工作面回采诱发断层活化突水机理及注浆加固应用研究

摘要

煤层开采过程中，断层及底板承压水的存在极大的增加了其附近工作面回采时突水危险性。实际工程中，为了避免突水事故发生，通常会留设宽度较大的断层防水煤柱，但同时造成煤炭资源大量浪费。本文以五沟煤矿F4断层实际地质情况为出发点，采用理论分析、室内试验、数值模拟等方法并结合工程实践，对工作面回采过程中断层活化特征及注浆后的断层防水煤柱留设问题进行了研究。主要结论如下：　　(1)通过理论分析，针对断层上下盘工作面开采应力传递规律构建应力传递力学模型，得出下盘工作面开采时断层对应力传递屏障作用更明显；针对断层活化机理构建力学模型，给出断层活化力学判据。　　(2)通过室内试验，针对注浆工程中对浆液物理性能的要求，选用水泥、膨润土、减水剂、水玻璃为原材料，采用单因素试验及正交试验方法对浆液的析水率、粘度、凝结时间、结石强度等物理性能进行优化研究，得出各项性能较优的浆液配比。　　(3)通过相似材料试验，系统的分析了断层上下盘工作面开采时应力传递规律，并得出了其差异性；分析了断层上盘工作面开采时底板应力演化规律，得出底板距离断层越近，受采动影响后应力峰值越大，破坏越严重；分析了工作面回采过程中断层带应力演化规律，得出工作面距离断层越近，断层受采动影响越明显；分析了注浆前、后断层防水煤柱留设情况，得出对断层注浆加固后可有效缩小断层防水煤柱宽度。　　(4)采用数值模拟，研究了含水层水压、断层注浆等不同工况下断层上下盘工作面开采时，断层带应力演化规律、塑性破坏特征及渗流特征，得出断层带应力峰值与断层防水煤柱宽度呈负相关，与水压值呈正相关；塑性破坏范围与断层防水煤柱宽度呈负相关，与水压呈正相关；水流矢量与断层防水煤柱宽度呈负相关，与水压值呈正相关；相较于注浆前，注浆后断层带正应力增大，剪应力减小，塑性破坏范围变小，水流矢量减小。　　(5)通过工程实践，对F4断层进行注浆加固并进一步缩小断层防水煤柱宽度，验证理论研究的可行性，为矿井安全生产及提高煤炭资源回采率提供了科学依据。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2.1 断层活化突水机理的研究现状

1.2.2 相似试验与数值模拟在断层研究中的应用现状

1.2.3 断层防水煤柱留设研究现状

1.2.4 注浆技术发展

1.3 国内外相关研究存在的问题

1.4.1 研究主要内容

1.4.2 研究技术路线

2 断层带应力阻隔效应及断层活化力学分析

2.1 断层基本分类

2.2 断层带应力阻隔效应

2.3 断层活化影响因素及力学分析

2.3.1 断层活化影响因素分析

2.3.2 断层活化力学分析

2.4 本章小结

3 注浆材料试验研究

3.1 浆液性能影响因素分析

3.1.1 浆液析水率分析

3.1.2 浆液的粘度分析

3.1.3 浆液的凝结时间分析

3.1.4 单轴抗压强度分析

3.2 材料选择及测定方法

3.2.1 基本材料选择

3.2.2 各项指标测定方法

3.3 试验方法

3.3.1 单因素试验

3.3.2 正交试验

3.4 浆液性能比较

3.5 本章小结

4 采动诱发断层活化及注浆加固相似材料试验

4.1 地质概况

（1）F4 断层导水性分析

（2）含水层水压计算

4.2 试验目的

4.3 试验理论依据

4.4 试验设备

4.5.1 模拟试验对象

4.5.2 试验材料的制备

4.5.3 试验测点设计

4.6.1 模型的铺设

4.6.2 含水层模拟

4.6.3 注浆模拟

4.6.4 加载方式

4.7 试验结果分析

4.7.1 覆岩运动

4.7.2 采动诱发煤层顶、底板应力演化规律研究

4.7.3 采动诱发断层带应力演化规律及煤柱留设研究

4.7.4 注浆加固后断层煤柱留设研究

4.8 本章小结

5 采动诱发断层活化及注浆加固数值模拟研究

5.1.1 模型构建及网格划分

5.1.2 边界条件

5.1.3 模拟岩层参数

5.2.1 研究内容

5.2.2 计算方案

5.3 计算结果分析

5.3.1 含水层水压对断层活化及煤柱留设影响

5.3.2 注浆对断层活化及煤柱留设影响

5.4 本章小结

6 工程实践

6.1 工程概况

6.2 理论计算

6.3 注浆孔设计

6.4 注浆情况分析

6.5.1 探查任务

6.5.2 测线及测点布置

6.5.3 F4断层富水性瞬变电磁探测资料分析与解释

6.6 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 创新点

7.3 展望

参考文献

作者简历

致谢

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