岩层组合结构对底板采动破坏及突水危险性的制约研究

Mine floor water inrush has been the major hidden trouble in coal mine safe production in China. However, the water inrush mechanism and prediction is still not resolved. Especially the research on the influence of the combined floor and its weak surface to mining failure and watertight effect is not sufficient. Therefore, the combined structure floor is taken as an example in this project.The theoretical analysis,analog simulation and numerical simulation are used to study the failure characteristics and watertight mechanism of the combined floor under the action of mining pressure, artesian pressure and horizontal tectonic stress. And the influence of the thickness, combination and weak surface of the soft and hard rock mass to the floor failure and watertight performance is discussed. On this basis, a water inrush prediction and composite rock beam model model considering the combined floor and its weak surface effect is created. It is about to obtain composite rock beam's critical water inrush pressure expressions with the weak surface's abscission layer, shear compression failure and bending tensile failure. At the same time, it compared the results from the composite rock beam theory, numerical simulation and analog simulation and then achieved the goal of using theoretical knowledge to explain the experimental phenomena. The project is important for grasping the floor lithology and its combination's influence on the mining failure and watertight mechanism. And it provides theoretical support for accurately predicting the risk of water inrush.

矿井底板突水是影响我国煤矿安全生产的重大隐患，然而突水机理及突水预测仍是一个没有彻底解决的难题，尤其是考虑底板组合及其接触弱面对采动破坏及阻隔水效应的研究还不够充分。为此，本项目以组合结构底板为例，运用理论分析、相似模拟和数值模拟等方法研究组合底板在采动矿压、承压水压以及水平构造应力作用下的破坏特征及阻隔水机制。分析软硬岩的厚度及组合形式、接触弱面强度等因素对底板采动破坏及阻隔水性能的影响。在此基础上建立一个能考虑组合底板接触弱面效应的突水预测复合岩梁模型，拟给出复合岩梁在接触弱面处离层、端部压剪以及弯拉破坏的临界水压表达式。同时将复合岩梁理论分析结果与数值模拟和相似模拟实验结果对比，实现理论知识对实验现象的解释。本项目的研究对掌握底板岩性及组合结构对采动破坏及阻隔水机制具有重要意义，为准确预计底板突水危险性提供理论支撑。

本项目以组合结构底板为例，运用理论分析、相似模拟和数值模拟等方法研究组合底板在采动矿压、承压水压以及水平构造应力作用下的破坏特征及阻隔水机制。分析软硬岩的厚度及组合形式、接触弱面强度等因素对底板采动破坏及阻隔水性能的影响。建立突水预测复合岩梁模型，同时将复合岩梁理论分析结果与数值模拟和相似模拟实验结果对比，实现理论知识对实验现象的解释。. 本项目的主要研究内容为：组合底板采动破坏深度理论模型、组合底板采动破坏特征及阻隔水机制的相似材料模型、组合底板采动破坏特征及阻隔水机制的数值模型，以及组合底板采动突水预测的复合岩梁模型。. 取得的重要结果如下：1）预测采场底板破坏深度取得新认识，在水压力作用下，底板垂直应力σz和剪应力τxz出现应力略微集中，而水平应力σx则出现明显的应力扩散现象。（2）煤矿隔水底板岩体强度和变形参数最优符合正态分布，其次为对数正态和威布尔分布。（3）采动裂隙底板承压水递进导升高度断裂力学解，取得重大进展。（4）建立了浅埋煤层覆岩三轴渗透试验及渗流-应力耦合方程。（5）岩石峰值前应力 ~渗透率的关系呈负指数函数关系，而峰值后二者呈现正指数关系，且方程拟合程度较高。（6）基于 Bayes 算法设计开发的煤矿井下突水水源判识系统，具有通用性强、操作简单、判识效率高的优点。（7）采用FLAC3D多裂隙本构关系，建立层状岩坡平面破坏特征的各向异性数值分析模型；建立了 3种软硬岩不同组合形式的底板采动效应数值计算模型。（8）利用摩尔-库伦强度理论对立井井筒进行强度校核，得出立井井筒非采动破坏的临界水头降深值。（9）主成分分析法与多项 Logistic 回归模型相结合的方法在水源判别上具有可行性。. 本项目的关键数据，一是推导出了软硬结构层状结构底板在水压作用下的应力分量以及位移的弹性力学解：二是根据各向同性双层叠合岩梁的上下层边界条件得出应力分量和位移表达一式中的待定系数，从而得出应力分量和位移表达式的具体值。.本项目的研究对掌握底板岩性及组合结构对采动破坏及阻隔水机制具有重要意义，为准确预计底板突水危险性提供理论支撑。