论文摘要
我国许多煤矿不同程度的受底板灰岩含水层的威胁,突水是采矿过程中常常面临的一种严重灾害。因此研究煤层底板在采动影响下的岩层变形破坏特征,是对矿井突水机制及其防治研究的深入和完善,具有重大的理论和现实意义。本文在对数值模拟软件FLAC3D和固液耦合的计算理论和计算方法深入了解的基础上,建立了承压水上采煤三维力学模型。运用数值模拟的方法深入细致地分析了带压开采中煤层底板的应力、位移以及破坏场的分布规律;运用正交试验的方式对底板变形破坏影响较大、易量化的4个因素进行正交试验分析。确定出影响底板破坏深度大小的因素依次是工作面宽度、隔水层厚度、承压水压力和煤层埋深。之后对前三因素进行专门分析,得出了单一因素对底板破坏的影响关系。最后,分析了淮北孙疃煤矿1028工作面具体的水文地质和采矿条件,建立数值模型,分析工程实际。此外,本文还讨论了运用岩体分维值在估计岩体物理力学参数方面的应用。通过本文研究,得出以下主要结论:1、底板岩层的破裂深度随工作面的宽度和工作面开采距离加大而增加,但是这种影响存在上限,当开采范围达到上限后,工作面开采参数对底板破裂深度在宏观上的影响作用开始减弱,甚至相互无关。2、当底板水压力较低时（如为3MPa时）,底板岩层的破裂深度和破裂范围不因隔水层厚度的变化而发生明显的变化;当隔水层厚度较小且底板水压力较大时,除直接底板产生破裂外,隔水层下部岩层也出现大范围的原位张裂,张裂的厚度和范围随着水压力的加大而增加;随着隔水层厚度的增加,直接底板的破裂深度及范围有减小的趋势,同时在隔水层底部的原位张裂的范围也在减小,甚至消失。3、在固液耦合模式下随着水压力的增加,岩体的破坏程度及破坏范围都在逐渐加大,加大的幅度远远大于非耦合的情况。4、理论和计算结果得出分维值Dr和RQD有较好的线性相关,岩石质量指标RQD随着分维值Dr的增大而降低,分维值越大,岩石质量越差。但相同的RQD值,岩芯段的分维数Dr并不完全相同。因此从某种意义上说,分维值Dr比岩石RQD值更能反映岩体的完整性、均匀性等特征。5、运用孙疃煤矿实际的水文工程地质以及采矿条件,模拟1028工作面的开采过程。结果显示,开采过程中底板的最大破坏深度远小于52m的隔水层厚度,不会发生底板突水事故。本文研究表明,运用数值模拟方法,可以较为全面地揭示采动条件下底板岩体的应力场、变形破坏特征与破坏范围、深度,有利于选择、优化设计方案,同时减少试验时间、节省项目经费,提高矿井的经济效益与社会效益。