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《煤炭科学研究总院》 2009年
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工作面顶板涌水量预测的渗流与应力耦合方法研究

张壮路  
【摘要】: 自然界中的渗流现象天然地存在于两种不同的介质中:孔隙介质和裂隙(缝)介质。流体渗流模拟的连续介质方法通常适用于多孔地质体,目前常用的地下水模拟方法均基于地下水是在连续的地质体中流动,这并不一定适用于裂隙岩体;由于裂隙分布及其特征与孔隙差异较大,若流体渗流主要受裂隙的控制,对于一定尺寸的裂隙岩体,多孔介质假设则较难刻划裂隙岩体的渗流特征。 当煤层周围赋存有含水层时,巷道的开挖及煤层的开采会造成岩体应力重新分布,特别是煤层被采出之后,其上覆岩层与底板岩层的原始应力平衡状态会遭到破坏,形成垮落带、裂隙带(导水裂隙带)、弯曲整体移动带三个带,将导致岩体的渗透性能发生变化。从水文地质、工程地质、开采扰动、岩体力学等诸多方面入手,研究采动条件下裂隙网络的渗流场及其演变规律,研究顶板冒裂诱发工作面涌水规律及其主要影响因素,对于正确认识由于采动而引起的工作面的涌水机理,评价和预测工作面涌水及其工作面涌水量非常必要。本文分两大部分进行了渗流与应力耦合模型预测工作面顶板涌水量的理论和应用研究。 第一部分重点就采动裂隙岩体渗透性及工作面顶板涌水量预测进行了理论分析和数学推导,推导和讨论了裂隙岩体渗透特征,研究了采动应力场,对工作面回采过程中覆岩的垮落过程进行了数值模拟,并对应力场与渗流场的相互关系进行耦合研究。对裂隙岩体中所存在的渗流场与应力场之间的相互影响称为耦合作用,其主要表现在以下两个方面:a、当裂隙岩体中有渗流发生时(即存在渗流场),地下水渗流在裂隙岩体中引起的渗流作用力(包括静水压力和动水压力)将改变岩体中原始存在的应力状态(即裂隙岩体赋存的应力场环境);b、裂隙岩体中应力状态的改变,又将影响岩体结构,进而改变裂隙岩体的渗透性能,表现为裂隙岩体中地下水渗流场的改变。 第二部分针对榆阳煤矿2301工作面开采过程中遇到的顶水开采的具体问题,研究了煤层顶板含水层的富水特性及采动覆岩运动破坏规律,预测了采动工作面的涌水量,数值模拟计算和根据经验公式计算得出导水裂隙带高度65m,已经发育到真武洞砂岩含水层内,开采直接沟通该含水层:为防止基岩风化带潜水含水层导入工作面内,需留设的防水安全煤岩柱的高度是111.35m,而煤层顶板距基岩风化带含水层底板距离为163.09m,可以实现安全开采。并通过与实际涌水量进行对比,检验了计算方法的正确性,为矿井安全生产提供了依据。 通过理论分析与模拟实验研究,根据采动对上覆岩层的破坏特征尤其是对渗透特征的改变,首次将裂隙带划分为网络裂隙区、方向裂隙区和离层裂隙区;首次提出了考虑多层含水层充水及含水层弹性释水的垮落法工作面涌水量计算公式,计算方法更精确、符合实际。
【学位授予单位】:煤炭科学研究总院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:P641.2

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