两盘工作面依次回采诱发断层活化规律及应用研究.pdf

分类号分类号 TD745 密密 级级 公公 开开 U D C 单位代码单位代码 10424 学学 位位 论论 文文 两盘工作面依次回采诱发断层活化两盘工作面依次回采诱发断层活化 规律规律及及应用研究应用研究 李凯李凯 申请学位级别申请学位级别 硕士学位硕士学位 专业专业名名称称 矿业工程矿业工程 指导教师姓名指导教师姓名 张张 培培 森森 职职 称称 副副 教教 授授 副指导教师姓名副指导教师姓名 吴吴 俊俊 松松 职职 称称高级工程师高级工程师 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二二零零一七年一七年六六月月 万方数据 论文题目论文题目 两盘工作面依次回采诱发断层活化规律及两盘工作面依次回采诱发断层活化规律及 应用研究应用研究 基金支持国家自然基金“深部采动场效应诱导下非导水断层活化突水致灾机 理基础研究” （No51379119） 国家自然基金“深部采动诱发非导水断层活化突水的不确定性分析 及风险评估模型研究” （No51509149） 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室开放基金“深部煤层 开采诱发非导水断层活化突水致灾的机理与控制技术研究” （No JYBSYS2014106） 作者姓名作者姓名 李李 凯凯 入学时间入学时间 2014 年年 9 月月 专业名称专业名称 矿业工程矿业工程 研究方向研究方向矿山矿山灾害预测与防治灾害预测与防治 指导教师指导教师 张张 培培 森森 职职 称称 副副 教教 授授 副副指导教师指导教师吴吴 俊俊 松松 职职 称称 高高 级级 工工 程程 师师 论文提交日期论文提交日期2017 年年 4 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2017 年年 6 月月 万方数据 STUDY ON DISCIPLINARYAND APPLY OF FAULT ACTIVATION INDUCED BY SEQUENTIAL MINING IN TWO WORKING FACE A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Li Kai SupervisorProfessor Zhang Peisen 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。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。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，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、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，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，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。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 近年来由于我国煤炭资源开采强度的不断加大，浅部煤炭资源日趋减少， 煤炭的开采逐步由浅部开采转向深部开采，而深部煤层所赋存的地质条件大都 较为复杂，开采难度较大，开采面临的问题较多，在水文地质条件较为发育的 地区容易引发矿井突水，据相关资料统计，绝大多数的矿井突水事故都与断层 有关，工作面回采诱发断层活化，活化后的断层与采动产生的裂隙贯通从而形 成导水通道，引发矿井突水。本文通过理论分析、相似材料试验模拟、数值模 拟计算、现场试验监测等方法，系统地研究了断层两盘工作面依次回采过程中 断层活化的机理及活化特性，为断层防水煤柱的合理留设提供理论依据。本文 主要研究内容及主要研究成果如下 （1）从断层带的力学性质及水文地质特征出发，分析了断层带突水的影响 因素，建立了断层突水的力学模型，研究了断层的隔水性能及活化机理。 （2）根据五沟煤矿实际地质资料，运用相似材料模拟试验的方法，对断层 下盘和上盘工作面依次回采诱发断层活化进行研究，得出了断层附近煤层顶、 底板及断层带的应力演化规律、断层两盘工作面覆岩的塑性破坏特征及采动影 响下断层的活化规律。 （3）采用 3D Flac5.0 数值模拟软件，对断层落差、含水层水压、断层倾角 等多种工况下F2断层下盘和上盘工作面的依次回采及对活化后断层的注浆效果 进行数值模拟研究，研究在不同含水层水压、不同断层落差及不同断层倾角条 件下，断层下盘和上盘工作面依次回采过程中覆岩应力及塑性破坏特征、断层 活化及渗流特征， 研究得出了不同影响因素条件下断层的活化规律及渗流特征。 （4）运用现场试验的方法，对 1033 工作面开采过程中产生的超前支承压 力进行研究，研究得出了超前支承压力的显现位置、峰值位置及影响范围，对 判断断层防水保护煤柱留设尺寸的合理性提供依据。 关键词关键词断层活化，相似模拟，数值模拟，现场监测 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 II Abstract In recent years, due to the strength of our countrys coal resources exploitation is increasing continuously, reduce the shallow coal resources, coal mining gradually from shallow mining to deep mining, and deep geological conditions of coal seam occurrence are complex, mining difficult,mining problems more and more development in hydrogeological conditions the area can easily lead to water inrush. According to statistics,water inrush accident is most related with faults, mining induced activation of faults, and the floor mining induced fissure ation water channel,this is an important cause of mine water inrush. In this paper, through theoretical analysis、similar material simulation、 numerical simulation、field test monitoring and other , research on the system two working face mining in the fault mechanism of fault activation induced by fault activation pattern and flow characteristics, for reasonable width of coal pillar design and provide a theoretical basis. In this paper, the main research contents and achievements are as follows 1 Based on the mechanical properties and hydrogeological characteristics of the fault zone, this paper analyzes the influencing factors of the water inrush from the fault zone, establishes the mechanical model of the fault water inrush, and studies the water isolation and activation mechanism of the fault. 2 According to the Wugou coal mine geological data, using the of similar material simulation experiment, the footwall and hanging wall working face in mining induced by fault activation of the plastic activation law under the influence of mining fault and failure characteristics of coal seam roof and floor near the fault and fault zone stress evolution, fault two the overlying rock. 3 Using 3D Flac5.0 numerical simulation softwarein the different fault throw thickness conditions, aquifer pressure, fault dip, F2 fault footwall and hanging wall mining working face are simulated, research in different aquifer pressure, different fault throw and different fault dip 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 III conditions, fault footwall and hanging wall working face in rock in the process of recovery should be stress and plastic failure characteristics, fault activation and seepage characteristics, studied the activation regularity and flow characteristics under the condition of different influence factors of fault. 4 Using field test monitoring, in the 1033 working face mining advanced abutment pressure generated in the process of research, peak position、 apparent position and influence range of the advanced abutment pressure are obtained, provide the basis for judging the rationality of fault waterproof coal pillar size. Keywords Fault activation, Numerical simulation,Analog simulation, Field monitoring 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 IV 目目 录录 摘摘 要要 .................................................................................................. I I 目目 录录 ................................................................................................ ⅣⅣ 1 1 绪论绪论 .................................................................................................. 1 1 1.1 研究背景及意义 ................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................... 2 1.3 国内外相关研究存在的问题 ............................................................................... 9 1.4 研究内容及创新点 ............................................................................................. 10 1.5 研究技术路线 ..................................................................................................... 11 2 2 断层带的力学性质及活化突水机理研断层带的力学性质及活化突水机理研究究 ...................................... 1212 2.1 断层带的力学分类及水文地质特征分类 ......................................................... 12 2.2 断层带突水的影响因素 ..................................................................................... 14 2.3 断层突水力学模型及其机理分析 ..................................................................... 16 2.4 本章小结 ............................................................................................................. 19 3 3 采动诱发断层活化相似材料模拟试验研究采动诱发断层活化相似材料模拟试验研究 .................................. 2020 3.1 F2 断层地质条件概况 ......................................................................................... 20 3.2 试验目的 ............................................................................................................. 