本文關(guān)鍵詞：趙各莊礦深部煤層底板突水危險(xiǎn)性與斷裂滯后突水評(píng)價(jià)，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：我國幅員遼闊,我國幅員遼闊,煤層底板灰?guī)r含水層分布廣泛,裂隙發(fā)育不均一,且富水性極強(qiáng),尤其是華北地區(qū),奧陶系灰?guī)r含水層嚴(yán)重影響了下組煤的開采。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),底板突水事故占礦井突水事故的50-60%。隨著采礦技術(shù)水平的不斷提高和開采裝備的不斷改善,煤炭的開發(fā)力度也在逐年加大,礦井的開采深度也在逐年延深,由此而產(chǎn)生的高地應(yīng)力條件下,底板高承壓水的突出問題已經(jīng)嚴(yán)重影響和制約了高產(chǎn)高效礦井的建設(shè)�？梢灶A(yù)計(jì),國內(nèi)典型礦井的深部開采經(jīng)驗(yàn)及研究成果必將為正在向深部開采的礦井起到指導(dǎo)作用。煤層底板突水是一個(gè)隨地質(zhì)及水文地質(zhì)條件變化實(shí)時(shí)變化的復(fù)雜動(dòng)態(tài)過程,在該過程中,圍巖應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)、圍巖滲透性、巖石力學(xué)性質(zhì)等都是隨煤層開采實(shí)時(shí)發(fā)生著動(dòng)態(tài)變化,是一種受控于多因素且具有非常復(fù)雜形成機(jī)理的非線性動(dòng)力現(xiàn)象。因此面對(duì)這樣復(fù)雜動(dòng)態(tài)過程和多種影響因素,應(yīng)用變權(quán)分區(qū)模型解決了傳統(tǒng)常權(quán)分區(qū)模型固定權(quán)重不變的弊端,在很大程度上提高了煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。由于不同的煤層底板突水主控指標(biāo)無量綱化方法會(huì)得到具有一定差異的突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果,為此,將無量綱化理論與變權(quán)理論相結(jié)合,構(gòu)建了反映不同水文地質(zhì)條件的突水主控指標(biāo)數(shù)據(jù)屬性特征的分區(qū)變權(quán)模型,評(píng)價(jià)結(jié)果更加科學(xué)合理;基于流固耦合理論,利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件內(nèi)嵌的程序語言fish編寫自定義函數(shù)、變量,實(shí)現(xiàn)了材料的彈性模量和滲透系數(shù)隨煤層開采過程中應(yīng)力和水壓的變化而實(shí)時(shí)變化,并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了斷層物質(zhì)為彈塑性介質(zhì)、流變介質(zhì)的變參數(shù)-彈塑性流固耦合模型和變參數(shù)-流變流固耦合模型,揭示了深部采場(chǎng)煤層底板斷層滯后突水機(jī)理。結(jié)合典型的深部開采礦井-趙各莊礦,本文將基于流固耦合理論、無量綱化理論、變權(quán)理論來探索深部煤層開采底板突水機(jī)理和預(yù)測(cè)煤層底板突水危險(xiǎn)性,詳細(xì)研究成果如下:1、深入分析了研究區(qū)的開發(fā)情況、礦井生產(chǎn)水平及主采煤層、礦井排水系統(tǒng)、礦井位置、交通、地形地貌、水文氣象等概況;詳細(xì)分析了地層、構(gòu)造、含(隔)水層及地下水的補(bǔ)、徑、排等地質(zhì)及水文地質(zhì)條件,確定了煤層底板奧陶系含水層為礦井研究水平安全開采的主要威脅。2、通過對(duì)研究區(qū)煤層底板突水相關(guān)的地質(zhì)、水文地質(zhì)等資料的深入分析,構(gòu)建了影響開灤趙各莊礦最深水平12-2#煤層底板突水的主控指標(biāo)體系,根據(jù)各主控指標(biāo)結(jié)合GIS技術(shù)建立了各主控因素專題圖,并根據(jù)各個(gè)指標(biāo)值的屬性特點(diǎn),采用多種無量綱化方法對(duì)各個(gè)指標(biāo)值進(jìn)行量化,結(jié)果表明,不同的無量綱化處理方法會(huì)得到不同的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果;對(duì)基于無量綱化與常權(quán)分區(qū)模型的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果應(yīng)用Spearman等級(jí)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行無量綱化方法的對(duì)比優(yōu)選,從而得到一種最適合評(píng)價(jià)模型的無量綱化處理方法,結(jié)果表明,各種無量綱方法得到的綜合評(píng)價(jià)的排序結(jié)果與 