煤层底板断裂构造突水多物理场耦合机制及预警信息研究

Aiming at the problem of water inrush from fault structure in North China Coalfield deep coal mining ，through field investigation, a large amount of data is collected and analyzed, and the system analyzes the characteristics of the water-inrush geological environment of coal seam floor，Based on the fluid solid coupling theory, the similar material physical simulation test is used to reconstruct the water inrush process of the fault structure under the mining disturbance. The physical parameters such as stress, displacement, seepage pressure and apparent resistivity are monitored throughout the whole process，Numerical simulation are used to calculate the fracture structure under different hydrogeological conditions in the process of water bursting stress field, displacement field and seepage field, by the results of two kinds of comprehensive, mutual authentication, reveal the fracture structure more physical field coupling mechanism of water inrush, analysis of normal and faulted structure impact response difference of much quantity information, master the fault before the water inrush in the multivariate information characteristics, water bursting effective monitoring parameters, provide theory basis for fracture water inrush warning. It has important theoretical significance and application value to prevent and control fault water inrush, which is of great practical significance to realize the safety production of coal mine.

针对华北煤田深部煤层开采底板断裂构造突水问题，通过现场调研，大量收集整理矿井断裂构造突水案例资料，系统分析煤层底板断裂构造突水地质环境特征，基于流-固耦合理论，采用相似材料物理模拟试验再现典型矿井开采扰动下断裂构造突水过程，全程监测应力、位移、渗透压力、视电阻率等各物理参数，应用数值模拟计算不同水文地质条件下断裂构造突水过程中的应力场、位移场、渗流场，通过两种结果的综合、相互验证，揭示断裂构造突水的多物理场耦合机制，对比分析正常地段和断裂构造影响段多物理量信息的响应差异，掌握断裂构造突水前多元信息的临突特征，确定突水有效监测参数，为断裂构造突水预警提供理论依据。对防治断层突水具有重要的理论意义和应用价值，对实现煤矿的安全生产具有重大的现实意义。

我国有近60%的煤矿受底板承压水害的影响，对于以峰峰矿区为代表的华北型煤田来说，其底部广泛分布有巨厚的奥灰岩溶含水层。现阶段所开采的深部煤层，其周围常发育有隐伏断层、贯穿断层等断裂构造，而断裂构造的存在通常会降低有效隔水层厚度，甚至成为底板突水的导水通道。依据《全国煤矿典型水害案例与防治技术》并参考其他文献，本次研究收集奥灰岩含水层突水案例35例，其中断层突水24例，约占总案例的68%。断裂构造作为煤层底板最重要的突水通道，是威胁矿井安全生产的首要因素。在项目进行期间开展大量研究，具体完成情况如下：1.大量收集断裂构造突水案例资料，系统总结出煤层底板断裂构造突水的地质环境特点。2.选择梧桐庄矿182201工作面底板断裂构造突水作为典型突水案例，结合工作面实际情况确定相似比，进行相似材料模拟试验，监测工作面回采过程中底板岩层应力、断层水压力以及采场流量的变化特征，再现采场岩体破坏、断层逐步活化、突水通道形成的全过程。3.结合所设计的相似材料模拟模型，利用FLAC3D软件建立数值模型，研究工作面回采过程中采场岩体应力场、位移场以及贯穿断层渗流场的演化特征，再现采场岩体塑性区的破坏过程，分析突水通道的形成机制。计算各监测点不同物理场之间的相关系数，阐明采动条件下各物理场的相互耦合机制。4.分别基于相似材料模拟试验和数值仿真模拟研究的结果，分析工作面回采过程中，底板岩层突水位置与贯穿断层突水位置所受不同物理量的变化规律，研究各物理量在发生突水前后的响应特征差异，利用熵值法计算各物理参数的动态变化在突水过程中所占权重比值，结合各突水位置所孕育前兆特征的异常波动情况，阐明在突水前更容易捕捉的特征物理量，提出底板断裂构造突水预警信息。为防治底板断裂构造突水提供依据，最大限度的安全开采突水系数超临界值的煤层可以带来巨大的经济效益。