22 3.3 试验理论依据 ..................................................................................................... 22 3.4 试验设备及试验设计 ......................................................................................... 23 3.5 试验模型制作 ..................................................................................................... 27 3.6 试验结果分析 ..................................................................................................... 30 3.7 本章小结 ............................................................................................................. 40 4 4 采动诱发断层活化的数值模拟研究采动诱发断层活化的数值模拟研究 ............................................ 4242 4.1 模型的建立 ......................................................................................................... 42 4.2 计算参数 ............................................................................................................. 45 4.3 研究内容与计算方案 ......................................................................................... 46 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 V 4.4 计算结果分析 ..................................................................................................... 47 4.5 本章小结 ............................................................................................................. 85 5 5 基于断层活化规律的煤柱应力现场监测研究基于断层活化规律的煤柱应力现场监测研究 .............................. 8888 5.1 研究目的 ............................................................................................................. 88 5.2 监测方案的设计与布置 ..................................................................................... 88 5.3 现场监测结果分析 ............................................................................................. 91 5.4 本章小结 ............................................................................................................. 93 6 6 结论与展望结论与展望 .................................................................................... 9494 6.1 结论 ..................................................................................................................... 94 6.2 展望 ..................................................................................................................... 95 参考文献参考文献 ............................................................................................ 9797 致谢致谢 .................................................................................................. 10103 3 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果 ................................................................. . 104104 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 VI Contents Abstract .............................................................................................. ⅠⅠ Contents .............................................................................................. ⅣⅣ 1 Introduction ........................................................................................ 1 1 1.1 Research background and significance ........................................................................... 1 1.2 Current research situation at home and abroad ................................................................ 2 1.3 Existing problem and deficiency of the relevant research at home and abroad ..................... 9 1.4 Research on contents and innovation ........................................................................... 10 1.5 Research on technique course ..................................................................................... 11 2 Fault water mechanical properties and the mechanism of water .............. 1212 2.1 Mechanical classification of fault and classification of hydrogeological characteristics ...... 12 2.2 Influence factors of water inrush from fault .................................................................. 14 2.3 Hydraulic model of fault and its mechanism analysis ..................................................... 16 2.4 Brief summary ........................................................................................................................ 19 3 Researsh on simulation of mining induced fault activation ...................... 2020 3.1 Researsh on survey of geological conditions of the region .............................................. 20 3.2 Experiment objective .............................................................................................................. 22 3.3 Theory of experiment .............................................................................................................. 22 3.4 Experiment equipment andexperiment design ........................................................................ 23 3.5 Experiment model making ...................................................................................................... 27 3.6 Analysis of experiment results ................................................................................................ 30 3.7 Brief summary ........................................................................................................................ 40 4 Numerical simulation of fault activation induced by mining .................... 4242 4.1 Establishment of the model ..................................................................................................... 42 4.2 Parameters calculation ............................................................................................................ 45 4.3 Content and calculation scheme of the research ..................................................................... 46 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 VII 4.4 Analysis of calculated result .................................................................................................... 47 4.5 Brief summary ......................................................................................................................... 85 5 Field monitoring of coal column stress based on activation law of fault ...... 8888 5.1Research objective .................................................................................................................... 88 5.2 Design and layout of monitoring scheme ................................................................................ 88 5.3 Analysis of field monitoring results......................................................................................... 91 5.4 Brief summary ......................................................................................................................... 93 6 Conclusions and prospects ....................................................................................94 6.1 Conclusions .........