煤矿底板突水机理分析及数值模拟研究.pdf

分类号密级 U D C 学位论文煤矿底板突水机理分析及数值模拟研究本文的研究得到如下课题资助国家重点基础研究发展计划973 计划项目 2007C B 209405 国家自然科学基金项目50674025 ， 50874024 ， 1087204 6 教育部新世纪优秀人才基金N C E 下05一 0290 ，N C E T-O6一 029 1 教育部重点科技项目 107033 博士点基金20080 14 50003 作者姓名指导教师申请学位级别学科专业名称论文提交日期学位授予日期评阅人杨利明杨天鸿教授东北大学资源与土木工程学院硕士学科类别采矿工程 2009 年 6 月论文答辩日期 2009 年 7 月答辩委员会主席未乃狡 .未宁刚工学 2009 年 6 月 26 日滚付甲土东北大学 2009 年 6 月 AD isse r ta tio ninMin in gE n g in e e r in g An a ly sis o f me e h a n ism a n d stu d y o f n u me r ic a l Simu la tio n o n C 0 8 lmin e fl 0 0 r Wa te r in r u sh Byya n g L im in g S u P e rv iso r P r o fe sso r Yan g Ti a n h o n g N o rth ea stern U n iv ersity J u n e 2 0 0 9 东北大学硕士学位论文摘要煤矿底板突水机理分析及数值模拟研究摘要长期以来，煤矿水害给国家和人民带来了巨大的经济损失和人员伤亡，突水是采矿过程中常常面临的一种严重灾害。随着煤矿开采方式，开采深度和工作面开采空间尺度的变化，突水灾害日益严重。开展矿井突水机理基础理论研究，有效遏制矿井突水事故的发生，保障煤矿安全生产，是目前煤矿工业需要解决的问题。本文首先对煤矿底板突水问题的分类方法及其突水一般机理进行分析总结，然后利用 R FPA ZD一 Flow 数值计算系统，着重从岩石细观力学的角度，充分考虑岩石的非均匀性和破坏过程的渗流一损伤祸合作用，结合开滦范各庄煤矿现场的工程水文地质资料，对 12 煤的底板突水问题进行数值模拟研究。数值模拟分为完整底板突水及断层影响下的底板突水两种情况进行，研究水压驱动下的岩体损伤破坏全过程，从变形、应力、水压、流量等不同角度分析煤矿底板的突水机理。在对完整底板突水的数值模拟中考虑了含水层不同水压力对底板突水的影响，得到了与实际相近的临界突水系数 ; 在对断层影响下的底板突水的数值模拟中，采用了有限元强度折减法，得到了断层不同倾角条件下底板的临界失稳强度和安全系数，探讨了断层倾角与底板突水的关系。数值模拟再现了采动条件下岩体损伤破坏直至突水的动态演化过程，以直观的图像动力学方式展现了裂隙萌生、扩展乃至贯通断裂为导水通道的全过程，得到了比较符合实际的结果，为煤矿突水机理的研究提供一些基础性依据。关键词煤矿突水 ; 渗流一损伤藕合 ; R FPA ZD; 数值模拟 ; 机理分析东北大学硕士学位论文A b stra e t 劫吻 s i s o f m e c h 田五 s ma n d st ud y o f n l田 n enca l sin lu lat i o n o n co 滋m in e 且o or w at 巴诅 m sh A b str a c t T he disaster of w ater ineoalm ineh as lon g b eenbri ngin g hu ge econo mi e loss and P erso nn el ea su alty to o u r e o u n try an d P e o P le . T h e w ater inr ush 15 a serio u s d isa ster w h ich fae es frequ en tly in the m in in g P ro ee ss. A lo n g w ith the ch an g e o f the w ay， th e d eP th an d the w o rk i n g fa ce cr i ter i o n in eo al mi nin g ，the d isaster o f w ater 15 mo re an d mo re ser i ou s. D ev elo P in g th e stud y o f me ch an ism o n min e w ater i脚sh ，eo nia in in g the o e eur r en e e o f w ater inr ush ae eid en ts eff e etiv ely， an d en s丽n g eo a lm in e safety in P ro d u etio n ， 15 the eur r en t qu estio n which the e o alm in e in d u stry n e ed s to so lv e . A t fi rst，Th is P ap er an alyz ed to su ln l们ar i z e the cla ssific atio n metho d s an d e o mmo n me ch an ism o f the c o al min e flo o r w ater inr ush q u e sti o n s， then u se d伍 e”队ZD 一 F 一 o w nu mer i cal ealcu l u s system ，em 户 asized in the rock m esom eeh an i es’w ay， eonsidered fully w ith th e h eter eg en eity o f ro ek an d the flo w 一 d amag e e o uP lin g fun etio n in the failur e P ro c e ss， eom bined w ith the engineer i ng h州 rology geologieal data on the site of the K ailu an F an G ezhu an g eo alm in e ，resear c h ed the qu e stio n ab o ut N o .12 co alm in e flo o r w ater inr ush b y n umerie al sim u latio n . Th e n u rn er i e a l sim u latio n d iv id e d in to the c o m P lete flo o r w ater inr ush an d flo o r w ater i娜sh in elu d in g th e fau lt in fl u en c e ， re se arch ed the entire P ro e e ss o f ro ek mass fr o m d am ag e to d estro y un d er h y drau lic P re ssur e a ct uat i o n ，an d an alyz e d th e meeh an ism o f eo alm in e fl o o r w ater inr ush fro m d ifl 七ren t w ays ，su ch a s d isto rtio n ，stress， h y dran lie Pr e ssur e， fl o w an d 50 o n . In the n u rn er i eal simulatio n o f eo m P lete flo o r w ater inr ush this P ap er eonsidered the infl u enee to fl oor w ater inr u sh about aquifer w ith diff e reni h州 raulie Pressure， o b tain ed the eritiea l w ater inr ush eo eff i eien t w h