灰岩含水体上煤层开采底板采动稳定可靠性随机有限元研究

矿井水灾一直是威胁我国煤矿安全生产的主要灾害之一，尤其是随着煤矿开采深度的不断增加，来自底部灰岩岩溶裂隙高承压水的威胁日趋严重。尽管国内外许多学者对矿井突水机理进行了一些有益的探索和研究，取得了丰硕成果，但如何正确评价隔水底板稳定性仍是当前迫切需要解决的一个难题。由于岩体介质的复杂性，使得煤层底板抗水压能力研究一直得不到质的突破，其原因就是没有考虑实际存在的不确定性的影响因素。本项目以淮北矿区下组煤（10煤）为研究对象，以随机场建模→可靠度计算→目标可靠指标校核为研究思路，将煤层底板隔水层视为一个复杂的结构系统，结合流固耦合理论，运用随机有限元方法，从岩体参数随机场建模、底板采动流固耦合方程随机有限元解、底板采动可靠度计算及合理可靠指标的确定等三个方面，开展灰岩含水体上煤层底板结构稳定可靠度研究，拟提出评价灰岩含水体上采煤隔水底板的稳定与否新的科学方法。

本课题属于煤矿开采技术领域，应用于承压水上采煤底板灰岩水害防治方面。高承压灰岩水上采煤底板突水严重影响着煤炭的正常安全生产，国内外学者针对底板突水问题开展了大量研究工作，但前期研究成果采用的是确定性方法来评价底板突水危险性，不能真实地反映安全度。由于煤层底板所处的地质条件复杂，岩体参数、荷载等都是不确定性的，按确定性方法来评价不确定的隔水底板的安全性在理论上存在不完备的地方。因此，本课题选取淮北矿区涡北、刘店、孙疃、杨柳、许疃等煤矿为研究点，将可靠性理论与承压水上采煤底板突水预测理论相结合，运用Bayes概率统计、岩石力学、可靠度分析等理论，在研究了矿区下组煤顶底板岩体各参数的随机分布特征的基础上，对完整底板以及构造底板进行了采动稳定可靠性分析，最后以孙疃、杨柳以及刘店等矿为例，对不同采深条件下底板采动稳定进行了可靠性分析。取得以下成果：1）建立了参数的概型分布，并对其进行了Bayes推断；2）建立了底板突水预测力学模型，系统总结了隔水底板的破坏模式，并进行了相应的可靠度分析，提出了基于单一破坏模式的隔水底板稳定体系可靠度计算方法；3）推导出了在假定滑裂面情况下断层底板滑移失稳突水的水压力表达式，试算搜索出最危险的滑裂面并求得临界水压力；4）将断裂力学扩展判据引入到隐伏断层采动活化突水机理研究，针对不同类型裂纹的开裂、扩展机制，分别建立了拉剪和压剪裂纹扩展以及隐伏断层突水的力学判据；5）以厚壁圆筒受均布压力的弹塑性解答为基础，将地下水渗流作为体积力，对陷落柱侧壁突水可靠性进行了分析；6）应用ANSYS有限元软件，首次对煤层底板采动隔水底板稳定可靠性进行了数值模拟分析，揭示了基于岩体Drucket-Prager准则的底板采动稳定的可靠概率分布规律；7）对以10煤开采为主的孙疃、杨柳以及刘店等矿不同采深条件下底板采动稳定进行可靠性分析，介绍本文部分研究成果的应用情况，同时分析可靠概率与突水系数以及中值安全系数之间的关系，并根据相关文献给出底板采动稳定的目标可靠概率。.本课题研究成果拓展了可靠度理论的应用领域，创新了煤矿防治水的研究方法，具有重要的理论意义与应用价值。本课题发表学术论文15余篇，研究成果已在五个矿中推广应用，已累计安全采出受水害威胁严重的煤炭376.6万吨，获得新增利润188300万元、新增税收47075万元，实现了受水严重威胁煤炭资源的安全开采，具有显著