煤层底板断层突水的水-岩力学理论与预测预报技术研究

本项目以煤矿底板断层突水作为研究对象，将系统研究断层突水的临界特性、时效特性、工程地质、含导水构造等方面的特征；研究不同开采条件下底板断层突水的水-岩相互力学作用关系、特征条件及理论；以此为理论基础，结合GIS研究断层突水空间数据系统，建立矿井底板断层突水预测与控制的基础理论与方法。项目综合运用水文地质学、构造地质学、岩石力学、渗流理论、采矿工程、信息科学和安全工程等多学科及其交叉前沿理论，采用理论分析、数值模拟、物理模拟和现场测试等多种方法，开展系统的底板断层突水的机理分析，建立较为完整的矿井底板断层突水的理论分析和预测预报的理论和应用体系。

随着煤炭开采深度的增加，我国华北煤田受奥灰岩溶底板高承压水的威胁日趋严重，尤其是含断层构造的承压底板的情形。大量煤矿突水事故的统计结果表明，80%的采场工作面底板突水事故发生于具有断层等构造缺陷的情形，因此，开展断层突水机制的研究，对我国煤矿安全状况的改善有重要作用。课题针对我国目前煤矿开采中矿井突水的主要特点，以矿井底板断层突水为研究对象，根据不同水文地质及开采条件下的断层突水类型，建立了相应的矿井底板断层突水模型，研究了矿井底板断层突水形成的含水层、通道、隔水关键层等结构特点和演化规律，提出了矿井底板断层突水预测预报的有效方法。课题研究表明：（1）断层倾角在0~60°之间时，断层面上的剪应力峰值随断层倾角增大而增大，在60°~90°时随断层倾角β的增大而减小，即断层倾角越小，底板塑性区越容易沟通断层。断层活化主要集中在浅部，工作面距断层越近，断层活化越剧烈。（2）断层落差不改变应力峰值的大小和分布趋势，随着断层落差的增加，应力峰值点与含水层之间的距离缩小，突水危险性增大。（3）断层的断距越大，临近断层底板的应力越大，底板破坏深度越深。正断层的上盘和逆断层的下盘，在采动作用下易发生底板突水事故。（4）断层影响下的临界水压Pw1的最大值约为3.11MPa，无断层影响下的临界水压Pw2的最大值约为3.97MPa。（5）含水量只对岩石抗剪强度影响时，饱和状态下断层带剪切应变相对干燥状态下断层带剪切应变减小了69.23%，剪切位移减小了64.29%；含水量对岩石抗剪强度和软化模量同时影响时，饱和状态下断层带剪切应变相对干燥状态下断层带剪切应变减小了53.85%，剪切位移减小了50%。（6）构建了一种开放的分布式物联网-GIS耦合感知信息处理平台，通过全方位感知影响底板突水的各类参数，建立了AHP模型，采用基于动态贝叶斯网络的权值推理算法，利用概率双向传递及链式规则推导出AHP权值，再由GIS进行多因素空间融合处理，形成了计算突水相对概率指数的非线性数学模型，依据底板突水相对概率指数梳状分布曲线的分区阈值进一步辨识了底板突水模式。