采动覆岩失稳破坏突水溃砂试验及防治研究.pdf

分类号 TD745 分类号 TD745 密 级 公 开 密 级 公 开 U D C U D C 单位代码 10424 单位代码 10424 学学 位位 论论 文文 采动覆岩失稳破坏突水溃砂试验采动覆岩失稳破坏突水溃砂试验 及防治研究及防治研究 李李 金金 平平 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位 专业名称专业名称安全工程安全工程 指导教师姓名指导教师姓名郭郭 惟惟 嘉嘉 职职 称称教教 授授 副指导教师姓名副指导教师姓名 曹曹 忠忠 职职 称称高高 工工 山 东 科 技 大 学 山 东 科 技 大 学 二零一七年六月二零一七年六月 万方数据 论文题目论文题目 采动覆岩失稳破坏突水溃砂试验采动覆岩失稳破坏突水溃砂试验 及防治研究及防治研究 作者姓名作者姓名 李李 金金 平平 入学时间入学时间 2014 年年 9 月月 专业名称专业名称 安全工程安全工程 研究方向研究方向 灾害预测与防治灾害预测与防治 指导教师指导教师 郭郭 惟惟 嘉嘉 职职 称称 教教 授授 副指导教师副指导教师 曹曹 忠忠 职职 称称 高高 工工 论文提交日期论文提交日期2017 年年 5 月月 论文答辩日期论文答辩日期2017 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期 万方数据 EXPERIMENTAL AND PREVENTION AND CONTROL STUDY ON WATER AND SAND BURSTING OF MINING OVERLAYING STRATA INSTABILITY AND DESTRUCTION A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Li Jinping Supervisor Professor Guo Weijia College of Mining and Safety Engineering June 2017 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经 标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研 究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经 标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研 究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所 撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理。 本人完全了解山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所 撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理。 作为申请学位的条件之一，学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其作为申请学位的条件之一，学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其 指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学 校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆描等复制手段保存和汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆 可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内 师生阅读、浏览。师生阅读、浏览。 （保密的学位论文在解密后适用本授权）（保密的学位论文在解密后适用本授权） 硕士生签名硕士生签名 导师签名导师签名 日日 期期 日日 期期 万方数据 学位论文审查认定书学位论文审查认定书 研究生研究生 在规定的学习年限内， 按照培养方案及个人培养计划， 完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文， 论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关 规定，同意将本论文作为申请学位论文。 在规定的学习年限内， 按照培养方案及个人培养计划， 完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文， 论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关 规定，同意将本论文作为申请学位论文。 导师签名导师签名 日日 期期 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 I 摘摘 要要 随着煤矿开采上限持续提高，受采动影响，上覆含砂量较高松散含水层的 水砂混合物涌人井下工作面，引发矿井财产损失更甚至人员伤亡的事故，具有 重大安全隐患。本文基于研发的试验装备，综合运用理论分析、数值模拟、物 理模拟等方法，以厚松散层薄基岩采动覆岩突水溃砂为工程背景，针对突水溃 砂灾害影响因素及判据，隔水层稳定性力学模型及数值模拟分析，水砂通道形 成后水砂突涌特征，开采引起的突水溃砂防治等进行了相关的研究。论文主要 工作如下 （1）分析总结出覆岩涌水溃砂灾害发生 4 个关键因素分别是物源、动力源、 通道和容纳空间。根据煤层充分采动后地表移动和采场上覆岩层的活动规律， 建立地表最大下沉量和覆岩拉伸变形量与覆岩导水裂隙带之间定量关系，从而 给出导水裂隙带高度的预测方法。 （2）将水砂突涌过程简化为一个装着水砂混合物的存储仓通过排料口向外 排出水砂混合物的过程。通过对水砂通道上方松散砂体成拱进行受力分析，建 立无限长缝隙型孔成拱模型。当不考虑砂体水力学作用时，获得力平衡状态时 水砂通道的极限宽度。当考虑水对砂体的运动作用时，建立考虑水砂耦合作用 的涌水溃砂发生判据。 （3）对综采垮落法顶板单一岩层形成的隔水层和条带充填法顶板隔水层进 行稳定性力学分析，得出关键层破坏临界载荷和导水裂隙带高度计算公式。结 合运河煤矿 7311 工作面工程背景， 用数值模拟软件对隔水层稳定性进行数值模 拟研究，分析对比条带置换充填开采和条带开采时导水裂隙带的发育情况。 （4）基于研制的水砂突涌试验系统进行了不同水压力和不同松散层组分条 件下水砂突涌试验。定量化地研究了水砂运移及突涌信息，获得了含水层底部 水压力变化特性，以及水砂流量与松散层组分、水压力的组合关系。 关键词关键词覆岩垮裂，导水裂隙带，突水溃砂，隔水层，灾害防治 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 II Abstract Along with the continuous increase of the pillars within the upper limit, the unconsolidated aquifer above the overlying strata will be affected by mining, the water and sand mixture with high sand content may inrush the coal mine and lead to property loss or casualties, which poses a serious threat to the safety production of coal mine. Based on the testing system, theoretical analysis, numerical simulation and physical simulation are comprehensively used in this paper. The water and sand inrush across overburden fissures caused by coal mining under thin bed rock and thick alluvium conditions is looked on as engineering background, influence factors and 0 criterions of water and sand inrush disaster, stability mechanics model and numerical simulation analysis of 1 aquifuge, water and sand inrush characteristic after the ation of water sand channel, and prevention and control of water and sand inrush disaster caused by mining are researched relatedly. The main study as follows. 1Four key factors to occurrence of water and sand inrush disaster are summarize, which are provenance, power producer, channel and accommodate space respectively. According to the law of the surface movement and the overlying strata movement of the coal seam after fully mining, the quantitative relationship between the maximum subsidence of ground surface and the tensile deation of overlying strata and the fracture zone of overlying rock is established, and the prediction of the height of 2 water flowing fractured zone conclued. 