采动作用下岩溶陷落柱突水机理的试验研究

煤矿突水是影响矿井安全生产的重大灾害之一，特别是由于地质构造如断层和岩溶陷落柱引起的矿井突水占到了80%，其中岩溶陷落柱广泛分布于华北煤田，因此，开展采动作用下岩溶陷落柱突水机理的试验研究对矿井安全生产具有重要意义。本项目拟采用试验研究与理论分析的方法，针对采动作用下岩溶陷落柱突水特点及目前主要采用理论分析和数值模拟研究该问题存在的缺陷，研制陷落柱突水试验系统和突水模拟试验材料，进行陷落柱突水的相似模拟试验，研究垮落物岩性、充填胶结程度、阻水段厚度等参量对陷落柱导水影响规律，揭示采动作用下陷落柱裂隙场、应力场、位移场、渗流场和视电阻率的动态变化规律，获得陷落柱突水的前兆信息，建立多场耦合作用的地质动力学模型和陷落柱突水的临界判据，为研究陷落柱的突水机制和防治技术提供理论支持。

煤矿突水是影响矿井安全生产的重大灾害之一，特别是由于地质构造如断层和岩溶陷落柱引起的矿井突水占到了80%，其中岩溶陷落柱广泛分布于华北煤田，因此，开展采动作用下岩溶陷落柱突水机理的试验研究对矿井安全生产具有重要意义。项目以山西五阳煤矿和双柳矿为研究对象，综合运用水文地质学、岩石力学、流体力学、渗流理论、采矿工程、矿山水灾害防治理论、安全工程等多学科及其交叉前沿理论，采用试验研究、理论分析、数值模拟和现场测试等多种方法，针对采动作用下岩溶陷落柱突水机理进行了系统研究。研制了一套适合陷落柱内部材料、形态、充填物、充水、与采场关系等特点的陷落柱突水试验系统及其试验方法，该系统能够模拟采动影响条件下陷落柱、断层、底板在承压水以及冲刷作用下的活化规律和突水过程。采用理论分析和现场观测的手段从几何参数、发育特征、出现前兆和分布特征等4 个方面分析归纳了双柳矿陷落柱的发育规律和基本特征，采用实验室试验对陷落柱内部胶结物的各项物理力学参数进行了测试，获得了内部胶结物的物理力学参数，为进行陷落柱突水试验奠定了基础。以双柳矿工作面穿X15陷落柱为研究对象，采用自行研发的陷落柱突水试验系统和相似模拟材料，对上、下组煤开采过程中影响下陷落柱活化导水过程进行了相似模拟试验，获得了陷落柱及其围岩裂隙场、应力场、渗流场和视电阻率的变化规律和陷落柱突水的前兆信息，建立了陷落柱突水的力学判据。在分析固流耦合数学模型的基础上，利用数值模拟软件Flac3D，建立了陷落柱在采动作用下流固耦合数学模型及其相应的数值解法，分别对不同水压条件下上、下两组煤开采时陷落柱的破坏突水过程进行了模拟，获得了陷落柱及其周边围岩的渗流场、应力场和位移场的变化规律，验证了相似模拟试验的结论。在建立陷落柱顶端力学模型的基础上，应用突变理论方法，建立了陷落柱顶端突水的尖点突变模型，得出了陷落柱顶端突水的充要条件表达式。研究成果在山西五阳煤矿和双柳煤矿进行了应用，进行了陷落柱突水预测和水害防治，确保了工作面安全回采。研究成果丰富了矿井水害防治理论体系，对于指导矿井陷落柱水害防治具有一定的理论意义和实用价值。