采煤工作面底板突水数值模拟与探测研究

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随着煤矿开采深度及开采强度不断加大,采煤工作面底板受承压水威胁日益严重,突水类型变得更加复杂。因此,对煤矿底板的富水性探测以及底板突水预测的研究具有非常重要的意义。  论文采用理论分析、数值模拟和物探技术相结合的方法对底板富水性探测和采动底板的应力、破坏以及渗流特征进行了深入的研究,并对底板突水进行预测。  在对底板突水因素和采动底板的应力破坏特征分析的基础上,揭示了底板突水机理。通过对渗流的基本概念、孔隙流体和煤岩体的相互作用、流固耦合基本方程分析,认识了流固耦合机理。根据“下三带”理论,分析底板变形破坏与电阻率响应特征,为地球物理探测研究提供理论基础。通过对矿井瞬变电磁法基本原理的分析,揭示了矿井瞬变电磁法的瞬变电磁场的变化过程。根据“烟圈”理论,推导了烟圈的垂向深度和半径公式,并分析了电磁场与岩层的电性分布情况的关系。通过傅里叶变换方法推导了均匀导电全空间中磁偶极源的二次场的计算公式,总结了矿井瞬变电磁响应特征。根据井下巷道空间较小的特点,介绍了矿井瞬变电磁法工作方法。  利用矿井瞬变电磁法对1106工作面底板的富水性探测,通过数据处理提供拟二维电阻率剖面图和平面切片图,根据成果图对1106工作面的富水性强弱进行了分区,并对水文地质条件进行综合评价,从而圈定富水区的范围,为数值模拟提供依据。根据富水性探测结果抽象出非均布水压模型,考虑影响底板破坏的因素是多方面的,从水压大小,富水区相对于工作面的位置,富水区的大小以及水压作用方式利用FLAC-3D软件对1106工作面底板采动过程中的应力、破坏、渗流特征进行流固耦合数值模拟。然后从不同水压大小、不同富水区位置、不同富水区大小、不同水压作用方式对煤层底板破坏进行了单因素分析。通过经验公式计算和塑性理论确定了底板破坏深度,并与数值模拟结果进行对比,从而确定了底板最大破坏深度。利用surfer成图软件通过叠图的方法,将底板富水性分区投放到工作面实际地质资料中,并根据底板富水性分区以及地质条件布置钻孔,通过出水孔确定了富水区的水量和水压大小。  根据富水区的水量、水压和破坏深度用突水系数法对底板进行突水预测,验证了数值模拟的正确性,并提出有针对性的防治水措施。
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