2The water and sand inrush is looked on as the process of water sand mixture excretion from the discharge port of a storage bin. Based 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 III on the stress analysis of loose sand body arch above the water and sand channel, arch model of the infinitely long crack is established. Without considering the effect of water to sand flow, the limit width of water and sand channel under the equilibrium state of stress is obtained. Considering the effect of water to sand flow, the criterion of water and sand inrush under water and sand coupling effect is established. 3Stability mechanics analysis of the 3 aquifuge ed by single layer of roof under fully mechanized and strip filling roof is done, critical load of the 4 key stratum failure and the ula for calculating the height of water flowing fractured zone are obtained. Geological and mining conditions of 7311 working face in yunhe coal mine is looked on as the engineering background, simulation study on stability of the 5 aquifuge was used by numerical simulation software, and the development of water flowing fractured zone in strip replacement mining and strip mining is analysed and compared. 4Based on the testing system, the water and sand inrush tests with different water pressure and different unconsolidated aquifer component are carried out. The ination of water and sand migration and push is studied quantitatively, the water pressure developing properties at the bottom of the aquifer is obtained, and the relations between water and sand flow and unconsolidated aquifer component and water pressure are also studied. Key words overlying strata caving and fracture, water flowing fractured zone, water and sand inrush, 6 aquifuge , disaster prevention and control 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 IV 目目 录录 摘 要Ⅰ 目 录IV 摘 要Ⅰ 目 录IV 7 1 绪论...................................................1 绪论................................................... 7 1 1 8 1.1 研究的目的和意义 ..................................................................................... 8 1 9 1.2 国内外研究现状 ......................................................................................... 8 2 1 1.3 主要研究内容 ............................................................................................. 8 6 1 1.4 研究方法和技术路线 ................................................................................. 8 7 1 2 采动覆岩突水溃砂影响因素及判据分析....................2 采动覆岩突水溃砂影响因素及判据分析.................... 8 9 9 1 2.1 突水溃砂灾害影响因素 ............................................................................. 8 9 1 2.2 采动覆岩裂隙演化力学分析 ................................................................... 8 14 1 2.3 涌水溃砂发生条件分析 ........................................................................... 8 17 1 2.4 本章小结 ................................................................................................... 8 21 1 3 隔水层稳定性数值模拟研究.............................3 隔水层稳定性数值模拟研究............................. 8 22 22 1 3.1 隔水层稳定性力学模型 ........................................................................... 9 22 1 3.2 基于FLAC3D的隔水层稳定性数值模拟 ................................................ 9 31 2 3.3 数值模拟结果分析 ................................................................................... 9 36 2 3.4 本章小结 ................................................................................................... 9 39 2 4 松散含水层组分对突水溃砂影响试验研究.................4 松散含水层组分对突水溃砂影响试验研究................. 9 41 41 2 4.1 突水溃砂试验系统介绍 ........................................................................... 9 41 2 4.2 试验材料选取及性质分析 ....................................................................... 9 44 2 4.3 突水溃砂试验及实验分析 ....................................................................... 9 51 2 4.4 本章小结 ................................................................................................... 9 65 2 5 开采突水溃砂防治技术及应用...........................5 开采突水溃砂防治技术及应用........................... 9 67 67 2 5.1 留设防水砂安全煤岩柱防治涌水溃砂灾害......................................... 1 67 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 V 2 5.2 充填法开采防治涌水溃砂灾害 ............................................................... 1 69 3 5.3 疏水降压防治涌水溃砂灾害 ................................................................... 1 76 3 5.4 本章小结 ................................................................................................... 1 79 3 6 结论与展望...........................................6 结论与展望........................................... 1 80 80 3 6.1 结论 ........................................................................................................... 1 80 3 6.2 主要创新点 ............................................................................................... 1 81 3 6.3 展望 ........................................................................................................... 