合理排序‖都有著極高的相關(guān)性,其中平均化等級(jí)排序與 合理排序‖的相關(guān)性最高,相關(guān)系數(shù)為0.998,因此,可以得出結(jié)論,平均化處理得到的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果最好;建立變權(quán)分區(qū)模型的突水脆弱性評(píng)價(jià)模型,同時(shí)將多種無量綱化處理方法應(yīng)用到變權(quán)分區(qū)模型對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)煤層進(jìn)行脆弱性評(píng)價(jià),并利用自然分級(jí)法確定了評(píng)價(jià)區(qū)12-2#煤層底板奧灰含水層突水脆弱性分區(qū)閾值。最后根據(jù)分區(qū)閾值得出煤層底板突水危險(xiǎn)性綜合分區(qū)圖。通過對(duì)變權(quán)分區(qū)模型評(píng)價(jià)結(jié)果的對(duì)比分析,可以看出將多種無量綱化處理方法應(yīng)用到變權(quán)模型,不僅表現(xiàn)出不同無量綱處理方法對(duì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的影響,也體現(xiàn)出了變權(quán)理論對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響;因此,通過對(duì)各種無量綱方法進(jìn)行對(duì)比優(yōu)選,選取最適合評(píng)價(jià)模型的無量綱方法,然后應(yīng)用到變權(quán)分區(qū)模型,才能使最終的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果更加科學(xué)合理。3、對(duì)煤層底板巖體巖石力學(xué)性質(zhì)和水理性質(zhì)影響因素及它們之間的相互耦合作用進(jìn)行了理論分析。煤層底板含(隔)水層是由一系列非連續(xù)節(jié)理和被節(jié)理裂隙所分割的巖石塊體共同組成的地質(zhì)結(jié)構(gòu)體。巖體中包含各種不同尺度、方向各異及性質(zhì)不同的缺陷構(gòu)造,如斷層、陷落柱、孔隙、微裂紋、節(jié)理和裂隙等宏觀的非連續(xù)面,由于這些缺陷的存在一方面改變了巖體的力學(xué)性質(zhì)(彈形模量及強(qiáng)度參數(shù)),另一方面又嚴(yán)重影響巖體的水理性質(zhì)(滲透系數(shù)和孔隙率)。在深部高應(yīng)力下的巖體中的這些缺陷在采掘活動(dòng)前大都處于閉合狀態(tài),一旦進(jìn)行采掘活動(dòng)后破壞了圍巖的原始應(yīng)力狀態(tài),造成應(yīng)力場(chǎng)的重新分布,破壞了采場(chǎng)圍巖一定范圍的穩(wěn)定性,造成圍巖的變形與破壞,同時(shí)造成天然巖體中原生裂隙的擴(kuò)展與新裂隙的產(chǎn)生,使巖體裂隙張開度發(fā)生變化引起滲流通道的變化,進(jìn)而改變滲透系數(shù)和滲透力。而孔隙水壓力的改變就會(huì)引起有效應(yīng)力的變化和裂隙法向及切向應(yīng)力的逐漸增大,顯著地改變裂隙張開度以及新裂隙的產(chǎn)生等,這便形成了復(fù)雜的應(yīng)力和滲流的耦合作用。對(duì)巖體滲流模型的研究促使流-固耦合理論的產(chǎn)生。以terzaghi有效應(yīng)力原理為基礎(chǔ)結(jié)合biot理論,可實(shí)現(xiàn)多孔介質(zhì)雙場(chǎng)耦合;借助裂隙隙寬的變形法則,可實(shí)現(xiàn)裂隙巖體滲流應(yīng)力參數(shù)耦合;通過巖體孔隙變形規(guī)律,也可實(shí)現(xiàn)孔隙型巖體滲流應(yīng)力參數(shù)耦合。4、結(jié)合十四水平地質(zhì)、水文地質(zhì)及開采設(shè)計(jì)等資料建立了十四水平首采區(qū)的煤層底板突水水文地質(zhì)物理概念模型�；诹鞴恬詈侠碚�,利用flac3d數(shù)值模擬軟件內(nèi)嵌的程序語言fish編寫自定義函數(shù)、變量,實(shí)現(xiàn)了材料的彈性模量和滲透系數(shù)隨煤層開采過程中應(yīng)力和水壓的變化而實(shí)時(shí)變化,并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了斷層物質(zhì)為彈塑性介質(zhì)、流變介質(zhì)的彈塑性流固耦合模型和流變流固耦合模型。