高承压底板突水灾变演化过程的多源异构信息识别

本课题在开展典型矿区实地调研的基础上，总结提出了具有代表性的三种底板高承压开采条件下的水文地质结构模式；在此基础上，开展了底板高承压开采条件下底板采动裂隙形成及演化过程的室内数值模拟、现场实测，建立了若干可测、有效信息源的监测方案，通过对前兆信息的监测与有效性分析，开展了室内高承压底板突水模拟试验三台，进一步对采动通道形成、演化过程直至突水事故发生的整个灾变过程的包括底板应力场、水动力场等方面的若干有效前兆信息进行了监测，获取了若干具有代表性的有效突水前兆监测信息源。在此基础上，结合大型突水案例资料，确定了有关矿井突水渗流场、力学场、地球物理场以及水化学场的突水前兆监测信息的综合等级，提出了矿井突水的单因素、多因素综合监测预警的识别模型以及矿井突水水源的快速识别、定量构成判别模型。

本申请课题以高承压水上采煤的特殊开采条件为例，重点研究底板突水的灾变演化过程中多源异构前兆信息的识别、融合、预警方法。本课题将采用物理模拟、数值模拟等手段，结合现场实测数据，基于多传感器获取典型突水事故及突水模拟试验中的若干可测前兆信息；利用反分析法，通过参数筛选、优化及反演，建立基于参数优选和矫正方法的突水灾变演化与多源信息的渐进式关联准则；基于D-S证据理论和BP神经网络技术，提出多源异构突水前兆信息的综合识别模型、融合方案、判别准则及预警方法。研究成果可为高承压底板突水的临突监测预报及有效控制提供理论依据。

承压强含水层上采煤的底板突水事故是具有颇高水压的底板含水突发性地穿越了位于开采煤层与含水层之间的隔水岩层，并进入开采空间所造成的突水事故。此种突水是一种复杂的地质、开采现象，既有地质、构造的原因，也有开采工作的原因。分析表明，造成底板突水的原因与含水层上方原始导升带的高度，开采形成的底板裂隙带深度以及两带之间隔水岩层的抵抗下部承压水水压破坏的能力紧密相关。原始导升带和底板裂隙带的岩体已失去隔水性能，若开采空间通过该两带直接导通了承压水体，或者虽未直接导通，但在承压水水压的作用下，介于该两带之间的隔水保护层将遭到破坏，进而发展成为导通承压水的岩体，则开采空间将发生突水事故。

涌水量在短期内突然成倍剧增的现象称为突水。通常按突水时涌水的主要水源，将突水划分为断层、地表、底板、陷落柱和采空区积水等五类。我国为底板突水事故多发性的国家。据统计，底板突水事故约占我国各类突水事故总次数的1/4，并且这类突水往往造成重大的灾害性损失。

底板突水又常按其突水的峰值流量、动态表现形式等进行分类。按突水的峰值流量可将突水事故分为特大型、大型、中型和小型突水，其峰值流量分别为大于50m³/min，20-49m³/min，5-19m³/min和小于5m³/min。据统计，我国发生的突水淹井事故约有85%以上的事故源于大型和特大型突水事故。峰值流量的大小反映了水源的富水程度、水压高低和突水通道的畅通程度。一般，直接由奥灰或由奥灰补给的含水层所形成的底板突水具备有富水和水压高的特点，大多为大型或特大型突水。因此，底板突水对矿井安全生产的威胁很大，常需特殊加以重视。

按底板突水的地点可分为掘进巷道突水和采煤工作面突水两类。前者的突水地点发生在开掘于煤层中的准备巷道，后者则发生在采煤工作面附近且多系因受到采动影响而发生底板突水。统计资料表明：这两类突水方式的突水次数约各占一半左右。应当指出：这两类突水的机理有所差别，由于防止发生采煤工作面突水所需的隔水层厚度更大，并且这类突水事故大多为大型或特大型突水事故，它们对安全生产的威胁也更大。所以一般应特别重视防治采煤工作面底板突水。

按照底板突水的动态表现形式又可分为爆发型、缓冲型和滞后型三类。爆发型突水多直接发生于采掘工作地点附近，并且一旦发生突水，其突水量在瞬间即达到峰值流量，然后，突水量逐渐减少和趋于稳定。这种突水的来势很猛，水中常夹有岩块碎屑，有很强的冲击力，危害最大。缓冲型突水也多发生在采掘工作地点附近，其突水量则经历由小到大逐渐增长的过程，往往要在突水后数小时、数日甚至数月才增长到最大流量，所以其突水的来势较缓，冲击力也较弱。滞后型突水一般是在采掘工作面推进了相当距离以后才在巷道或采空区中发生突水，其滞后发生突水时间可长达数日、数月甚至数年，突水量的增长也可急可缓。突水动态表现形式的差别反映了隔水层破坏方式的不同。隔水岩层（岩柱）因其拉、剪应力超限而突然破坏时大多形成爆发型突水；而缓冲型突水则往往是隔水层因渗流速度超限而逐渐破坏了隔水能力所形成的，至于滞后型突水则又往往与矿压的叠加影响有着密切的联系。不同的动态表现形式反映了不同的突水原因，需分别针对问题所在，采用不同的防治措施 。

