基于采动扰动条件下煤层底板隔水层渗流效应及突水机理研究

以岩体工程地质力学和岩层控制理论为指导，采用多学科的理论与综合研究方法，从基础地质条件出发，在已有研究工作的基础上，拟对煤系地层赋存特征，煤层顶底板岩层组合条件、底板突水案例进行系统分析，在深入开展煤层底板隔水层采动应力分布的差异性分析的基础上，揭示煤层底板隔水层变形破坏的力学机制、采动裂隙时空演化规律和渗透特性，以及煤层底板隔水层突水机制，从机理上研究煤层底板突水的实质，对承压水上煤层开采的安全性进行科学的评价，为保证深部煤炭资源开采系统的正常运行提供强有力的技术保障。

随着煤矿开采不断延深，煤层底板突水威胁日趋严重。煤层底板突水的实质是采动应力诱发底板岩体变形破坏，引发煤层底板突水,掌握底板岩层的破坏规律是承压水体上安全开采的首要问题。课题在深入开展煤层底板隔水层采动应力分布的差异性分析的基础上，揭示了煤层底板隔水层变形破坏的力学机制、采动裂隙时空演化规律和渗透特性，以及煤层底板隔水层突水的机制，从机理上研究了煤层底板突水的实质，对承压水上煤层开采的安全性进行了科学的评价，为保证深部煤炭资源开采系统的正常运行提供了强有力的技术保障。课题研究的主要结论是：(1)建立了采动作用下煤层底板破坏力学模型，分析了水平应力和垂直应力分布规律，以及水平应力增幅与垂直应力增幅之间的关系。得出：在采动作用下煤层底板的破坏是从工作面附近的底板开始，以抛物线状的形式由浅而深向采空区方向发展。基于数值计算力学模型，进一步分析了沿工作面走向方向和工作面倾向方向应力分布、位移变化特征和塑性区变化特征，根据采动作用下深部煤层底板应力分布的差异性，对底板进行了分区。(2)应用三维弹性中厚板理论，分析了采动与承压水耦合作用下煤层底板的力学效应及破坏机理。基于Hamilton原理推导了煤层底板破坏的极限载荷的表达式。(3)提出了深部煤层开采底板裂隙的3种渗流模式，即裂隙的弯折渗流模式、裂隙的摩擦滑动渗流模式、裂隙的反向弯折渗流模式。基于Louis渗流理论，分析了采动作用下煤层底板岩体的渗透性能。(4)通过实验手段，得出了煤层顶、底板对应部位的应力和位移分布规律基本相同的结论，并沿推进方向对底板进行了分区。讨论了在采动和承压水联合作用下煤层底板中的下行裂隙和上行裂隙的演化特征，以及节理张开度和节理水力开度的分布规律。(5)利用震波检层技术和直流电阻率CT技术，提出了煤层底板突水预测预报分析综合物探模型，并用于现场实际取得了很好的效果。