厚砂岩顶板采动裂隙发育时空演化规律及突水危险性评价

作     者：聂宇旭 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨伟峰

授予年度：2022年

学科分类：0819[工学-矿业工程] 081903[工学-安全技术及工程] 08[工学] 

主      题：厚砂岩顶板 相似材料模型试验 裂隙网络分形特征 裂隙时空演化规律 模糊数学危险性评价 

摘      要：矿井突水是常见的采矿安全问题。本文选取麦垛山2煤110207工作面作为研究区,该区域主要面临直罗组厚砂岩含水层的充水威胁,随着工作面的推进裂隙带沟通上覆含水层,造成突水灾害。本文以研究区的开采条件、工程地质以及水文地质条件为背景,通过模型试验、数值模拟及理论分析方法对顶板采动裂隙发育时空演化规律及应力、位移场分布规律进行研究,并建立起该矿区顶板突水危险性模糊综合评价模型,为矿区安全开采提供指导建议。论文主要研究成果如下:（1）研究区顶板为厚砂岩层,来压步距较大,采动裂隙带发育较高。通过经验公式法计算得到垮落带发育高度6.9m～11.23m,导水裂隙带发育高度44.6m,裂采比约14.9;通过相似材料模型试验和数值模拟得到垮采比约3.03～3.5,裂采比约17.4～18,与实际结果较为一致。（2）将相似模型试验采动裂隙发育过程图像进行二值化处理,提取裂隙发育相关参数,统计获得采动过程中裂隙条数、裂隙总长度、裂隙总宽度、裂隙平均长度、裂隙平均宽度、裂隙率、裂隙倾角以及裂隙网络分形维数的采动演化特征,得出裂隙网络分形维数经历了“迅速升维-稳定波动-稳定增长三个阶段,所对应的节点分别是采动150m和210m;通过数据拟合分析得出裂隙条数、裂隙总长度、裂隙总宽度、裂隙率与裂隙网络分形维数近似呈对数函数的关系;通过相似模型应力监测结果可知,采场上方应力曲线变化经历“应力稳定-应力集中-卸压-应力恢复-应力再次集中五个阶段且随着采动推进同一水平不同测点曲线往往呈现迟滞作用。（3）通过对裂隙二值化图像划分纵、横向研究区,得到裂隙发育的纵、横向演化特征;通过对裂隙二值化图像划分网格,提取网格内分形维数以及裂隙率数值生成时空演化特征云图,得出裂隙分形维数高值区随采动由中间向两边发散,在采动180m至210m时高值区域形成马鞍状;裂隙率高值区在垮落带附近呈现明显的串珠状,表明岩层在采动过程中受周期来压的影响,随采动180-210m时,裂隙率高值区同样呈现马鞍状。（4）通过离散元数值模拟软件3DEC建立数值模型,利用图像处理软件对数值模拟结果图像进行并对其二值化处理并统计采动裂隙相关参数,与相似材料模型实验结果对比可知,二者得到的裂隙发育规律较一致,但由于3DEC离散元软件在预设节理面时模型块体易贴合造成采动裂隙平均宽度变化幅度偏大。（5）通过模糊数学法对麦垛山110207工作面进行突水危险性评价。突水危险性评级总体随采动距离增大而升高,在开采150m时工作面突水危险等级从较低危险性变为中等危险性,至开采180m时突水危险性升至较高。本论文共有图68幅,表17张,参考文献81篇。