在采動應力場和滲流場耦合影響下防水煤柱時效性研究

《在采動應力場和滲流場耦合影響下防水煤柱時效性研究》是依託中國礦業大學，由楊真擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：在采動應力場和滲流場耦合影響下防水煤柱時效性研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：楊真
• 依託單位：中國礦業大學

項目摘要

在國內煤礦企業資源整合之後，未知採空區、小窯對整合後煤礦安全生產的威脅逐步凸顯出來。之前包括現在使用的煤礦採空區防水煤柱留設主要是根據《煤礦防治水規定》，而規定只考慮了煤厚、水頭壓力、煤的抗拉強度和安全係數作為防水煤柱留設的依據，忽略了時間尺度對防水煤柱有效性的影響。現場實測顯示，防水煤柱的有效寬度隨著時間逐漸縮小，這一現象會在小窯破壞區內形成一定的水力聯繫，忽略這一現象也會對煤礦安全生產造成隱患。目前，國內外對防水煤柱的研究主要停留在過去的經驗公式和滲流場方面數值模擬，沒有考慮長時間采動應力場的反覆作用下造成的破壞。因此，需要從采動應力場和滲流場（多物理場）耦合作用下，研究防水煤柱的時效性，並結合現場實測資料校驗，建立基於時效性的防水煤柱設計準則。這一研究成果為資源整合後期煤礦安全生產提供指導，同時，也對改進現在使用的《煤礦防治水規定》中關於防水煤（岩）柱留設依據有著積極的意義。

結題摘要

2012年度完成了調研、專題論證、各種信息資料收集，詳細研究的技術方案的制定;研究了多物理場（采動裂隙場和滲流場）耦合下礦山采動岩體滲流自然電場回響機理，建立了采動過程中頂板圍岩水滲流和自然電位回響關係模型。2013年度基於上述模型進行了系統的室內實驗。2013年12月-2014年4月在中煤甘莊煤業有限公司進行現場試驗，分析了煤礦采空水的橫嚮導通特徵。2015年1月-2015年2月在同煤東勝色連煤礦進行現場試驗，分析了采動過程中礦井水的垂嚮導通特徵及滲流規律。 在理論方面，由於無法獲得理想的煤柱時效性實現條件，採用實驗室模擬，建立了采動過程中頂板圍岩水滲流和自然電位回響關係模型，來代替之前的防水煤柱寬度和時間之間的關係。以自然電場對采動裂隙場和滲流場的回響規律的把握為基礎，以自然電場對兩場共存狀態的表征——即對采動岩體滲流的回響規律的揭示為關鍵，開展了三場之間（自然電場-裂隙場-滲流場）問題的研究，建立了整個物理模擬的思路框架。進行了3類12項系統的室內實驗，研究了岩體損傷過程、水的滲流交叉演變過程中自然電場的回響規律，由此實現自然電場對采動條件下岩體滲流系統演變過程的表征能力的發掘，為礦井水滲流災變預警提供了方法。 同時分析了礦井采空水橫嚮導通特徵與采動過程中礦井水的垂嚮導通特徵及滲流規律。研究了採空區、小窯破壞區在礦山壓力作用下的裂隙發育形態，基於中煤甘莊煤業有限公司工作面頂板異常突水的預測、防治等問題，通過整理、總結、分析前人研究成果，結合數值模擬分析裂隙形態，作為分析導水通道的理論依據，並通過現場試驗分析了煤礦采空水的橫嚮導通特徵，指導現場在選定的積水區域內放下近20萬方采空水。分析了采動過程中覆岩破壞的力學結構形態及礦井垂嚮導水裂隙的發育規律及與發育高度，結合岩層移動角，對導水裂隙發育的範圍及高度進行理論分析和計算，並通過現場試驗，得出煤礦工作面采動過程中礦井水垂嚮導通及滲流規律：采動導水裂隙發育不是起於煤壁處，而是超前於工作面；采動過程中工作面上覆含水層的水會隨著導水裂隙迅速往下運移，而後趨於穩定；根據含水層位置及垂向滲流規律可以判斷采動礦井水垂嚮導通高度及規律。 取得的成果為發表相關論文6篇，其中被SCI檢索1篇，EI檢索4篇，已獲得授權的發明專利2項， 1項發明專利處於實質審查階段。