论文部分内容阅读
矿井水害一直是影响和制约我国煤矿安全生产的重大问题,煤矿底板突水问题多数与断裂构造有关。与大型断层相比,底板隐伏断层分布更广、数量更多、隐蔽性更强且不易探测,往往更容易导致矿井灾难性底板突水事故。本文以采场底板隐伏断层活化突水灾害为研究背景,综合运用理论分析、数值模拟和现场微震监测相结合的方法,对煤层采动引起的底板隔水层损伤破裂演化及隐伏断层活化突水机理展开深入、系统的研究,取得了如下创新性成果:(1)基于经典的线弹性断裂力学理论,建立了采场底板导水隐伏断层活化的力学模型,推导了断层面有效切应力分布的解析解,分析了开采深度、断层上缘距煤层垂直距离、断层倾角、工作面推进方向、工作面支承压力集中程度和含水层水压等因素对底板隐伏断层活化的影响规律,并利用底板隐伏断层上端的应力强度因子,建立了断层压剪活化的力学判据,揭示了采场底板隐伏断层活化的力学机理。(2)将细观颗粒流软件PFC与宏观连续介质有限差分软件FLAC相结合,建立了含隐伏断层采场底板采动破坏的离散-连续耦合分析(PFC/FLAC耦合)数值计算模型,成功地模拟了工作面推进工程中采场底板隐伏断层细观裂隙萌生与扩展演化过程,揭示了断层几何与力学参数、开采煤层厚度以及采空区充填率等关键因素对采场底板隐伏断层活化的影响规律。(3)建立了考虑渗流-应力耦合作用的PFC/FLAC离散-连续耦合数值模型,对采场底板隐伏断层活化突水进行了数值模拟,系统研究了工作面推进过程中承压水在底板断层区域的导升、扩展和突水过程,揭示了断层几何与力学参数、承压含水层水压等对底板隐伏断层突水通道的时空演化进程以及突水危险性的影响规律,为采场底板隐伏断层突水灾害防治提供了参考依据。(4)利用高精度微震监测技术,对某工作面底板隐伏断层活化过程进行了连续、动态地监测,得到了含隐伏断层底板破坏的微震事件时空分布规律。结合本文建立的底板隐伏断层活化突水判据以及PFC/FLAC离散-连续耦合模型,深入研究了采场底板隐伏断层活化规律与突水危险性,理论分析、数值模拟以及微震监测三者结果吻合良好,证明了将本文建立的理论模型与数值方法应用于采场底板隐伏断层突水灾害预测中的有效性,具有良好的工程应用前景。