底板隐伏断层采动突水过程数值模拟研究

论文摘要

矿井水害是影响煤矿生产的重大难题，且绝大多数底板突水都与断层构造有直接的关系，尤其是有小断层、小构造存在时更易造成突水。本文重点围绕完整底板和含隐伏断层底板的煤层开采过程，对采动应力及承压水压力共同作用下底板裂隙演化及渗流突水通道的形成规律进行研究。论文归纳了国内外底板突水研究的主要理论成果，采用“下三带”原理结合Mohr-Coulomb准则及相关公式，简要分析了煤层底板破坏的力学机理。运用RFPA-Flow软件，分别模拟了完整底板和含隐伏小断层底板随煤层开采过程中，采动应力和承压水耦合作用下底板岩层裂隙发展、贯通破坏，突水通道的形成以及整个底板突水的动态发展过程。得到了开采过程中底板岩层变形破坏、裂隙产生发育扩展演化规律、损伤区域的形成演化过程以及水头压力变化及渗流运移过程。应用矿山压力理论，分析了底板岩层损伤-变形-断裂-接触-破坏直至底臌的动态演化过程，底板变形呈现压缩-膨胀-膨胀减小至稳定的变化过程,岩体在煤柱边缘区内最易产生压剪裂隙通道易发生突水事故。本地质特征下底板隐伏断层活化突水有两个阶段：隐伏断层活化阶段和隐伏断层活化区扩展阶段。底板不同位置隐伏断层的裂隙贯通规律存在差异，距采空区越近，越容易发生底板隐伏断层活化突水；随着采空区卸压效果的增加，隐伏断层突水的可能性逐步增大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 底板突水的国内外研究现状
• 1.2.1 底板突水国外研究现状
• 1.2.2 底板突水国内研究现状
• 1.2.3 断层突水的研究
• 1.3 本文的研究内容和方法
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 本文的研究思路和方法
• 1.3.3 研究技术路线
• 第2章 煤矿底板突水类型及影响因素
• 2.1 煤矿底板突水类型划分
• 2.1.1 按突水的位置
• 2.1.2 按水量大小划分
• 2.1.3 按突水的水源划分
• 2.1.4 按突水与断层的关系划分
• 2.1.5 按突水发生部位和突水表现形式
• 2.2 煤矿底板突水影响因素分析
• 2.2.1 地质构造
• 2.2.2 含水层富水性
• 2.2.3 矿山采动压力
• 2.2.4 含水层水压力
• 2.2.5 底板岩体特性
• 2.2.6 底板隔水层的阻抗水能力
• 2.3 断层突水分析
• 2.3.1 断层的基本概念及类型划分
• 2.3.1.1 断层的基本概念
• 2.3.1.2 断层类型的划分
• 2.3.2 断层对突水的影响作用分析
• 2.3.2.1 断层突水的内因分析
• 2.3.2.2 断层突水的外因分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 煤层底板破坏机理分析
• 3.1 “下三带”理论概述
• 3.2 完整底板条件下突水的力学机制分析
• 3.3 有断层存在条件下底板突水的力学机制分析
• 3.3.1 断层倾角对底板承载能力的影响
• 3.3.2 防水煤柱对底板承压能力的影响
• 3.3.3 断层力学参数对底板隔水层承压能力的影响
• 3.3.4 隔水层厚度对底板岩层承压能力的影响
• 3.4 算例验证
• 3.5 本章小结
• 第4章 底板采动裂隙分布和渗流规律数值模拟研究
• 4.1 RFPA 系统简介
• 4.1.1 RFPA 数值试验的基本原理
• 4.1.2 煤岩体非均匀性在数值模型中的体现
• 4.1.3 基元损伤本构关系及破坏准则
• 4.1.4 煤岩体渗流数值模拟原理
• 4.2 底板采动裂隙分布和突水规律数值模拟
• 4.2.1 矿井基本地质资料
• 4.2.2 模型建立及参数选择
• 4.2.3 数值模拟结果分析
• 4.2.3.1 底板变形破坏及采动裂隙发育变化规律
• 4.2.3.2 底板应力变化规律
• 4.2.3.3 底板变形和位移变化规律
• 4.2.3.4 水头压力变化及渗流规律
• 4.3 底板隐伏断层活化突水数值模拟
• 4.4 结论和讨论
• 第5章 结论和展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 作者硕士期间发表的论文及参与科研工程项目
• 致谢