煤矿底板突水机制与新型注浆材料加固机理及工程应用研究
发布时间：2022-02-11 03:19
据统计,我国60%左右的矿井事故与地下水相关,煤矿重特大事故中,水害造成的伤亡人数位居第2位,仅次于瓦斯事故。随着煤炭资源的开采,浅部煤矿越来越少,深部煤矿越来越多,导致高承压水、高地应力威胁日趋严重,导致深部煤矿开采中底板突水灾害控制成为重要研究课题。目前关于煤矿底板突水灾变机理、底板改造加固材料研发以及注浆材料的研发尚有诸多不足,成为了保证采煤安全进行的关键科学难题之一。本文从突水影响因素和灾变条件的角度切入,系统探讨了煤矿底板突水灾变特征;分析了不同阶段底板裂隙受力状态,并建立了裂隙抗剪强度模型,进而依据底板整体受力状态,提出煤层底板起劈判据;以COMSOL为模拟平台,获得煤层回采中多场信息演化规律,并以此提出煤层底板改造要求;基于过火煤矸石可有效提高胶凝活性的特点,结合底板改造要求,研发以过火煤矸石为主、少量水泥及粘土为辅的新型注浆加固材料,并分析其各项物理力学性能,最终提出新型奥灰含水层注浆材料工业试生产技术和工艺实施方案,验证新型材料的工程适用性,取得了一系列具有实用价值的研究成果。（1）从含水层性质、天然隔水层状态、底板岩性、采动矿压、开采方法等多角度展开分析,阐述了突水...
【文章来源】：山东大学山东省211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：155 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２－１未突阶段地质力学＿??Ｆｉｇ．?２－１?Ｇｅｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ?ｍｏｄｅｌ?ｉｎ?ｕｎｃｏｎｃｌｕｄｅｄ?ｓｔａｇｅ??同时对此模型做了部分假设，首先，模型之中不考虑静水压力对隔水岩层的软化??
?煤矿底板突水机制与新型注浆材料加固机理及工程应用研究???第三章底板裂隙抗剪强度及突水机理??３．１底板损伤弱化因素??３．１．１裂隙粗糙度??根据裂隙的天然存在状态，自宏观角度上可将裂隙分为波纹状、锯齿状、台阶状??等多种形式（如图３－１所示）。针对节理裂隙的受力分析模型，通常采用较为理想化、??规则化的几何形状，在此假定上，裂隙界面分析中往往缺乏高精度的界面形态，进而??无法准确描述节理细观状态下相邻界面的三维形态和坡度信息，对理论研宄造成一定??的局限性。??目前，通过扫描电子显微镜等高精尖观测手段，得出裂隙实际形貌并非完全符合??以上分类，且裂隙的粗糙度对节理抗剪强度具有明显的影响，故在研究裂隙抗剪强度??时，应考虑界面起伏程度、粗糙程度以及相应的界面力学效应。??ＡＡＡＡ／ＶＸＡＡ????锯齿状????，＾?＾??波纹状Ｉ??波纹状ｎ??台阶状Ｉ??台阶状ＩＩ??图３－１界面宏观状态??Ｆｉｇ．?３－１?Ｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃ?ｓｔａｔｅ?ｏｆ?ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ?ｐｌａｎｅ??３．１．２承压水作用??地下承压水不断的侵蚀、软化裂隙中的充填物，造成岩体强度逐渐降低，并导致??裂隙宽度逐渐增加，极大减弱了岩体的物理力学性质。一方面表现为对软弱岩石及结??构面的物理化学作用，另一方面地下水作为一种外荷载，对岩体产生挤压，致使裂隙??产生、扩展，直到劈裂破坏。??地下工程中各种岩层内的裂隙在地应力作用下呈闭合状态，未扰动状态下力的传??递主要通过裂隙两侧岩体的接触部分。当地下水赋存在裂隙中时，承压水的流动性、??渗透性、水压等都因素都使地下水可以作为压力传递的媒介，承担岩体间
?山东大学博士学位论文???由于裂隙中的承压水赋存水量很小，因此主要考虑其水压承载的能力。在这里借鉴土??力学中有效应力原理进行考虑，土体与裂隙岩体中的有效应力示意图见图３－２。土力??学中，砂土介质内颗粒间要充分考虑空隙的影响，因此颗粒间的接触面积可近似忽略??不计。但是对于裂隙岩体来讲，裂隙两侧岩体的接触面积较大，因而不可忽略。??（ａ）?土体?（ｂ）裂隙岩体??图３－２?土体与裂隙岩体中的有效应力示意图??Ｆｉｇ．?３－２?Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ?ｓｔｒｅｓｓ?ｉｎ?ｓｏｉｌ?ａｎｄ?ｊｏｉｎｔｅｄ?ｒｏｃｋ??３．１．３界面力学参数分析??针对裂隙岩体的界面力学性质，学者们建立了不同的模型描述其荷载与变形的关??系，如?Ｇｏｏｄｍａｎ?模型、Ｃｏｕｌｏｍｂ?模型、Ｂａｒｔｏｎ－Ｂａｎｄｉｓ?