煤矿区突水系统分析模拟及应用.pdf

第卷第期 年」 岩石力学与工程学报 脚 口 人介 , 心 ” 啥 凡孟理 , 煤矿区突涌水系统分析模拟及应用 尹 尚先 石油大学 中国石汕大然气集团公司物探重点实验室北京 博士学位论文摘要按照系统论 、 控制论 、 信息论的思想方法 , 将开滦范各庄煤矿防治水实践活动所获得的各种信息 , 采用 多源信息采集及关联信息提取处理的二次开发技术 , 总结出突水系统原岩应力 、 应变特征及含水介质富水性规律在此基础 卜 , 一方面 , 围绕揭示突水系统自组织演化过程规律 , 运用力学分析和数值模拟方法 , 提取 、 突出和升华揭示突水机理 、 概 化突水模式的有用信息 , 提出了柱式通道剪 、 拉 、 压复合以剪为主的岩层破坏力学机制 , 并建立了厚壁筒模型及突水理论判 据 , 可以有效预测突水部位及突水与否 , 指导防治工作另一方面 , 为准确模拟预测矿井涌水量 , 采用广义三重介质渗流模 型对范各庄矿井地下水系统进行丁模拟预测 。 总体实现了岩体结构 、 地下水 、 地下工程在突涌水系统中的交叉和统一 。 采动影响下巷道及采面的 犯数值模拟显示 , 柱式构造的存在使底板的应力 、 应变分布极不均匀 , 在采空区煤壁边 缘线 内外 , 底板岩层受升 、 降错动产生的剪应力 、 凸弯曲产生的拉应力和压应力的三重作用 , 当三重复合力学作用超过岩 体强度极限时岩体失稳破坏 。 通过北方煤矿区岩溶陷落柱这种特殊构造形式的深入研究 , 认为适当的岩溶及地质构造是岩溶陷落柱形成的基本要素 。 按岩体结构控制论的观点 , 将煤矿突水划分为陷落柱 、 断层 或破碎带 、 完整结构岩体三种突水模式 。 突涌水条件分析 表明 , 不论岩体结构如何 , 采动矿压和构造如陷落柱存在降低了岩体强度 , 当承压水压力大于关键层的最小主应力时 , 承 压水的渗水软化和压裂扩容作用 , 导致地下水突破其中的关键部位层 , 而形成突水 。 范各庄综采工作面特大突水模型 的建立及突水判别的实际计算表明 ,‘柱体通道’ 突水模式概化准确 ,‘厚壁筒’ 力学模型切实可行 , 突水判据正确 , 且切合 实际 。 多源信息处理同时阐明 , 原岩应力应变控制了介质的富水性规律 , 陷落柱 、 褶皱轴部裂隙带和断裂构造是范各庄矿井地 下水系统补 、 径 、 排的主要控制因素 , 是系统的主裂隙介质 , 而陷落柱作为含水介质的主干裂隙 , 其水文地质特征 、 渗流 量计算等均不同十断裂裂隙或褶皱轴部裂隙 , 概化为另一类主干裂隙介质 。 范各庄矿井地下水系统以煤层底板砂岩介质为主 要目标含水层 , 断层及其伴生构造 、 井口向斜轴部 、 塔蛇向斜轴部 、 号陷落柱为主干裂隙 , 其间为等效裂隙岩块 , 主 干裂隙控水月主十裂隙水流服从水流三次方定律 , 陷落柱等同水流管道 , 裂隙岩块等效多孔渗流介质 , 用水量交换祸合组成 广义三重介质渗流模型 , 该模型充分体现了煤系裂隙含水系统流场的空间特征 , 特别是强径流带和局部非连续渗流特征 。 流 场和模型识别显示 , 范各庄矿井底板砂岩含水层正常裂隙岩块的渗透性及储水性较差 , 矿井水主要来源于构造导通的下部灰 岩含水层以不同矿井 突 涌水量为输入 , 运行系统模型 , 所得的流场形态分析认为 , 三水平煤含水层的正常涌水量 以较为适当 , 最大涌水量不超过 , 矿井正常总涌水量 , 矿井最大总涌水量 。 此外 , 应用突变理论研 究了突水的充分必要条件 、 突变特征和底板稳定性 影响因素 。 关键词突涌 水系统 , 数值模拟 , 陷落柱 , 弱带柱体突水通道 , 厚壁筒模型 , 广义三重介质 , 应力场 一渗流场 祸合模型 , 认叭 人泛正为, , 八 产 , , 计之 年 口收全来稿 。 作者尹尚先简介男 , 年生 , 年月在中国矿业人学 北京校区地质工程专业获博士学位 , 导师是武强教授现任职石油大学 。