高承壓底板突水災變演化過程的多源異構(gòu)信息識別結(jié)題摘要

本課題在開展典型礦區(qū)實地調(diào)研的基礎上，總結(jié)提出了具有代表性的三種底板高承壓開采條件下的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模式；在此基礎上，開展了底板高承壓開采條件下底板采動裂隙形成及演化過程的室內(nèi)數(shù)值模擬、現(xiàn)場實測，建立了若干可測、有效信息源的監(jiān)測方案，通過對前兆信息的監(jiān)測與有效性分析，開展了室內(nèi)高承壓底板突水模擬試驗三臺，進一步對采動通道形成、演化過程直至突水事故發(fā)生的整個災變過程的包括底板應力場、水動力場等方面的若干有效前兆信息進行了監(jiān)測，獲取了若干具有代表性的有效突水前兆監(jiān)測信息源。在此基礎上，結(jié)合大型突水案例資料，確定了有關礦井突水滲流場、力學場、地球物理場以及水化學場的突水前兆監(jiān)測信息的綜合等級，提出了礦井突水的單因素、多因素綜合監(jiān)測預警的識別模型以及礦井突水水源的快速識別、定量構(gòu)成判別模型。

本申請課題以高承壓水上采煤的特殊開采條件為例，重點研究底板突水的災變演化過程中多源異構(gòu)前兆信息的識別、融合、預警方法。本課題將采用物理模擬、數(shù)值模擬等手段，結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，基于多傳感器獲取典型突水事故及突水模擬試驗中的若干可測前兆信息；利用反分析法，通過參數(shù)篩選、優(yōu)化及反演，建立基于參數(shù)優(yōu)選和矯正方法的突水災變演化與多源信息的漸進式關聯(lián)準則；基于D-S證據(jù)理論和BP神經(jīng)網(wǎng)絡技術，提出多源異構(gòu)突水前兆信息的綜合識別模型、融合方案、判別準則及預警方法。研究成果可為高承壓底板突水的臨突監(jiān)測預報及有效控制提供理論依據(jù)。

承壓強含水層上采煤的底板突水事故是具有頗高水壓的底板含水突發(fā)性地穿越了位于開采煤層與含水層之間的隔水巖層，并進入開采空間所造成的突水事故。此種突水是一種復雜的地質(zhì)、開采現(xiàn)象，既有地質(zhì)、構(gòu)造的原因，也有開采工作的原因。分析表明，造成底板突水的原因與含水層上方原始導升帶的高度，開采形成的底板裂隙帶深度以及兩帶之間隔水巖層的抵抗下部承壓水水壓破壞的能力緊密相關。原始導升帶和底板裂隙帶的巖體已失去隔水性能，若開采空間通過該兩帶直接導通了承壓水體，或者雖未直接導通，但在承壓水水壓的作用下，介于該兩帶之間的隔水保護層將遭到破壞，進而發(fā)展成為導通承壓水的巖體，則開采空間將發(fā)生突水事故。

涌水量在短期內(nèi)突然成倍劇增的現(xiàn)象稱為突水。通常按突水時涌水的主要水源，將突水劃分為斷層、地表、底板、陷落柱和采空區(qū)積水等五類。我國為底板突水事故多發(fā)性的國家。據(jù)統(tǒng)計，底板突水事故約占我國各類突水事故總次數(shù)的1/4，并且這類突水往往造成重大的災害性損失。

底板突水又常按其突水的峰值流量、動態(tài)表現(xiàn)形式等進行分類。按突水的峰值流量可將突水事故分為特大型、大型、中型和小型突水，其峰值流量分別為大于50m3/min，20-49m3/min，5-19m3/min和小于5m3/min。據(jù)統(tǒng)計，我國發(fā)生的突水淹井事故約有85%以上的事故源于大型和特大型突水事故。峰值流量的大小反映了水源的富水程度、水壓高低和突水通道的暢通程度。一般，直接由奧灰或由奧灰補給的含水層所形成的底板突水具備有富水和水壓高的特點，大多為大型或特大型突水。因此，底板突水對礦井安全生產(chǎn)的威脅很大，常需特殊加以重視。