最后分別應(yīng)用兩模型進(jìn)行模擬計(jì)算,通過對(duì)煤層底板正常地段和構(gòu)造地段不同高度垂直應(yīng)力、垂直位移、最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、孔隙水壓力等參數(shù)的監(jiān)測(cè),得出它們隨煤層開采過程中的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律,模擬結(jié)果表明,彈塑性流固耦合模型可以展現(xiàn)煤層底板(正常地段和構(gòu)造地段)滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、巖體力學(xué)參數(shù)、滲流參數(shù)隨煤層開采過程中的動(dòng)態(tài)規(guī)律,而流變流固耦合模型即可以很好的展現(xiàn)煤層開挖過程中各場(chǎng)、參數(shù)的變化,而且能夠展現(xiàn)在開采結(jié)束后仍有滯后突水的可能,更好的解釋了深部斷裂滯后突水機(jī)理,經(jīng)對(duì)比分析計(jì)算結(jié)果,確定了斷裂破碎帶最危險(xiǎn)滯后突水時(shí)間。5、結(jié)合深部巖體力學(xué)特性質(zhì)、滲透特性,根據(jù)研究區(qū)首采工作面流固耦合模擬計(jì)算結(jié)果、煤層底板奧陶系灰?guī)r含水層的突水主要控制因素分析及底板奧灰突水危險(xiǎn)性綜合分區(qū)結(jié)果,參考華北型煤田煤層底板奧陶系灰?guī)r含水層突水的綜合防治措施與經(jīng)驗(yàn),針對(duì)研究區(qū)提出了對(duì)應(yīng)的綜合防治措施和十四水平開拓工程的安全防護(hù)措施。
【關(guān)鍵詞】：深部開采 底板突水 流固耦合 滯后突水 脆弱性評(píng)價(jià)
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TD745
【目錄】：

• 摘要5-8
• Abstract8-16
• 第一章 引言16-30
• 1.1 選題背景及研究意義16-17
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀17-25
• 1.2.1 國內(nèi)外深部開采研究17-19
• 1.2.2 巖體應(yīng)力—滲流耦合研究19-20
• 1.2.3 煤層底板突水機(jī)理研究20-24
• 1.2.4 煤層底板突水評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)研究24-25
• 1.3 存在問題25-26
• 1.4 研究內(nèi)容、技術(shù)路線26-28
• 1.5 創(chuàng)新點(diǎn)28
• 1.6 本章小結(jié)28-30
• 第二章 研究區(qū)概況30-42
• 2.1 礦井概況30-33
• 2.1.1 礦井開發(fā)情況30
• 2.1.2 礦井生產(chǎn)水平及主要開采煤層30-31
• 2.1.3 礦井排水31
• 2.1.4 礦井位置、交通31-32
• 2.1.5 地形地貌32
• 2.1.6 水文氣象32-33
• 2.1.7 地震33
• 2.2 礦井地質(zhì)及水文地質(zhì)條件分析33-41
• 2.2.1 地質(zhì)條件33-36
• 2.2.2 水文地質(zhì)條件36-41
• 2.3 本章小結(jié)41-42
• 第三章 深部采場(chǎng)煤層底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)42-88
• 3.1 煤層底板突水脆弱性指數(shù)法及其改進(jìn)方法42-47
• 3.1.1 脆弱性指數(shù)法及其特點(diǎn)42
• 3.1.2 變權(quán)理論概述42-44
• 3.1.3 無量綱化方法概述44-46
• 3.1.4 基于無量綱化與變權(quán)理論的煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)方法46-47
• 3.2 煤層底板突水主控因素分析以及主控指標(biāo)專題圖的建立47-54
• 3.2.1 煤層底板突水主控因素分析47-48
• 3.2.2 煤層底板突水主控因素專題圖的建立48-54
• 3.3 煤層底板突水主控指標(biāo)無量綱化及無量綱化專題圖建立54-59
• 3.3.1 煤層底板突水主控指標(biāo)無量綱化55-57
• 3.3.2 煤層底板突水主控指標(biāo)無量綱化專題圖的建立57-59
• 3.4 屬性數(shù)據(jù)庫的建立59