ich 15 elo se w ith the aetual v a lu e ; Wh ile in the n u m er i eal sim u latio n o f the flo o r w ater inr ush in elu d in g th e fau lt in fl u en e e ，u sed th e fi n ite elem en t stren gth redu etio n m et h o d ，o b tain ed the fl o o r eritieal b u ek lin g stren gth an d safety eoeff ieien t in the difl 七 ren t in clination angles eondition ，discussed the relation s of fault inclination angle w ith fl oor w ater inr u sh . T h e nu merie al sim u latio n reap P e are d the d 户 am ie ev o lu tio n ary P ro ee ss o f th e ro ck ma ss d amag e to d estroy u n til the w ater inr ush in the eo n d itio n o f m in in g ，sh o w ed o ut the el ltire 111 东北大学硕士学位论文 A b stra et Proeess of the fractU r e sProut， exPansion even ru n through to a w ater ehan nel， ob tained the resu lts in a eeo rd an e e w ith a etua l e a se，p ro v id ed so me fou n d atio n al b ase s for research for the Co alm in e w ater in ru sh me ch an ism. 枪州o r d s c o a lmin e w a ter inr ush ; se eP ag e 一 d amag e eo 叩 lin g ”伙ZD nu m币 e al sim u latio n me ch an ism an a ly sis IV 东北大学硕士学位论文目录目录独创性声明二， . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ，， . . . . . ， . . . . . . . . . ， . . . . . ， . . . . . I 摘要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ，， . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . n A b stra ct. . .. . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . n l 第 1 章绪论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 引言 ..................................................， .....................................................................， 1 1 . 2国内外研究现状 .......................‘ ...................， ............................................. .’. ... 1 1. 2 .1 理论研究 ............................................................................................................. 1 1. 2. 2力学数值模型 ................................................................................ . 8 1.3论文研究内容及方法 ............................................ 9 1. 3.1 主要研究内容 ........................， ............................................. . ..... 一9 1. 3 . 2研究方法 ........................................................................................................... 10 第 2 章煤矿底板突水机理及数值计算系统简介 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . n 2 .1 突水类型划分方法 ...........， ........， .............， ......................... ， n 2. 2正常底板突水机理 ..................................................................................... ....... 13 2 . 2 .1 底板破坏区计算 ....................................................................................... 13 2. 2. 2完整隔水带临界厚度计算及突水条件 ........................................................... 13 2. 2. 3 近水平煤层底板岩体破坏带分布形态及突水部位 ....................................... 巧 2. 3断层突水机理 ..................................， .................................................................... 17 2. 3.1 断层的基本概念及类型 ...， ......................................................................... 17 2. 3. 2断层特征与突水的关系 ................................................................................... 18 2 . 3. 3断层突水机理 ........................， ................................................... . . . 20 2. 4数值计算系统简介 ..........................， .....................， .......................... . 21 2 . 4 .1 基本假设 ...........................................................................................................21 2. 4 . 2基本方程 ......................................................................................................‘ .22 2 . 4 . 3渗流一损伤祸合方程 ..............， .............................. 