本文關鍵詞：深部煤層底板變形破壞機理及突水評價方法研究

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【摘要】：本文采用理論分析、實驗室試驗、數(shù)值模擬、現(xiàn)場實測等研究方法,運用彈性力學、塑性力學、損傷力學、斷裂力學、巖石力學、多元統(tǒng)計學及神經(jīng)網(wǎng)絡學等知識,構建了煤層底板突水危險性主控因素體系;構建了深淺部分界點的數(shù)學模型,界定了深部、淺部煤層底板破壞規(guī)律的分界點;運用半無限體理論和滑移線場理論構建了深部煤層底板采動破壞力學模型;基于損傷斷裂理論及統(tǒng)一強度理論分析了深部煤層底板采動卸荷破壞機理;運用實驗室TAW-3000電液伺服巖石三軸試驗機分析了不同應力狀態(tài)的巖石在卸荷后重新加載過程中的滲透系數(shù)變化特征;構建了深部煤層底板破壞深度數(shù)學模型;構建了深部煤層底板突水危險性預測的PSO優(yōu)化SVM(PSO-SVM)模型;最后,結合峰峰礦區(qū)辛安煤礦深部112145工作面的煤層底板破壞深度實測結果,驗證了深部煤層底板變形破壞機理及突水危險性預測模型的正確性。論文研究的主要內容與結論如下:1.建立了煤層底板突水危險性主控因素體系,該體系主要包括煤層底板有效隔水層阻水性能和煤層底板承壓含水層突水強度兩個方面,共計17個主控因素。其中,煤層底板有效隔水層的阻水性能與煤層底板隔水層厚度及其巖性、煤層底板破壞深度、煤層底板承壓水原始導升高度及地質構造相關。重點分析了煤層底板破壞深度各主控因素的影響權重,設計了9個因素(8個主控因素,1個空白列)、4個水平的32種正交試驗方案,分析了8個主控因素對煤層底板破壞深度的影響權重順序及各主控因素與煤層底板破壞深度的關系。2.搜集了74組華北石炭二疊系煤層底板破壞深度實測數(shù)據(jù),分別構建了深部、淺部煤層底板破壞深度及其影響因素的增廣矩陣。計算并提取了深部、淺部相關系數(shù)矩陣的向量,分析了深部、淺部相關系數(shù)矩陣向量的關聯(lián)性,確定了深淺部煤層底板破壞規(guī)律的分界點。通過增加數(shù)據(jù)的方法對深淺部分界點的穩(wěn)定性進行分析;通過模糊C均值聚類法對深淺部分界點的合理性進行驗證。3.深部煤層底板在煤層回采過程中先后經(jīng)歷了采動壓縮-剪切滑移-采動卸荷-采空區(qū)重新承載-采空區(qū)壓實五個階段,重點分析了易發(fā)生煤層底板突水三個階段:剪切滑移、采動卸荷及采空區(qū)重新承載。(1)剪切滑移階段。運用斷裂理論分析了采場端部的應力分布規(guī)律,結合Griffith破壞準則確定了采場端部的塑性區(qū)范圍。在此基礎上,通過半無限體理論分析了采場端部塑性區(qū)的支承壓力分布規(guī)律,確定了支承壓力影響下的煤層底板主動破壞區(qū)域,運用滑移線場理論構建了深部煤層底板采動破壞力學模型。結合峰峰礦區(qū)辛安煤礦深部112145工作面的實際參數(shù),分析了深部煤層底板最大破壞深度與其影響因素的關系。結果表明:深部煤層底板最大破壞深度與工作面超前支承壓力峰值的大小呈正相關變化;在煤壁塑性區(qū)范圍一定的情況下,深部煤層底板最大破壞深度與煤層底板內摩擦角呈正相關變化,與煤層底板內聚力呈負相關變化。(2)采動卸荷階段。在依據(jù)摩爾圖解及斷裂力學理論對深部煤層底板卸荷突水破壞分析的基礎上,運用損傷斷裂力學并結合統(tǒng)一強度理論,建立了考慮滲透水壓作用下分支裂紋端部形成的塑性區(qū)范圍計算方程與巖體發(fā)生貫穿破壞時的損傷閥值,把裂紋擴展過程與巖體損傷耦合起來,構建了深部煤層底板采動卸荷破壞力學模型。對比分析了考慮裂紋端部塑性區(qū)影響與否的情況下深部煤層底板裂紋損傷斷裂能量gi與其相關影響因素的關系。結果表明:側壓系數(shù)為0.5時,最大主應力完全卸荷狀態(tài)下裂紋端部應力強度因子比雙軸應力狀態(tài)下大,巖體易發(fā)生破壞�？紤]了裂紋端部塑性區(qū)的影響,深部煤層底板裂紋損傷斷裂能量相比于不考慮其影響時偏大,增大了煤層底板突水的危險性。深部煤層底板裂紋損傷斷裂能量gi與裂紋半長a、裂紋面連通面積與總面積之比α、裂紋面滲透水壓p及最小主應力σ3呈正相關;與裂紋面摩擦系數(shù)f及巖體的彈性模量e呈負相關。(3)采空區(qū)重新承載階段。結合辛安煤礦112145工作面實際地質情況,設計了實驗室試驗方案。對該工作面煤層底板進行鉆孔取芯,運用taw-3000電液伺服巖石三軸試驗機記錄了軸向應變、徑向應變、軸壓、圍壓、水壓及出水口達到穩(wěn)定滲流時的滲流量,分析了深部煤層底板卸荷并重新加載至破壞過程中的巖石滲透系數(shù)變化特征。試驗分析得出:相比于正常加載情況下,彈性階段卸載并重新加載至破壞的過程對巖石滲透系數(shù)影響較小;塑性階段卸載并重新加載至破壞的過程有助于巖石阻滲能力的形成;峰后階段卸載并重新加載至破壞的過程增大了巖石的滲透性能。4.結合華北石炭二疊系深部煤層底板破壞深度實測數(shù)據(jù),運用多元非線性回歸理論構建了深部煤層底板破壞深度數(shù)學模型,回歸分析結果與實測結果的相關系數(shù)為0.9415,說明擬合程度高。在此基礎上,結合19組華北型石炭二疊系深部煤層底板突水案例,考慮了工作面斜長、埋深、煤層底板含水層水壓、煤層底板隔水層厚度的影響,通過matlab編寫了pso優(yōu)化svm中懲罰因子和核函數(shù)參數(shù)的程序,構建了深部煤層底板突水危險性評價的pso優(yōu)化svm(pso-svm)模型。5.通過鉆孔注水法及鉆孔應力應變法兩種觀測手段同時對峰峰礦區(qū)辛安煤礦深部112145工作面的煤層底板破壞深度進行了實測,驗證了深部煤層底板采動破壞力學模型和深部煤層底板破壞深度數(shù)學模型的正確性。工作面的安全回采驗證了深部煤層底板采動卸荷破壞力學模型和深部煤層底板突水危險性預測模型的正確性。本文的研究成果為深部煤層底板破壞機理及其突水危險性預測研究提供了重要參考。
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TD745

