煤层底板综合隔水性能及突水危险性预测研究

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论文以蔚州矿区及单侯矿井地质资料为依托,以理论分析、实验室实验、相似模拟、数值模拟和现场验证为综合研究手段,从分析煤层底板突水的影响因素入手,研究煤层底板综合隔水性能和突水危险性预测方法。  首先采用定性和多源信息融合技术定量研究得出,蔚州矿区及单侯矿井底板突水的主控因素是断层构造、隔水层厚度、水压力及含水层富水性;将突水类型概化为完整型底板突水和构造型底板突水两种模式,并以完整型底板突水作为本论文研究的重点。其次通过在实验室开展底板不同岩性岩石全应力应变渗透性实验,获得在同等围压和渗透压力作用条件下岩石渗透率由小到大排列顺序依次为泥岩、粉砂岩、细砂岩、中砂岩和粗砂岩,渗透率峰值主要发生在应变软化阶段,在煤炭开采过程中泥岩是好的隔水岩层。然后基于固流耦合理论的相似模拟实验平台和FLAC3D数值模拟软件,建立不同岩性及其组合结构底板的数值模型,研究了不同岩性组合结构煤层底板在矿压和水压力共同作用下的裂隙演化特征,底板采动破坏深度、承压水导升高度和分布形态,以及导水通道形成和突水的过程,提出承压水固流耦合导升带的概念。并以渗透性实验和模拟研究成果为依据,提出考虑多因素的底板隔水性能的综合评价方法。把煤层底板采动影响岩体自上而下划分为四带,即采动破坏带、有效隔水层保护带、承压水固流耦合导升带、承压水原始导升带,并将四带根据水平方向上应力特点划分为九个区,根据底板岩体采动前后的渗透性划分为三个区,分别为渗透性增强区、渗透性减小区和渗透性不变区。在此基础上,探讨了承压水固流耦合导升带的形成机制,建立基于固流耦合理论的底板有效隔水层厚度突水危险性预测分区的判据。最后将该判据应用于单侯矿井5号煤层开采危险性预测分区上,提出相应的开采技术对策,阐述了带压开采(自然条件下)、疏水降压开采和底板注浆加固改造的适用条件和关键技术。
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