1 绪论

1.1 概述

1.2 国内外研究现状及存在问题

1.2.1 底板突水机理研究现状

1.2.2 底板构造突水机理研究现状

1.2.3 缺陷岩体力学特征研究现状

1.2.4 存在问题及研究展望

1.3 相关研究方向简介

2 底板裂隙区域性特征及构造突水灾变模式

2.1 底板采动岩体区域性裂隙渗流耦合机制

2.1.1 底板岩体区域性划分

2.1.2 区域性岩体裂隙演化特征分析

2.1.3 区域性岩体渗流耦合特征分析

2.2 底板构造突水灾变模式及判据

2.2.1 地质缺陷概述

2.2.2 构造突水灾变模式建立

2.2.3 构造突水判据确定

3 缺陷岩体单轴压缩强弱部分协同失稳特征

3.1 缺陷岩体失稳过程加速协同破坏机制

3.1.1 缺陷岩体加速协同破坏特征

3.1.2 失稳过程加速协同作用分区特性

3.2 宏观尺寸缺陷岩体协同破坏特征

3.2.1 预制缺陷红砂岩制作及试验设计

3.2.2 预制缺陷红砂岩破坏特征分析

3.2.3 预制缺陷红砂岩亚失稳阶段分区特性

3.2.4 缺陷影响下岩体完整部分应变变化分析

3.2.5 缺陷红砂岩失稳过程声发射特征分析

3.3 组合体强弱部分加速协同破坏特征分析

3.3.1 缺陷组合体试件制作及试验方案设计

3.3.2 缺陷组合体破坏形式分析

3.3.3 失稳过程中单元体间应力作用特征

3.3.4 失稳过程中单元体应变释放特征

3.3.5 不同组合岩体亚失稳阶段分区特性

3.4 构造失稳致突过程简析

3.4.1 失稳阶段加速协同过程物理场信息分析

3.4.2 开采构造失稳致突水过程初步探讨

4 大尺寸缺陷类岩石双向加载裂纹扩展及失稳信息分析

4.1 类岩石材料制作及力学性能测试

4.1.1 类岩石试样材料选择及其相关性质

4.1.2 类岩石试样基本力学性能测试

4.1.3 大尺寸含缺陷类岩石试件制作及试验方案设计

4.2 大尺寸含缺陷类岩石裂纹一应力一声发射特征分析

4.2.1 不同尺寸构造试样破坏形式

4.2.2 类岩石试样表面裂纹传播及应力变化规律

4.2.3 类岩石试样声发射一应力监测结果分析

4.3 采场断层协同破坏实例应用分析

4.3.1 模拟工程背景及断层失稳模型设计

4.3.2 无采场断层模型实验结果分析

4.3.3 有采场断层模型实验结果分析

5 裂纹扩展致通水通道形成数值模拟及案例分析

5.1 FRACOD2D基本理论

5.1.1 F准则

5.1.2 裂纹水力耦合(F-H)

5.2 耦合状态裂纹传播及流体流动过程模拟

5.2.1 模拟参数确定及方案设计

5.2.2 原生裂纹流体流动特征模拟

5.2.3 缺陷岩体裂纹网流体流动路径模拟

5.2.4 含水裂纹起裂一扩展一贯通模拟

5.3 煤矿开采构造突水数值模拟分析

5.3.1 突水矿井水文地质条件

5.3.2 FRACOD软件验证及构造突水模型建立

5.3.3 数值模拟结果及分析

6 底板构造突水物理模拟试验及监测方法

6.1 物理模拟试验系统及固流耦合模拟材料选择

6.1.1 采动煤层底板突水相似模拟试验系统

6.1.2 非亲水型固流耦合相似模拟材料

6.2 底板缺陷裂隙扩展型突水通道形成模拟

6.2.1 底板缺陷裂隙突水模型建立

6.2.2 底板突水通道形成过程分析

6.2.3 底板应力变化特征分析

6.2.4 孔隙水压变化特征分析

6.3 隐伏构造滑剪型突水通道形成模拟

6.3.1 隐伏构造滑剪型突水模型建立

6.3.2 隐伏构造突水通道形成过程分析

6.3.3 底板应力变化特征分析

6.3.4 隐伏构造围岩应力变化特征分析

6.4 构造导通型突水通道形成模拟

6.4.1 构造导通型突水模型建立

6.4.2 导通断层裂隙演化特征及应力变化分析

6.4.3 导通断层突水通道形成过程分析

6.5 “一防一测一注”缺陷构造突水精确防治措施

6.5.1 防隔水煤(岩)柱留设

6.5.2 缺陷构造失稳监测预警方法

6.5.3 缺陷构造注浆加固方法

参考文献 2100433B