23 2， 5小结 .....................................................， ............， ........................， .............， .26 第 3 章煤矿底板突水数值模拟研究 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 东北大学硕士学位论文目录 3.1 范各庄煤矿概述 .... ... .. .... ................ .. ... ............. ............ ... .. ....... .. ... . 27 3.1.1 突水特征分析， .............................................................................. ..... . 27 3.1. 2突水地质条件分析 ......... .. ................ ... .. ............. . 27 3 . 2建立数值模型 .............................................................................................. ， ... 28 3. 3 数值模拟计算结果分析 ............. ... ............. ... .. ............... .......... ......... . .. 29 3. 4 12 煤底板其他工况突水数值模拟研究 ..................................................................... 35 3. 4.1 12 煤底板含水砂岩水压 1.7M Pa .....................................................................35 3. 4 . 2 12 煤底板含水砂岩水压 3M P a ..................................、 ............................... 38 3.5小结 .......................， ..........................................................， .............................. 4 0 第 4 章断层突水数值模拟研究 . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4 .1 建立数值模型 .............................................................................................................41 4.2 R FPA安全系数的定义 ........................................................... ， 42 4. 3数值模拟计算结果分析 ........................................... .... 42 4. 3.1 断层影响下的底板损伤演化规律 ...................................................................42 4. 3. 2断层影响下的底板应力变化规律 .........，， .， ..， ....， .， .， ..，，， ......， 43 4 . 4断层倾角对底板突水的影响 .....................................................................................49 4 . 5小结 ............................................................................................................................. 50 第 5 章结论与展望 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 5.1 结论 ............................................................................................................................. 51 5. 2展望 ............................................................................................................................. 51 参考文献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 致谢 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 东北大学硕士学位论文第 1 章绪论第 1 章绪论 11己 1. 当 l一 1 Jll二刁采矿活动必然造成地下岩体应力的重新分布和岩体的破裂损伤，这种损伤极大地改变了围岩的渗透性，从而导致了顶板、断层带或底板突水并造成安全事故，为矿井生产的五大灾害之一 [’ 一 3]。据统计，60 矿井事故与地下水作用有关，尤其是在我国华北型煤矿区石碳一二叠纪煤层的开采受到底板奥陶系强岩溶含水层的威胁阵川，自1956年到 1999 年，底板突水发生达 1386 次，其中淹井 200 余次，造成十几个亿的巨大经济损失，人员伤亡千余人。2005 年 8 月 7 日，广东大兴煤矿发生特大突水事故，遇难人员达 123 人。在金属矿开采方面，突水突泥灾害也日益严重，如我国埋藏最深、储量最大的铜矿冬瓜山铜矿，在 1994 年 9 月 30 日掘进至井底标高一 gO0m时发生突水，瞬时涌水量达 1285m 3爪第 1 小时，涌水压力高达 7一 SM P a，7 天淹没深度达到 637 m水平，这在国内乃至国际均属少见。金属矿山在露天转地下开采过程中，过渡层 “ 突涌突冒” 灾害是威胁其顺利过渡开采的主要因素 [‘ 2]。此外，在深埋长大隧道开挖过程中，突水灾害问题也十分突出【 ’ 3， ’ 4]，一直是隧道地质灾害及超前预报的主要内容之一。随着矿山开采深度的增加，水压不断增大，深部开采的水害问题日益严重，有些矿井因为底板水的威胁而不能开采。目前全国 600 余处国有重点煤矿中受水害威胁的矿井达 285 处，占 47 .5 ，受水害威胁的储量达 250 亿吨。因此，开展采动条件下岩体突水机制及监测预测预报研究，对于采动岩体突水预测与防治、开采方法的改进、安全度的评价具有重大理论意义和实际价值，该问题的研究和瓦斯灾害一起列为国家基金指南中优先资助的研究方向。 1. 2国内外研究现状 1. 2.1 理论研究煤矿突水问题在东欧的匈牙利、波兰、南斯拉夫、俄罗斯等国家也大量存在，特别是匈牙利，其灰岩强含水层对煤矿的威胁程度不亚于我国。 40 年代匈牙利的韦格弗伦斯第一次提出底板相对隔水层的概念，认为煤层底板突水和底板隔水层厚度及水压力有关。他提出了相对系数的概念即隔水层厚度与水压力之比，并以 1.5而 atm 为突水判据。东北大学硕士学位论文第 1 章绪论 40 年代至 50 年代，以静水力学理论为基础研究了煤层底板在承压水作用下的破坏机制。其代表性成果是苏联学者 B. 斯列萨列夫将煤层底板视作两端固定的承受均布载荷作用的梁并结合强度理论推导出底板理论安全水压值的计算公式，即岛 2凡 hZ/L2 厂 hl一 l 式中 P 。底板所能承受的理论安全水压值，M P a 凡隔水层的抗张强度，M P“ h 底板隔水层厚度，m ; L 工作面最大控顶距或巷道宽度，m ; r 底板隔水层平均容

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