采动覆岩失稳破坏突水溃砂试验及防治研究

摘要

随着煤矿开采上限持续提高，受采动影响，上覆含砂量较高松散含水层的水砂混合物涌人井下工作面，引发矿井财产损失更甚至人员伤亡的事故，具有重大安全隐患。本文基于研发的试验装备，综合运用理论分析、数值模拟、物理模拟等方法，以厚松散层薄基岩采动覆岩突水溃砂为工程背景，针对突水溃砂灾害影响因素及判据，隔水层稳定性力学模型及数值模拟分析，水砂通道形成后水砂突涌特征，开采引起的突水溃砂防治等进行了相关的研究。论文主要工作如下：
　　（1）分析总结出覆岩涌水溃砂灾害发生4个关键因素分别是物源、动力源、通道和容纳空间。根据煤层充分采动后地表移动和采场上覆岩层的活动规律，建立地表最大下沉量和覆岩拉伸变形量与覆岩导水裂隙带之间定量关系，从而给出导水裂隙带高度的预测方法。
　　（2）将水砂突涌过程简化为一个装着水砂混合物的存储仓通过排料口向外排出水砂混合物的过程。通过对水砂通道上方松散砂体成拱进行受力分析，建立无限长缝隙型孔成拱模型。当不考虑砂体水力学作用时，获得力平衡状态时水砂通道的极限宽度。当考虑水对砂体的运动作用时，建立考虑水砂耦合作用的涌水溃砂发生判据。
　　（3）对综采垮落法顶板单一岩层形成的隔水层和条带充填法顶板隔水层进行稳定性力学分析，得出关键层破坏临界载荷和导水裂隙带高度计算公式。结合运河煤矿7311工作面工程背景，用数值模拟软件对隔水层稳定性进行数值模拟研究，分析对比条带置换充填开采和条带开采时导水裂隙带的发育情况。
　　（4）基于研制的水砂突涌试验系统进行了不同水压力和不同松散层组分条件下水砂突涌试验。定量化地研究了水砂运移及突涌信息，获得了含水层底部水压力变化特性，以及水砂流量与松散层组分、水压力的组合关系。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

1.4 研究方法和技术路线

2 采动覆岩突水溃砂影响因素及判据分析

2.1 突水溃砂灾害影响因素

2.2 采动覆岩裂隙演化力学分析

2.3 涌水溃砂发生条件分析

2.4 本章小结

3 隔水层稳定性数值模拟研究

3.1 隔水层稳定性力学模型

3.2 基于FLAC3D的隔水层稳定性数值模拟

3.3 数值模拟结果分析

3.4 本章小结

4 松散含水层组分对突水溃砂影响试验研究

4.1 突水溃砂试验系统介绍

4.2 试验材料选取及性质分析

4.3 突水溃砂试验及实验分析

4.4 本章小结

5 开采突水溃砂防治技术及应用

5.1 留设防水(砂)安全煤岩柱防治涌水溃砂灾害

5.2 充填法开采防治涌水溃砂灾害

5.3 疏水降压防治涌水溃砂灾害

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 主要创新点

6.3 展望

致谢

攻读硕士期间主要成果

参考文献