急倾斜浅煤层群围岩裂隙演化与降雨入渗规律研究

论文摘要

急倾斜或大倾角煤炭储量约占全国煤炭储量的15%-20%左右,急倾斜煤层地质构造和煤层的分布形态等都与近水平煤层有很大的区别,研究急倾斜煤层采动后的裂隙演化规律简单的借用近水平和缓倾斜煤层的理论显然行不通。本文通过现场勘查、实验室试验和数值模拟相结合的研究方法对急倾斜煤层采动后围岩裂隙演化规律和降雨入渗的规律进行深入细致的研究。本论文以北京长沟峪矿区急倾斜煤层群为工程背景,依托课题项目,对矿区现场进行地质构造、水文条件、煤层分布、煤层倾角、大气降雨量和工作面涌水量等实地勘察,并采集岩石样本,进行实验室内岩石力学参数测定,利用折减法估算出矿区岩体节理的参数,并将其应用到数值模拟中。利用离散元数值软件计算煤层采动情况下围岩裂隙演化分布情况和分布规律;研究发现当煤层群进行开采时,受采动的影响,使出露地表的煤层和围岩发生松动,产生大量的采动裂隙,为雨水入渗提供通道,使雨水入渗到采煤工作面和采空区;基于围岩应力和裂隙演化规律的研究,对降雨入渗规律进行了模拟,并计算了采空区和工作面的涌水量,最终揭示雨水入渗的路径。通过对裂隙演化和雨水入渗规律的研究,得出了煤层开采深度在模型+45m水平以下时上部围岩出现阻水机制。对这种阻水机制的存在性进行深入的研究,利用分形理论计算了不同水平的煤层开采时张开、闭合裂隙的分布维数,得出了采深与围岩裂隙闭合率之间是线性递增关系和裂隙闭合率与采空区入渗量之间不对称的曲线关系,研究得到的急倾斜煤层群采动后围岩阻水机制可以为矿区进行合理的水害防治提供理论依据。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 关于急倾斜煤层开采研究现状
• 1.2.2 采动裂隙演化规律的研究现状
• 1.2.3 裂隙渗流规律的研究现状
• 1.3 研究内容及技术路线
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 本文的技术路线
• 2 裂隙岩体渗流及离层机理
• 2.1 裂隙岩体渗流机理研究
• 2.1.1 单裂隙渗流方程
• 2.1.2 一组平行裂隙的的渗流方程
• 2.1.3 裂隙岩体渗流的网络模型
• 2.1.4 裂隙岩体渗透系数与应力的关系
• 2.2 裂隙岩体开采覆岩离层机理研究
• 2.3 本章小节
• 3 岩石物理力学实验
• 3.1 岩石实验室参数测定
• 3.1.1 岩石力学参数测定内容
• 3.2 节理参数估算
• 3.2.1 岩体节理参数估算的机理
• 3.2.2 岩体节理参数估算的公式推导
• 3.2.3 岩体节理参数估算的结果
• 3.3 本章小结
• 4 急倾斜煤层群采动裂隙演化与降雨入渗数值模拟研究
• 4.1 数值模拟计算方法概述与离散元软件（UDEC）简介
• 4.1.1 数值模拟计算方法概述
• 4.1.2 离散元软件（UDEC）基本原理
• 4.2 网格模型的建立及参数
• 4.3 力学模型及边界条件
• 4.4 急倾斜煤层群开采围岩应力与裂隙分布
• 4.4.1 竖直应力与裂隙随开采深度的变化
• 4.4.2 水平应力与裂隙随开采深度的变化
• 4.4.3 围岩裂隙演化应力分析
• 4.5 急倾斜煤层群开采条件下采空区降雨入渗研究
• 4.5.1 降雨入渗条件下采空区涌水量计算
• 4.5.2 采空区围岩裂隙渗流分析
• 4.6 本章小结
• 5 基于分形理论采动裂隙演化及降雨入渗的研究
• 5.1 采动过程中围岩裂隙发育分布
• 5.2 围岩裂隙演化分形维数计算
• 5.3 雨水的入渗量与裂隙闭合率之间的关系
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集