按底板突水的地點可分為掘進巷道突水和采煤工作面突水兩類。前者的突水地點發(fā)生在開掘于煤層中的準備巷道，后者則發(fā)生在采煤工作面附近且多系因受到采動影響而發(fā)生底板突水。統(tǒng)計資料表明：這兩類突水方式的突水次數(shù)約各占一半左右。應當指出：這兩類突水的機理有所差別，由于防止發(fā)生采煤工作面突水所需的隔水層厚度更大，并且這類突水事故大多為大型或特大型突水事故，它們對安全生產(chǎn)的威脅也更大。所以一般應特別重視防治采煤工作面底板突水。

按照底板突水的動態(tài)表現(xiàn)形式又可分為爆發(fā)型、緩沖型和滯后型三類。爆發(fā)型突水多直接發(fā)生于采掘工作地點附近，并且一旦發(fā)生突水，其突水量在瞬間即達到峰值流量，然后，突水量逐漸減少和趨于穩(wěn)定。這種突水的來勢很猛，水中常夾有巖塊碎屑，有很強的沖擊力，危害最大。緩沖型突水也多發(fā)生在采掘工作地點附近，其突水量則經(jīng)歷由小到大逐漸增長的過程，往往要在突水后數(shù)小時、數(shù)日甚至數(shù)月才增長到最大流量，所以其突水的來勢較緩，沖擊力也較弱。滯后型突水一般是在采掘工作面推進了相當距離以后才在巷道或采空區(qū)中發(fā)生突水，其滯后發(fā)生突水時間可長達數(shù)日、數(shù)月甚至數(shù)年，突水量的增長也可急可緩。突水動態(tài)表現(xiàn)形式的差別反映了隔水層破壞方式的不同。隔水巖層（巖柱）因其拉、剪應力超限而突然破壞時大多形成爆發(fā)型突水；而緩沖型突水則往往是隔水層因滲流速度超限而逐漸破壞了隔水能力所形成的，至于滯后型突水則又往往與礦壓的疊加影響有著密切的聯(lián)系。不同的動態(tài)表現(xiàn)形式反映了不同的突水原因，需分別針對問題所在，采用不同的防治措施 。

1 緒論

1.1 概述

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在問題

1.2.1 底板突水機理研究現(xiàn)狀

1.2.2 底板構(gòu)造突水機理研究現(xiàn)狀

1.2.3 缺陷巖體力學特征研究現(xiàn)狀

1.2.4 存在問題及研究展望

1.3 相關研究方向簡介

2 底板裂隙區(qū)域性特征及構(gòu)造突水災變模式

2.1 底板采動巖體區(qū)域性裂隙滲流耦合機制

2.1.1 底板巖體區(qū)域性劃分

2.1.2 區(qū)域性巖體裂隙演化特征分析

2.1.3 區(qū)域性巖體滲流耦合特征分析

2.2 底板構(gòu)造突水災變模式及判據(jù)

