深矿井煤层开采诱发底板突水的动力学机理及分析预测理论

我国深井开采受到底板承压水的严重威胁。与浅部相比，深部环境下煤岩体的力学-渗流特性有明显的变化。底板突水是开采扰动和承压水共同作用下由底板岩体破坏所形成的突水通道与承压水径流带连通的结果。.基于此认识，需要研究深部开采过程中底板岩体的破坏、突水通道形成和突水通道与承压水径流带的连通。为此，试验研究深部开采时底板岩体的破坏，单一裂隙和裂隙组的力学和渗流特性，建立裂隙岩体变形破坏力学和渗流模型，采用数值方法分析底板岩体破坏和突水通道的形成过程。结合底板岩体的破坏分析，分析突水通道与承压水径流带之间连通关系，水源对承压水突出补给，进而预测底板承压水突出。通过分析深部开采底板突水的典型案例，研究不同因素和预防措施对承压水突出的影响。.本项目将构建深井开采底板突水的理论体系，为矿井水灾害的预测与防治提供理论支撑。

矿井突水一直是威胁我国煤矿安全的重要因素。经过近60年的努力，在现场观测、室内试验和理论分析等方面取得了一系列成果。随着煤层向深部开采，影响煤层安全开采的因素变得更加复杂，原有对矿井突水的认识局限性更加明显，尽管采取了相应的措施，但矿井突水的频次和强度并没有减少。所以研究这一问题非常有必要，为我国矿井防治水防治探索出一条新的研究思路。..发展一种高效和精确的分析方法是解决矿井突水问题的关键。首先基于Yue基本解发展了数值方法，该方法可以求得各向同性和横观各向同性层状介质中任意一点的应力和位移。然后基于Yue基本解发展了两种介质中间断位移方法，可以求得任意荷载作用下裂纹面的间断位移，进而利用间断位移和应力强度因子关系式求得应力强度因子，最后利用断裂判据分析裂纹的扩展。建议的分析方法可以处理非均匀分布荷载并且分布区域可以是任意的。与已有的解析解对比，建议方法能获得很高的计算精度并有较高的效率。在发展间断位移方法时，采用了不连续单元，采用Kutt数值积分处理超奇异积分，由于采用了上述方法，建议方法能获得很好的计算精度。..采用建议方法分析各向同性和横观各向同性层状材料的弹性场，获得了这两类介质中弹性场。分析了各向同性和横观各向同性层状材料中不同类型的裂纹问题，获得了应力强度因子，并分析了材料特性对应力强度因子的影响，进而采用断裂判据分析了裂纹扩展。利用上述发展的数值方法，分析了煤层开采引起的底板应力场，将开采扰动引起的应力场和承压含水层水压力施加在裂隙面，进而求得裂隙的应力强度因子，并判断工作面推进过程中裂隙扩展、滑移和连接过程。对于煤层开采引起底板岩层中的裂隙进行了分析，对于平行于推进方向的裂隙，有以下认识：应变能密度因子Smin在工作面煤壁前后方有两个最大值，裂隙容易扩展。在工作面煤壁后方50m处，Smin的最大值比工作面煤壁前方110m处的要大，此处的裂隙扩展变得更容易。..建议方法不仅可以用于分析层状裂隙岩体，还能用于分析任何类型的层状材料甚至梯度材料。在分析煤层开采引起的承压水突出时，我们获得了煤层开采引起的附加应力场，给出一类裂隙在开采扰动和承压水的作用下张开滑移扩展过程。经过进一步发展，建议方法将有更广泛的应用前景，并能解决煤层开采和深埋隧道工程一系列问题。