礦井采動底板巖體破裂特征與突水過程模擬研究.pdf

1、煤層底板突水過程影響因素多樣，具有突發(fā)性和非線性動力學(xué)特征，為探究礦井采動底板巖體破裂特征，模擬突水通道形成過程，本文以華泰煤礦15301工作面承壓水上開采為背景，綜合采用理論分析、數(shù)值模擬等手段，開展了承壓水上開采底板應(yīng)力分布規(guī)律與破壞特征、裂隙巖體試件全應(yīng)力應(yīng)變滲透性規(guī)律數(shù)值模擬、含斷層構(gòu)造采動底板巖體突水過程數(shù)值模擬及不同傾角斷層對底板突水影響數(shù)值模擬等方面研究，主要研究成果如下：
　　(1)基于彈性力學(xué)理論中半無限彈性體下

2、應(yīng)力傳遞理論，建立了均布載荷、三角形載荷和梯形共六類計(jì)算模型，推導(dǎo)對應(yīng)的垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力、剪切應(yīng)力表達(dá)式，結(jié)合初次來壓和周期來壓特點(diǎn)，建立工作面走向和傾向開采力學(xué)模型，并利用應(yīng)力疊加原理，得到在極坐標(biāo)和直角坐標(biāo)系兩種情況下應(yīng)力表達(dá)式，解得底板任一點(diǎn)的應(yīng)力分量，基于Mathcad軟件做出垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力和剪切應(yīng)力分布圖，結(jié)合Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，得到底板巖體破壞特征。
　　(2)建立了滲透壓力作用下單裂隙試件三軸壓縮和三

3、軸拉伸力學(xué)模型，分析了壓剪和拉剪作用下裂隙試件的斷裂強(qiáng)度，并基于RFPA-Flow軟件，進(jìn)行了分別進(jìn)行了含30°、45°、60°裂紋試件單軸壓縮數(shù)值模擬和含45°裂紋試件三軸壓縮和三軸拉伸數(shù)值模擬，得到了全應(yīng)力應(yīng)變過程中裂紋擴(kuò)展形態(tài)及滲透性變化與孔隙水壓、圍壓等影響因素的關(guān)系，主要結(jié)論如下：①在單軸壓縮過程中，裂紋尖端起裂應(yīng)力與傾角成正比，裂紋傾角越大越難擴(kuò)展，擴(kuò)展形態(tài)均為縱向翼裂紋，且滲透性峰值遲滯于應(yīng)力峰值；②圍壓相同時(shí)，試件軸向滲

4、透性與孔隙水壓成正比，孔隙水壓相同時(shí)，試件軸向滲透性與圍壓成反比；③低圍壓下，裂紋主體以縱向翼裂紋發(fā)展，高圍壓下，裂紋主體以橫向反翼裂紋發(fā)展。
　　(3)分析了煤層底板突水通道類型，構(gòu)建含45°斷層構(gòu)造承壓水上開采數(shù)值模型，模擬了采動底板突水過程，得到了斷層影響下底板破壞規(guī)律及突水路徑，通過所布設(shè)的水平應(yīng)力監(jiān)測線，對采動后底板巖體水平應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，并按水平應(yīng)力特點(diǎn)對底板巖體進(jìn)行分區(qū)，結(jié)合前述結(jié)論分析了采動底板巖體裂紋擴(kuò)展及突水機(jī)理