不同因素影响下含断层构造倾斜煤层底板损伤及断层活化突水规律数值模拟研究

• 作 者: 李先平
• 出 处: 山东科技大学
• 发表日期: 2021年06期
• 关键词: 倾斜煤层 断层突水 数值模拟 瞬变电磁法 水害防治

煤炭资源在我国的能源领域占有着重要的地位,对我国的经济发展起到了积极地推动作用,煤矿的安全生产是国家经济发展过程中的一个不可忽视的环节。然而,矿井水害问题一直影响着煤炭资源的安全开采,对煤矿企业的经济效益及井下工作人员的生命安全产生重大威胁。通过对历次矿井突水事故分析发现,含断层构造的工作面最容易发生突水现象,断层构造的存在使承压水更容易导入采场。以前的科研工作者在矿井断层突水机理方面研究做了大量的工作并取得了较好的研究成果,但这些研究成果主要是针对水平及近水平煤层而研究的,而对含有断层构造的倾斜工作面的断层突水研究较少。因此,本文通过理论分析、数值模拟及倾斜工作面底板含水性瞬变电磁法探测相互结合的研究手段,从矿山压力和承压水共同作用下影响煤层倾斜工作面底板破坏深度的主控因素入手,来研究深部含断层构造倾斜煤层底板损伤及断层突水规律,并取得如下成果。(1)在前人的研究成果之上对含断层构造的倾斜煤层断层突水机理进行了理论分析。从理论分析得出了影响煤层底板破坏深度的煤层倾角、煤层埋深、含水层水压等主控因素;通过建立断层活化的力学模型,得出断层发生活化的原理及发生活化的条件并从矿压的角度研究得出了发生断层突水的条件,即工作面回采造成底板的破坏深度不能小于底板高峰应力线与断层交点的深度;根据对承压水对煤层底板的作用分析,发现承压水对煤层底板具有导升作用、冲刷扩径等作用。(2)从理论分析所得出的影响煤层底板破坏深度的因素中选取煤层埋深、煤层倾角及承压水水压这三个影响因素,以山东宁阳某矿21310含断层构造工作面为地质背景,运用FLAC3D软件建立模型,通过数值模拟来研究不同煤层埋深、不同煤层倾角及不同水压条件下的底板破坏损伤及断层突水的影响规律。发现,不同煤层倾角条件下,煤层倾角为30°时破坏深度最大且底板塑性区最先导通断层;不同采深条件下,煤层底板破坏深度随采深的增大而增大,且采深越深越容易发生底板断层突水;承压水水压越大,底板破坏深度越深,越容易发生断层突水事故。(3)基于21310倾斜工作面底板瞬变电磁法探测结果,同时结合理论分析及数值模拟研究结果,对21310含断层构造倾斜工作面制定了断层煤柱留设和疏水降压两种水害防治方案。通过两种方案的防治效果可以看出,合理的煤柱留设宽度与降低承压水水压能有效的保证工作面的安全开采。