2.2.1 地質(zhì)缺陷概述

2.2.2 構(gòu)造突水災變模式建立

2.2.3 構(gòu)造突水判據(jù)確定

3 缺陷巖體單軸壓縮強弱部分協(xié)同失穩(wěn)特征

3.1 缺陷巖體失穩(wěn)過程加速協(xié)同破壞機制

3.1.1 缺陷巖體加速協(xié)同破壞特征

3.1.2 失穩(wěn)過程加速協(xié)同作用分區(qū)特性

3.2 宏觀尺寸缺陷巖體協(xié)同破壞特征

3.2.1 預制缺陷紅砂巖制作及試驗設計

3.2.2 預制缺陷紅砂巖破壞特征分析

3.2.3 預制缺陷紅砂巖亞失穩(wěn)階段分區(qū)特性

3.2.4 缺陷影響下巖體完整部分應變變化分析

3.2.5 缺陷紅砂巖失穩(wěn)過程聲發(fā)射特征分析

3.3 組合體強弱部分加速協(xié)同破壞特征分析

3.3.1 缺陷組合體試件制作及試驗方案設計

3.3.2 缺陷組合體破壞形式分析

3.3.3 失穩(wěn)過程中單元體間應力作用特征

3.3.4 失穩(wěn)過程中單元體應變釋放特征

3.3.5 不同組合巖體亞失穩(wěn)階段分區(qū)特性

3.4 構(gòu)造失穩(wěn)致突過程簡析

3.4.1 失穩(wěn)階段加速協(xié)同過程物理場信息分析

3.4.2 開采構(gòu)造失穩(wěn)致突水過程初步探討

4 大尺寸缺陷類巖石雙向加載裂紋擴展及失穩(wěn)信息分析

4.1 類巖石材料制作及力學性能測試

4.1.1 類巖石試樣材料選擇及其相關性質(zhì)

4.1.2 類巖石試樣基本力學性能測試

4.1.3 大尺寸含缺陷類巖石試件制作及試驗方案設計

4.2 大尺寸含缺陷類巖石裂紋一應力一聲發(fā)射特征分析

4.2.1 不同尺寸構(gòu)造試樣破壞形式

4.2.2 類巖石試樣表面裂紋傳播及應力變化規(guī)律

4.2.3 類巖石試樣聲發(fā)射一應力監(jiān)測結(jié)果分析

4.3 采場斷層協(xié)同破壞實例應用分析

4.3.1 模擬工程背景及斷層失穩(wěn)模型設計

4.3.2 無采場斷層模型實驗結(jié)果分析

4.3.3 有采場斷層模型實驗結(jié)果分析

5 裂紋擴展致通水通道形成數(shù)值模擬及案例分析

5.1 FRACOD2D基本理論

5.1.1 F準則

5.1.2 裂紋水力耦合(F-H)

5.2 耦合狀態(tài)裂紋傳播及流體流動過程模擬

5.2.1 模擬參數(shù)確定及方案設計

5.2.2 原生裂紋流體流動特征模擬

5.2.3 缺陷巖體裂紋網(wǎng)流體流動路徑模擬

5.2.4 含水裂紋起裂一擴展一貫通模擬

5.3 煤礦開采構(gòu)造突水數(shù)值模擬分析

5.3.1 突水礦井水文地質(zhì)條件

5.3.2 FRACOD軟件驗證及構(gòu)造突水模型建立

5.3.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

6 底板構(gòu)造突水物理模擬試驗及監(jiān)測方法

6.1 物理模擬試驗系統(tǒng)及固流耦合模擬材料選擇

6.1.1 采動煤層底板突水相似模擬試驗系統(tǒng)

6.1.2 非親水型固流耦合相似模擬材料

6.2 底板缺陷裂隙擴展型突水通道形成模擬

6.2.1 底板缺陷裂隙突水模型建立

6.2.2 底板突水通道形成過程分析

6.2.3 底板應力變化特征分析

6.2.4 孔隙水壓變化特征分析

6.3 隱伏構(gòu)造滑剪型突水通道形成模擬

6.3.1 隱伏構(gòu)造滑剪型突水模型建立

6.3.2 隱伏構(gòu)造突水通道形成過程分析

6.3.3 底板應力變化特征分析

6.3.4 隱伏構(gòu)造圍巖應力變化特征分析

6.4 構(gòu)造導通型突水通道形成模擬

6.4.1 構(gòu)造導通型突水模型建立

6.4.2 導通斷層裂隙演化特征及應力變化分析

6.4.3 導通斷層突水通道形成過程分析

6.5 “一防一測一注”缺陷構(gòu)造突水精確防治措施

6.5.1 防隔水煤(巖)柱留設

6.5.2 缺陷構(gòu)造失穩(wěn)監(jiān)測預警方法

6.5.3 缺陷構(gòu)造注漿加固方法

參考文獻 2100433B