深井采动底板损伤破裂与高承压突水灾变演化机理

With the increasing depth of mining, the outstanding problems of the high-pressure water caused by mining pressure in deep mining will be the significant risk. The coal seam floor strata and high confined aquifer is selected as the research object in this paper. This subject is based on the mechanical simulation system of massive rock fracture damage and evolution worked under the large loads and floor water pressure ,on the true tri-axial testing experimental platform focused on floor pressure and the rock coupled stress & seepage with high water pressure, performs systematic study on kinetics processes, the water-inrush mechanism , rock destruction instability and the high-pressure water outstanding process under the condition of high water pressure and rock stress by using theoretical analysis, field testing, laboratory tests, numerical simulation methods. It mainly includes the following items:(1)coupling characteristics of mining stress field and seepage field , water-inrush mechanism of coupling characteristics, the dynamic mechanism of the mining floor water-inrush; (2)floor rock properties change, floor damaging fracture, mining crack propagation and water-inrush channel evolution mechanism lead by mine; (3)instability processes and failure mode of floor strata and the time-effect relationship between them and water-inrush. A theoretical basis is set up to solve the above basic scientific questions, study the process of mining floor damaging fracture, and showing the mechanism of floor high confined water-inrush disaster evolution, so as to prevent water-inrush disasters.

随着开采深度的不断增加，深部煤层开采过程中由于采动矿压导致的高承压水突出问题是矿井安全生产的重大隐患。课题以煤层底板及高承压含水层为研究对象，依托大荷载与底板水压共同作用下块状岩体裂隙损伤演化机械模拟实验系统及高水压岩石应力-渗流耦合真三轴试验系统实验平台，采用理论分析、现场测试、室内试验、数值模拟等多种方法，对采动条件下高水压、高围岩应力多场作用下的动力学过程、突水机理、岩层破坏失稳及高承压水突出灾变演化机理进行系统研究，主要包括：⑴采动条件下应力场、渗流场耦合特征及其对突水的作用机制，采动过程中底板水突出的动力学机理；⑵开采导致的岩体性状变化、底板损伤破裂、采动裂隙扩展与突水通道演化机理；⑶底板岩层破坏失稳过程、破坏形式及其与突水的时效关系。解决上述相关基础科学问题，研究采动底板损伤破裂过程，揭示高承压突水灾变演化机理，为预防深井突水灾害的发生奠定理论基础。

深部煤层开采过程中，由于采动矿压导致的高承压水突出问题是矿井安全生产的重大隐患，课题采用理论分析、现场实测、室内实验、数值模拟等方法，对深部岩体采动应力场与高承压水渗流场耦合作用特征、底板岩体破坏失稳时间效应及破坏过程、深部采动裂隙发育、底板损伤与突水通道演化机理和底板高承压水突水动力学机理等内容进行了系统研究。取得的成果主要有：（1）通过含裂纹真实岩石试件断裂模式的力学试验和模拟，得到初始裂纹断裂具有明显的应力降现象，其翼裂纹起裂扩展角为68°~73°，反翼裂纹起裂角为-119°~-125°，裂纹断裂具有明显的围压效应；（2）基于半无限弹性体下应力传递理论，建立承压水上受力模型，得到底板岩体内任一点的应力表达式和空间分布形态，并结合莫尔-库伦准则，研究了岩体理论破坏深度与特征，与现场实测所得结果吻合；（3）基于断裂力学理论和RFPA数值模拟，探究了裂隙岩体断裂强度和扩展规律，在压剪状态下，随裂隙水压的增加，分叉现象出现的时间变短，岩体破坏失稳的时间加快。不同水压岩体破坏模式呈纵向劈裂破坏模式，即翼裂纹逐渐扩展到试件上下边界，导致失稳破坏；在拉剪状态下，裂隙扩展断裂演化过程相似，但岩体失稳破坏模式基本一致，呈“一”字型；（4）承压水沿断层带导升高度有明显的时间效应，随着时间的推移，导升高度不断增加，直至趋于稳定。受断层影响上盘岩层的位移量偏小，下盘岩层的位移量偏大，在断层附近煤层顶板塑性区高度约为采高的4～6倍，底板塑性区高度约为采高的3～4倍；（5）基于正交实验设计，经过物理试验测试和相关回归分析，得到隔水层相似材料的最优配比，实现了底板突水的相似材料模拟。.课题研究取得的成果，对于揭示深部开采矿井突水动力学机理，建立和完善深部煤层安全开采防治技术体系，提出不同采矿条件下底板水突出危险区域预测指标体系，改革采煤方法，形成大采深、高地应力条件下深部矿井受水威胁煤层安全开采的模式及工程技术参数具有重要意义。