论文题目：邯邢矿区深部开采煤层底板突水规律及灾变模式研究
摘要：随着浅部煤炭资源的长期开发,可采储量愈发短缺,而深部的煤炭资源仍具有巨大的开发潜力,是我国重要的战略储备资源。因此,越来越多的矿井已转入深部下组煤的开采,下组煤开采的水文地质条件越来越复杂,在高地应力和高水压共同作用引起底板隔水岩层的破坏失稳,底板奥陶系灰岩高压水突水威胁日益加重。本文结合邯邢矿区水文地质条件和邢东矿深部工作面的工程实践,运用水文地质学、水文地球化学、弹塑性力学、岩石力学、数值模拟、灰色理论、GIS等理论知识和技术方法,对深部开采煤层底板突水规律和突水灾变模式进行了系统的研究,并针对建立了适用于深部带压开采厚隔水层底板突水危险性评价方法。本文主要取得了以下研究成果:1.全面总结2127、2222、2228深部工作面底板奥灰突水规律,出水量呈现“高位蓄能-峰值突破-逐渐下降”的特征。奥灰水水质由初始的SO4-Na·K型水变化为SO4-Ca型水,初期以K+,Na+离子为主,后期以Ca2+离子为主。该水质变化特征是由于深部岩体破碎强烈,形成面状裂隙,增大了介质的透水能力,由阳离子交替吸附和混合作用导致。2.基于流固耦合理论,运用FLAC3d数值模拟实验研究采动应力场与承压水压力共同作用下煤层底板裂隙扩展、贯通,得到了含裂隙底板岩层的变形破坏规律、应力分布规律和含水层孔隙水压的变化规律。（1）根据底板应力监测点数据可知:在深部开采的条件下,采矿扰动的垂向范围非常大,即使是厚或巨厚隔水层,底板下方整个隔水层岩体依旧处在采矿扰动的范围内,厚隔水层整体三向应力打破原有的平衡,增加了围岩发生变形破坏的可能性,为高承压水沿裂隙扩展向上导升创造条件。（2）孔隙水压力变化规律和机理如下:模型初始孔隙水压值为10.2MPa,随着煤层开挖,孔隙水压力值缓慢增大,达到峰值14.2MPa后瞬间急剧下降至9.3MPa,随后出现增长下降往复交替的变化现象,最终随着推采结束孔隙水压也趋于稳定,稳定在10MPa左右。原因是在煤层开采初期,超前支护压力使工作面底板以下含水层中的孔隙压缩,进而使孔隙介质中的地下水体积压缩,孔隙水压力增大。当煤层开采产生底板隔水岩层中出现裂隙,裂隙的张开、扩展时,此时压缩状态下的地下水沿着裂隙导升,进入新的裂隙空间,瞬间孔隙压力得到释放,孔隙压力值降低。随后出现增长下降往复交替的变化现象是由于底板裂隙的进一步产生,渗透性增大,地下水在新的裂隙空间内体积再次压缩蓄能,导致孔隙水压力逐渐增大,如此周期性波动。3.结合邯邢矿区厚隔水层夹杂薄层灰岩的岩层结构模式和深部“高地应力+高水压”耦合作用下完整底板原生裂隙扩展导升机理建立了深部开采煤层底板突水灾变模式。这种突水模式具有五个方面特征,概括为充水水源的总源递进、充水通道的面状分散、充水强度的台阶增长、充水时间的滞后出水、充水水源水质的交换吸附,即“中转递进、面状分散、台阶增长、滞后出水、交换吸附”深部底板突水水害特征。4.系统分析了煤层底板突水的主控因素,在区间灰色最优聚类理论的基础上,借助GIS空间信息管理和分析功能,建立了适用于深部带压开采厚隔水层底板突水危险性评价方法。运用该评价方法对梧桐庄矿2号煤层和邢东矿2号煤层进行了底板奥灰突水危险性评价,评价结果与工程实际比对的结果显示该评价方法可靠度高。本研究论文共有图84幅,表格24个,参考文献79篇。
关键词：深部开采;底板突水;奥灰水;灾变模式;裂隙扩展;突水评价
学科专业：安全工程（专业学位）
致谢
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.3 研究内容及技术路线
2 研究区域水文地质条件
2.1 邢台矿区水文地质条件
2.2 邢东井田水文地质边界条件
2.3 邢东井田含水层特征
2.4 邢东井田奥灰补给、径流及排泄条件
2.5 本章小结
3 深部开采工作面突水规律
3.1 工作面出水前后涌水量和观测孔水位变化(
3.2 工作面出水水化学特征
3.3 2228工作面突水机理分析
3.4 本章小结
4 井田地下水流场变化规律研究
4.1 水文地质概念模型
4.2 数学模型建立
4.3 地下水流数值模型
4.4 煤炭开采对奥灰含水层流场的影响
4.5 本章小结
5 深部开采煤层底板突水灾变模式
5.1 深部开采底板突水主控因素
5.2 深部开采流固耦合数值模拟
5.3 深部煤层底板突水灾变模式
5.4 本章小结
6 深部开采底板突水危险性评价
6.1 区间灰色最优聚类理论
6.2 深部开采底板突水主控指标体系
6.3 梧桐庄矿底板奥灰突水危险性评价
6.4 邢东矿底板奥灰突水危险性评价
6.5 本章小结
7 结论与展望
7.1 主要结论
7.2 展望
参考文献
作者简历