工作面顶板涌水量预测的渗流与应力耦合方法研究

论文摘要

自然界中的渗流现象天然地存在于两种不同的介质中:孔隙介质和裂隙(缝)介质。流体渗流模拟的连续介质方法通常适用于多孔地质体,目前常用的地下水模拟方法均基于地下水是在连续的地质体中流动,这并不一定适用于裂隙岩体;由于裂隙分布及其特征与孔隙差异较大,若流体渗流主要受裂隙的控制,对于一定尺寸的裂隙岩体,多孔介质假设则较难刻划裂隙岩体的渗流特征。当煤层周围赋存有含水层时,巷道的开挖及煤层的开采会造成岩体应力重新分布,特别是煤层被采出之后,其上覆岩层与底板岩层的原始应力平衡状态会遭到破坏,形成垮落带、裂隙带(导水裂隙带)、弯曲整体移动带三个带,将导致岩体的渗透性能发生变化。从水文地质、工程地质、开采扰动、岩体力学等诸多方面入手,研究采动条件下裂隙网络的渗流场及其演变规律,研究顶板冒裂诱发工作面涌水规律及其主要影响因素,对于正确认识由于采动而引起的工作面的涌水机理,评价和预测工作面涌水及其工作面涌水量非常必要。本文分两大部分进行了渗流与应力耦合模型预测工作面顶板涌水量的理论和应用研究。第一部分重点就采动裂隙岩体渗透性及工作面顶板涌水量预测进行了理论分析和数学推导,推导和讨论了裂隙岩体渗透特征,研究了采动应力场,对工作面回采过程中覆岩的垮落过程进行了数值模拟,并对应力场与渗流场的相互关系进行耦合研究。对裂隙岩体中所存在的渗流场与应力场之间的相互影响称为耦合作用,其主要表现在以下两个方面:a、当裂隙岩体中有渗流发生时(即存在渗流场),地下水渗流在裂隙岩体中引起的渗流作用力(包括静水压力和动水压力)将改变岩体中原始存在的应力状态(即裂隙岩体赋存的应力场环境);b、裂隙岩体中应力状态的改变,又将影响岩体结构,进而改变裂隙岩体的渗透性能,表现为裂隙岩体中地下水渗流场的改变。第二部分针对榆阳煤矿2301工作面开采过程中遇到的顶水开采的具体问题,研究了煤层顶板含水层的富水特性及采动覆岩运动破坏规律,预测了采动工作面的涌水量,数值模拟计算和根据经验公式计算得出导水裂隙带高度65m,已经发育到真武洞砂岩含水层内,开采直接沟通该含水层:为防止基岩风化带潜水含水层导入工作面内,需留设的防水安全煤岩柱的高度是111.35m,而煤层顶板距基岩风化带含水层底板距离为163.09m,可以实现安全开采。并通过与实际涌水量进行对比,检验了计算方法的正确性,为矿井安全生产提供了依据。通过理论分析与模拟实验研究,根据采动对上覆岩层的破坏特征尤其是对渗透特征的改变,首次将裂隙带划分为网络裂隙区、方向裂隙区和离层裂隙区;首次提出了考虑多层含水层充水及含水层弹性释水的垮落法工作面涌水量计算公式,计算方法更精确、符合实际。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 国内外研究现状及选题意义
• 1.1 国内外研究现状
• 1.1.1 裂隙岩体渗流研究概况
• 1.1.2 工作面涌水量预测研究现状
• 1.1.3 存在的问题
• 1.2 选题依据
• 1.3 技术路线
• 1.4 主要创新性成果
• 2 裂隙岩体渗透特征
• 2.1 单一裂隙层流渗流特征
• 2.2 一组平行裂隙的层流渗流特征
• 2.3 裂隙岩体渗透性的实验研究
• 3 采动围岩的应力场与应力破坏
• 3.1 围岩应力环境变化规律
• 3.1.1 岩体的原始应力状态
• 3.1.2 采动围岩应力环境变化规律
• 3.2 岩层破裂与应力场
• 3.2.1 直接顶的垮落
• 3.2.2 老顶的垮落
• 3.3 覆岩采动破坏特征及影响因素
• 3.3.1 覆岩采动破坏特征
• 3.3.2 覆岩采动破坏影响因素
• 4 采动诱发覆岩破坏的数值模拟研究
• 4.1 数值模拟的主要内容
• 4.2 岩石破裂过程分析
• 4.3 数值模型建立
• 4.4 数值模拟结果分析
• 4.4.1 覆岩破坏过程分析
• 4.4.2 位移应力场模拟结果分析
• 4.4.3 覆岩破坏结果分析
• 4.5 主要分析成果
• 5 采动裂隙岩体渗流特征
• 5.1 岩体变形—破裂—运动过程
• 5.2 顶板水文地质结构类型及其充水条件
• 5.3 矿井顶板水涌出因素分析
• 5.3.1 顶板水涌出机理
• 5.3.2 工作面涌水的形成因素
• 5.4 采动裂隙岩体渗流特征
• 6 裂隙岩体地下水渗流场与应力场耦合作用研究
• 6.1 岩体中孔隙渗透特征与应力的耦合关系
• 6.2 岩体中裂隙渗透特征与应力的关系
• 6.3 裂隙岩体中应力场对渗流场影响作用的研究
• 6.3.1 应力改变量对裂隙渗透系数 K影响作用的研究
• 6.3.2 应力改变量对裂隙岩体储水系数S影响作用的研究
• 6.4 裂隙岩体中渗流场对应力场影响作用的研究
• 7 采动应力场与渗流场数值模拟分析研究
• 8 顶板冒裂诱发工作面涌水量计算
• 8.1 垮落法
• 8.2 数值法
• 9 工程应用研究
• 9.1 工作面概况
• 9.2 围岩特性
• 9.3 工作面水文地质特征
• 9.3.1 含水层
• 9.3.2 隔水层
• 9.4 工作面顶板覆岩破动与“三带”分布规律分析
• 9.4.1 老顶的初次断裂步距分析
• 9.4.2 老顶的周期断裂步距分析
• 9.4.3 工作面顶板“两带”发育高度计算及防水煤岩柱计算设计
• 9.5 工作面涌水量分析
• 10 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 作者在职攻读博士学位期间发表的论文及科研工作