1 82 3 致谢....................................................致谢.................................................... 1 83 83 3 攻读硕士期间主要成果....................................攻读硕士期间主要成果.................................... 1 84 84 3 参考文献................................................参考文献................................................ 1 85 85 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 VI Contents 3 1 Introduction.............................................................................................................. 1 1 4 1.1 Research Purposes and Significance ............................................................................. 1 1 4 1.2 Research Status at Home and Abroad............................................................................ 1 2 4 1.3 Main Research Contents................................................................................................ 1 6 4 1.4 Research and Technical Routes........................................................................ 1 7 4 2 Influencing Factors and Criterion Analysis of Water and Sand Inrush in Overlying Strata Caving............................................................................................. 1 9 4 2.1 Influencing Factors of Water and Sand Inrush Disaste.................................................. 1 9 4 2.2 Mechanics Analysis of Fracture Evolution of Mining Overlying Strata ..................... 1 14 4 2.3 Occurrence Condition Analysis of Water and Sand Inrush.......................................... 1 17 4 2.4 Chapter Summary........................................................................................................ 1 21 4 3 Numerical Simulation of 5 Aquifuge Stability .......................................................22 5 3.1 Mechanical Model of Aquifuge...................................................................................22 5 3.2 Numerical Simulation of Aquifuge Based on FLAC3D..............................................31 5 3.3 Analysis of Numerical Simulation Results.................................................................. 1 36 5 3.4 Chapter Summary........................................................................................................ 1 39 5 4 Experimental Study on Loose aquifer composition Impact on Water and Sand Inrush.........................................................................................................................42 5 4.1 Water and Sand Inrush Testing System .......................................................................42 5 4.2 Selection of Test Materials and Analysis of Their Properties......................................45 5 4.3 Water and Sand Inrush Test and Experimental Analysis .............................................52 5 4.4 Chapter Summary........................................................................................................66 6 5 Control Technology and Application of Water and Sand Inrush......................68 6 5.1 Setting Safety Coal and Rock Pillar for the Prevention and Control of Water and Sand Inrush....................................................................................................................................68 6 5.2 Backfill Mining for the Prevention and Control of Water and Sand Inrush............. 1 69 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 VII 6 5.3 Drainage for Decreasing Water Pressure for the Prevention and Control of Water and Sand Inrush...........................................................................................................................78 5.4 Chapter Summary........................................................................................................ 1 79 6 6 Main Research Result and Conclusion.................................................. 1 80 80 6 6.1 Main Research Result...................................................................................... 1 80 6 6.2 Main Creative Results..................................................................................... 1 81 6 6.3 Prospect and 6 deficiency................................................................................... 1 82 6 Acknowledgement.................................................................................... 1 83 83 7 The Main Achievements During the Master Study........................................ 1 84 84 References..................................................................................................................85 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 1 绪论 1 绪论 1.1 研究的目的和意义研究的目的和意义 煤炭在中国扮演者举足轻重的地位，数据显示，2016 年中国煤炭占我国能 源消耗总量