《深井采動底板損傷破裂與高承壓突水災變演化機理》是依託山東科技大學，由劉偉韜擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：深井采動底板損傷破裂與高承壓突水災變演化機理
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：劉偉韜
- 依託單位：山東科技大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
隨著開採深度的不斷增加，深部煤層開採過程中由於采動礦壓導致的高承壓水突出問題是礦井安全生產的重大隱患。課題以煤層底板及高承壓含水層為研究對象，依託大荷載與底板水壓共同作用下塊狀岩體裂隙損傷演化機械模擬實驗系統及高水壓岩石應力-滲流耦合真三軸試驗系統實驗平台，採用理論分析、現場測試、室內試驗、數值模擬等多種方法，對采動條件下高水壓、高圍岩應力多場作用下的動力學過程、突水機理、岩層破壞失穩及高承壓水突出災變演化機理進行系統研究，主要包括：⑴采動條件下應力場、滲流場耦合特徵及其對突水的作用機制，采動過程中底板水突出的動力學機理；⑵開採導致的岩體性狀變化、底板損傷破裂、采動裂隙擴展與突水通道演化機理；⑶底板岩層破壞失穩過程、破壞形式及其與突水的時效關係。解決上述相關基礎科學問題，研究采動底板損傷破裂過程，揭示高承壓突水災變演化機理，為預防深井突水災害的發生奠定理論基礎。
結題摘要
深部煤層開採過程中，由於采動礦壓導致的高承壓水突出問題是礦井安全生產的重大隱患，課題採用理論分析、現場實測、室內實驗、數值模擬等方法，對深部岩體采動應力場與高承壓水滲流場耦合作用特徵、底板岩體破壞失穩時間效應及破壞過程、深部采動裂隙發育、底板損傷與突水通道演化機理和底板高承壓水突水動力學機理等內容進行了系統研究。取得的成果主要有：（1）通過含裂紋真實岩石試件斷裂模式的力學試驗和模擬，得到初始裂紋斷裂具有明顯的應力降現象，其翼裂紋起裂擴展角為68°~73°，反翼裂紋起裂角為-119°~-125°，裂紋斷裂具有明顯的圍壓效應；（2）基於半無限彈性體下應力傳遞理論，建立承壓水上受力模型，得到底板岩體內任一點的應力表達式和空間分布形態，並結合莫爾-庫倫準則，研究了岩體理論破壞深度與特徵，與現場實測所得結果吻合；（3）基於斷裂力學理論和RFPA數值模擬，探究了裂隙岩體斷裂強度和擴展規律，在壓剪狀態下，隨裂隙水壓的增加，分叉現象出現的時間變短，岩體破壞失穩的時間加快。不同水壓岩體破壞模式呈縱向劈裂破壞模式，即翼裂紋逐漸擴展到試件上下邊界，導致失穩破壞；在拉剪狀態下，裂隙擴展斷裂演化過程相似，但岩體失穩破壞模式基本一致，呈“一”字型；（4）承壓水沿斷層帶導升高度有明顯的時間效應，隨著時間的推移，導升高度不斷增加，直至趨於穩定。受斷層影響上盤岩層的位移量偏小，下盤岩層的位移量偏大，在斷層附近煤層頂板塑性區高度約為采高的4～6倍，底板塑性區高度約為采高的3～4倍；（5）基於正交實驗設計，經過物理試驗測試和相關回歸分析，得到隔水層相似材料的最優配比，實現了底板突水的相似材料模擬。 課題研究取得的成果，對於揭示深部開採礦井突水動力學機理，建立和完善深部煤層安全開採防治技術體系，提出不同採礦條件下底板水突出危險區域預測指標體系，改革採煤方法，形成大采深、高地應力條件下深部礦井受水威脅煤層安全開採的模式及工程技術參數具有重要意義。