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 馮強;蔣斌松;;基于積分變換采場底板應力與變形解析計算[J];巖土力學;2015年12期

2 陸銀龍;王連國;;基于微裂紋演化的煤層底板損傷破裂與滲流演化過程數(shù)值模擬[J];采礦與安全工程學報;2015年06期

3 劉偉韜;劉士亮;宋文成;張茂鵬;謝祥祥;穆殿瑞;;基于薄板理論的工作面底板隔水層穩(wěn)定性研究[J];煤炭科學技術;2015年09期

4 謝和平;高峰;鞠楊;高明忠;張茹;高亞楠;劉建峰;謝凌志;;深部開采的定量界定與分析[J];煤炭學報;2015年01期

5 孫建;王連國;;采場底板傾斜隔水關鍵層的失穩(wěn)力學判據(jù)[J];煤炭學報;2014年11期

6 劉杰;王恩元;趙恩來;徐文全;胡少斌;;深部工作面采動應力場分布變化規(guī)律實測研究[J];采礦與安全工程學報;2014年01期

7 朱術云;曹丁濤;周海洋;楊朝維;劉近國;;采動底板巖性及組合結構對破壞深度的制約作用[J];采礦與安全工程學報;2014年01期

8 孫建;;沿煤層傾斜方向底板“三區(qū)”破壞特征分析[J];采礦與安全工程學報;2014年01期

9 張文泉;張廣鵬;李偉;華祥;;煤層底板突水危險性的Fisher判別分析模型[J];煤炭學報;2013年10期

10 孫建;王連國;;基于微震信號突變分析的底板斷層突水預測[J];煤炭學報;2013年08期

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本文編號：1270583