倾斜煤层底板破坏特征及其阻隔水性能与突水预测

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要存在问题

1.4 主要研究内容

2 倾斜煤层底板破坏特征力学分析

2.1 沿煤层倾斜方向底板应力分布

2.2 沿煤层倾斜方向底板破坏深度

2.3 沿煤层倾斜方向底板破坏形态

2.4 工程应用

2.5 本章小结

3 倾斜煤层底板破坏特征数值分析

3.1 FLAC3D简介与建模原则

3.2 数值计算模型与方案

3.3 沿煤层倾斜方向底板应力分布

3.4 沿煤层倾斜方向底板破坏特征

3.5 埋深对底板应力分布与破坏特征的影响

3.6 本章小结

4 倾斜煤层底板突水力学分析

4.1 倾斜煤层底板隔水关键层力学模型

4.2 倾斜煤层底板隔水关键层力学特性

4.3 倾斜煤层底板隔水关键层失稳力学判据

4.4 工程应用

4.5 本章小结

5 倾斜煤层底板突水数值分析

5.1 流固耦合方程与建模原则

5.2 模拟工程背景与数值计算模型

5.3 沿煤层倾斜方向底板流固耦合破坏特征

5.4 沿煤层倾斜方向底板承压渗透特性

5.5 沿煤层倾斜方向底板易于突水位置

5.6 本章小结

6 倾斜煤层底板阻隔水性能分析

6.1 倾斜煤层底板隔水关键层破断失稳特征

6.2 倾斜煤层底板隔水关键层突水危险区域

6.3 倾斜煤层底板隔水关键层阻隔水性能

6.4 本章小结

7 倾斜煤层底板破坏特征微震监测与突水预测

7.1 倾斜煤层工作面概况

7.2 微震监测原理与方案

7.3 倾斜煤层底板破坏特征微震监测

7.4 倾斜煤层底板突水预测

7.5 本章小结

8 主要结论

8.1 结论

8.2 展望

参考文献2100433B

本书共分8章，第1章论述了研究倾斜煤层底板破坏特征及其阻隔水性能与突水预测对实现承压水上倾斜煤层安全带压开采的必要性和重要性；第2、3章分别从理论和数值计算方面分析了倾斜煤层底板破坏特征；第4、5章分别从理论和数值计算方面分析了倾斜煤层底板突水机理；第6章分析了倾斜煤层底板阻隔水性能；第7章依据倾斜煤层底板破坏特征微震监测结果对倾斜煤层底板突水进行了预测；第8章总结了倾斜煤层底板破坏特征及其阻隔水性能与突水预测方面的研究成果。

本书可供采矿工程、安全工程、地质工程等专业相关工程技术人员阅读，亦可供高等院校、科研机构的采矿工程、安全工程、地质工程等专业的科研人员参考。

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 。

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。

本项目在煤矿底板突水预测理论、方法和煤矿底板突水防治技术研究方面取得了显著成果。（1）煤矿底板突水机理认识 煤矿底板岩体最大破坏深度与开采工作面的开采宽度成正比，与岩体原始应力及岩体抗压强度之比的平方成正比，该破坏深度随开采深度和支承压力的增加而增大，随岩体强度的增加而减小 水流对煤层底板隔水层的作用主要表现为水压力对底板隔水岩层的破坏作用，这种破坏主要以两种形式的力进行（2）煤矿底板突水预测理论 根据协同学原理与方法，建立了煤矿底板子系统相互协作的数学模型 基于突变理论，提出了根据煤矿采动过程中获得的煤层底板应力应变和承压水监测数据，建立单变量序列尖点突变模型，得出煤层底板岩体系统稳定判据的方法（3）理论及方法应用 建立了河北省万年煤矿的三维地质模型 成功预测了河北省峰峰煤田五矿、万年矿等矿的突水问题，进行了煤矿突水危险性评价，为有效防治突水提供了科学依据，避免了突水预测不及时、不准确带来的矿难事故 提出了峰峰煤田底板突水和带压开采防治水措施（4）论文及专著 项目组发表论文20余篇，其中核心期刊11篇，EI检索4篇，出版专著3部（5）成果在五矿、万年煤矿的应用使得新增产值近亿元，社会效益显著（6）成果被国内同行专家评为达到国际先进水平。 2100433B