和相似材料模拟的研究结果比较，得出采煤工作面底板突水规律并据此提出具体的突水防治措施。本文主要取得了如下成果:
　　(1)将底板完整岩层简化为四边固支的矩形薄板，分析得出薄板固支边的中点处弯矩最大，也就是底板岩层最容易在工作面中部破断，并通过弹性理论得出底板岩层能承受的极限水压力，且其与隔水带的厚度、工作面的尺寸及岩层的抗剪强度、泊松比等物理力学性质有关;
　　(2)煤层开采后煤壁前方出现应力集中，应力集中程度随底板深度增加而减小。采空区发生底臌，底臌变形曲线随着深度增加由“高瘦型”向“矮胖型”转化，同时底板产生离层;
　　(3)底板岩层变形在水平方向上可分为采前压缩段、卸压底臌段和压缩稳定段。底板应力经历“原岩应力—应力集中—应力释放—逐渐压实—恢复原岩应力”的变化过程;
　　(4)煤壁两侧底板岩层易发生剪切破坏而使有效隔水层厚度减小。煤层开采初期最大底臌、底板最大弯矩和竖向裂纹均出现在采空区中央区域，随着开采距离的增加逐渐向采空区中央偏后方向移动，此处为底板突水危险区;
　　(5)结合研究结果针对该工作面实际情况提出了采用条带充填开采方法防治底板突水，并通过理论分析和数值模拟验证了该措施的可行性。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 煤层底板突水机理的研究现状

1．2．2 煤层底板突水研究手段研究现状

1．2．3 突水防治方法研究现状

1．3 本文主要研究内容及技术路线

1．3．1 主要内容

1．3．2 技术路线

2 承压水上采煤底板破坏力学机理分析

2．1 承压水体上开采底板破坏规律分析

2．1．1 底板岩体原始应力状态

2．1．2 底板岩体采动应力分布特征

2．2 完整底板突水机理力学分析

2．2．1 底板突水矩形薄板理论分析

2．2．2 条带充填条件下的底板破坏力学分析

2．3 小结

3 底板突水的相似材料模拟试验分析

3．1 井田及工作面概况

3．1．1 矿区自然地理概况

3．1．2 工作面水文地质条件

3．2 相似材料模拟试验简介

3．2．1 物理模型的建立

3．2．2 模型加载计算及方法

3．2．3 模型的运行和观测

3．3 相似材料模拟试验结果分析

3．3．1 底板岩层位移变化规律分析

3．3．2 工作面推进过程中各行测线位移对比分析

3．3．3 底板岩层应力变化规律分析

3．4 底板岩层破坏过程和破坏特征

3．5 小结

4 承压水上开采底板突水数值模拟研究

4．1 概述

4．2 数值计算模型的建立

4．2．1 网格的建立

4．2．2 边界条件的确定

4．2．3 岩石参数的选取

4．2．4 数值模拟计算方案

4．3 数值模拟结果及其分析

4．3．1 底板垂向位移变化规律

4．3．2 底板应力变化分布规律

4．3．3 底板塑性区变化规律

4．4 条带充填开采模拟

4．5 小结

5 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 存在问题及展望

参考文献

作者简历

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