《矿井断裂采动活化突水致灾预测与防治关键技术研究》

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该项目结合构造地质学、水文地质学、工程地质学、岩石力学、弹塑性力学采矿学等多个学科进行理论研究,采用理论计算、实验研究、现场实测及数值模拟等综合研究方法,立足于现场探测数据,进行了矿井断裂采动活化突水致灾预测与防治关键技术研究。主要技术内容包括以下5部分:

(1)受灰岩水害威胁的矿井中,灰岩水位的变化情况最能反应出矿井水力联系的情况。根据矿井观测资料,总结出矿井近几年灰岩水位变化情况,并构建了矿井灰岩水位变化立体模型,该模型可形象直观的再现灰岩水水位变化特征,分析断层导水特性与开采过程中灰岩水的疏排情况;断层中水压的变化与岩体应力的改变是相互影响的。断层是采场底板隔水层之中最大的软弱面,底板突水事故是多种因素综合作用的结果。该项目根据摩尔-库仑准则得到了断层发生活化的条件,然后根据断层存在情况下水岩耦合特征与实测数据结果,推导出断层活化临界水压解析公式,对分析临界突水条件下断裂构造与水压的内在关系提供了理论依据;

(2)随着采矿规模的不断扩大和向深部发展,以静水压力理论为基础计算的地应力与岩石力学计算已无法满足实际的需要,因此,对采动影响下的地应力特点展开测试研究已越来越必要。该项目利用并行电法监测系统对现场原岩应力场进行了计算分析以及现场地应力监测,并且进行了水压致裂现场测试实验,利用"双模型"法建立模拟模型对底板岩体采动支承压力的变化规律进行了研究,揭示了断裂构造与承压水协同作用下底板采动应力应变场特征,并对断裂结构底板突水动态力学机制进行了分析,对分析构造与承压水协同作用下的煤层底板应力变化规律及临界破坏条件提供了可靠的依据;

(3)为了深入研究底板层次结构与断裂结构协同作用下底板突水的危险性,该项目引入突变级数理论,建立了断层活化突水多层次评价指标体系,获得了突变级数与对应断层安全防水煤柱宽度的量化关系,从理论角度指导了断层防水煤柱的留设,减少了大量煤炭资源的呆滞浪费,提高了矿井的经济效益;

(4)该项目立足于受太灰水威胁的矿井底板特点,根据分析矿井底板突水影响因素,利于GIS与AHP耦合技术、模糊物元理论对底板突水情况进行预测,并与突变级数计算结果进行验证、补充,提高了预测精度,并根据模糊物元理论建立了基于模糊物元模型的突水预测系统,可以有效预测的对受太灰水威胁的矿井在开采过程中的突水情况,大大降低了煤层回采过程中的威胁。

(5)在上述理论分析基础上提出了二十四字底板水害综合防治技术体系,实现了理论到实践的转化,提出了安全、有效、可行的矿井底板水害治理-监测手段,为矿井安全高效开采提供了依据。

该项目共授权发明专利6项,实用新型专利2项,发表论文十余篇,其中被SCI、EI收录13篇,并在皖北、兖州、肥城矿区进行了推广应用,实现了较大的经济价值,据不完全统计,应用该项目的矿井累计解放煤炭资源340余万吨,获得净利润44960余万元,实现税收22509余万元。

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