• 3.5 基于傳統(tǒng)常權(quán)的改進(jìn)型煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)59-66
• 3.5.1 層次分析法（AHP）模型設(shè)計(jì)59-62
• 3.5.2 專題圖疊加過程62
• 3.5.3 模型的建立62
• 3.5.4 煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)分區(qū)62-66
• 3.6 基于無量綱化與常權(quán)模型的煤層底板評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比分析66-67
• 3.7 無量綱方法的比較與優(yōu)選67-69
• 3.8 基于變權(quán)理論的改進(jìn)型煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)69-77
• 3.8.1 分區(qū)狀態(tài)變權(quán)向量的構(gòu)建69-70
• 3.8.2 主控因素變權(quán)區(qū)間的確定70-73
• 3.8.3 變權(quán)權(quán)重確定73-74
• 3.8.4 專題圖疊加過程74
• 3.8.5 分區(qū)變權(quán)模型—地理信息系統(tǒng)的脆弱性指數(shù)法模型建立74
• 3.8.6 基于平均化與分區(qū)變權(quán)模型的煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)分區(qū)74-77
• 3.8.7 模型的識(shí)別與檢驗(yàn)77
• 3.9 基于平均化的變權(quán)模型與常權(quán)模型評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比分析77-81
• 3.10 基于不同無量綱化與變權(quán)模型的評(píng)價(jià)結(jié)果與突水系數(shù)對(duì)比分析81-83
• 3.11 基于變權(quán)模型的底板突水脆弱性評(píng)價(jià)與突水系數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比83-86
• 3.11.1 12-283-84
• 3.11.2 變權(quán)模型脆弱性評(píng)價(jià)與突水系數(shù)法評(píng)價(jià)的對(duì)比分析84-86
• 3.12 本章小結(jié)86-88
• 第四章 煤層底板巖體流固耦合理論研究88-100
• 4.1 巖石力學(xué)性質(zhì)88-91
• 4.2 巖石水理性質(zhì)91-94
• 4.3 巖體應(yīng)力滲流耦合特性94-96
• 4.4 巖體的滲流應(yīng)力耦合原理96-98
• 4.5 本章小結(jié)98-100
• 第五章深部采場(chǎng)煤層底板采動(dòng)流固耦合數(shù)值模擬100-132
• 5.1 FLAC~(3D)軟件及模擬流程簡(jiǎn)介100-101
• 5.1.1 FLAC~(3D)軟件簡(jiǎn)介100
• 5.1.2 基本假設(shè)及程序流程設(shè)計(jì)100-101
• 5.2 首采工作面三維流固耦合數(shù)值計(jì)算模型101-103
• 5.3 彈塑性流固耦合數(shù)值模擬103-115
• 5.3.1 彈塑性流固耦合模擬方法103
• 5.3.2 彈塑性流固耦合模擬計(jì)算過程103-104
• 5.3.3 模擬結(jié)果及分析104-115
• 5.4 流變流固耦合數(shù)值模擬115-129
• 5.4.1 流變流固耦合模擬方法115
• 5.4.2 模擬結(jié)果及分析115-129
• 5.5 本章小結(jié)129-132
• 第六章 深部采場(chǎng)煤層底板突水綜合防治技術(shù)措施132-134
• 6.1 綜合措施132
• 6.2 十四水平開拓工程的安全措施132-133
• 6.3 本章小結(jié)133-134
• 第七章 結(jié)論與展望134-136
• 7.1 結(jié)論134-135
• 7.2 展望135-136
• 參考文獻(xiàn)136-148
• 致謝148-150
• 作者簡(jiǎn)介150
• 在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文150
• 在學(xué)期間參加科研項(xiàng)目150

【參考文獻(xiàn)】

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  本文關(guān)鍵詞：趙各莊礦深部煤層底板突水危險(xiǎn)性與斷裂滯后突水評(píng)價(jià)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：300283