模型、Ｐａｔｔｏｎ?模型以及?Ｋｕｌａｔｉｌａｋｅ??模型。Ｇｏｏｄｍａｎ模型主要从力学方面开展研宄，它将裂隙两侧岩体的接触点等效为一??系列线弹性体。Ｂａｒｔｏｎ－Ｂａｎｄｉｓ模型和Ｋｕｌａｔｉｌａｋｅ模型主要是通过数学手段进行曲线拟??合，这两种模型可相对准确的表述裂隙变形过程。但是这些模型都存在一些缺陷，??Ｇｏｏｄｍａｎ模型所得到的理论结果与试验测定值仍有较大误差，另外从尺度上讲，室内??试验中试样的边界也是有限确定的，难以模拟出延伸至较远距离甚至于尖灭于岩体中??裂隙，不符合工程中的实际情况。而Ｂａｒｔｏｎ－Ｂａｎｄｉｓ模型和Ｋｕｌａｔｉｌａｋｅ模型并未探究相??应的力学机制。??（１）?Ｃｏｕｌｏｍｂ?模型??对于两个粗糙界面的力学性能，由于法向应力的作用，将对界面的抗剪强度造成??影响，Ｃｏｕｌｏｍｂ提
【参考文献】：
期刊论文
[1]采动覆岩应力变化规律分析[J]. 孙志强. 能源与环保. 2019(09)
[2]Development of the nano-composite cement:Application in regulating grouting in complex ground conditions[J]. WANG Sheng,WANG Jing-fei,YUAN Chao-peng,CHEN Li-yi,XU Shi-tong,GUO Kai-bin. Journal of Mountain Science. 2018(07)
[3]浅析矿山压力及岩层控制原理[J]. 杨晔. 世界有色金属. 2017(20)
[4]水玻璃化学浆在地面预注浆中的应用研究[J]. 贺文. 煤炭工程. 2017(08)
[5]深井底板突水模式及其突变特征分析[J]. 尹立明,郭惟嘉,路畅. 采矿与安全工程学报. 2017(03)
[6]考虑浆液黏度时空变化的速凝浆液渗透注浆扩散机制研究[J]. 张连震,张庆松,刘人太,李术才,王洪波,李卫,张世杰,朱光轩. 岩土力学. 2017(02)
[7]深部开采底板裂隙扩展演化规律试验研究[J]. 陈军涛,郭惟嘉,尹立明,路畅,常西坤,张士川,张呈祥. 岩石力学与工程学报. 2016(11)
[8]破碎围岩注浆加固体开挖稳定性及水压超载试验研究[J]. 张伟杰,李术才,魏久传,张庆松,张霄,李鹏. 中南大学学报(自然科学版). 2016(06)
[9]基于Weibull模型的细粒尾矿粒径分布[J]. 巫尚蔚,杨春和,张超,冒海军,杜艳强,张修照. 重庆大学学报. 2016(03)
[10]深部采动高承压水完整底板突水通道形成模式分析[J]. 孙文斌,张士川,朱磊. 矿业安全与环保. 2016(03)
博士论文
[1]采动影响下岩石的变形破坏行为及非线性模型研究[D]. 陈岩.中国矿业大学(北京) 2018
[2]采动动载作用下底板岩层损伤破裂机理及突水防治技术研究[D]. 李海龙.中国矿业大学 2016
[3]深部煤层底板变形破坏机理及突水评价方法研究[D]. 张风达.中国矿业大学(北京) 2016
[4]断层软弱介质注浆扩散加固机理及工程应用[D]. 李志鹏.山东大学 2015
[5]华北型煤田矿井突水机理及预警技术[D]. 刘德民.中国矿业大学(北京) 2015
[6]永城矿区裂隙型底板灰岩突水防治技术研究[D]. 张凯.中国矿业大学(北京) 2015
[7]隧道泥质充填断层破碎带劈裂注浆扩散机理及工程应用[D]. 俞文生.长沙理工大学 2015
[8]隧道工程富水断层破碎带注浆加固机理及应用研究[D]. 张伟杰.山东大学 2014
[9]煤矿深部开采底板突水机理研究[D]. 张乐中.长安大学 2013
[10]水泥基速凝浆液地下工程动水注浆扩散封堵机理及应用研究[D]. 刘人太.山东大学 2012
硕士论文
[1]我国矿井水害的类型划分与水文结构模式研究[D]. 陈红影.中国矿业大学 2019
[2]陈四楼煤矿高承压水上采动底板突水机理研究[D]. 黄卫星.中国矿业大学 2017
[3]芦岭煤矿Ⅲ11岩石综采工作面水文地质条件分析与防治水方案研究[D]. 郑志远.合肥工业大学 2017
[4]煤矿水害致灾机理研究[D]. 孙魁.西安科技大学 2016
[5]厚松散层薄基岩下煤层开采综合防治水研究[D]. 熊法政.河南理工大学 2016
[6]承压水作用下底板突水机理及防治技术研究[D]. 王延蒙.中国矿业大学 2015
[7]承压水上采煤底板破坏规律及突水预测研究[D]. 杜伟升.河南理工大学 2015
[8]隧道富水地层帷幕注浆加固圈参数及稳定性研究[D]. 王刚.山东大学 2014
[9]承压水上采煤底板破坏突水机理研究[D]. 毕龙.西安科技大学 2012
[10]固液耦合作用下底板突水过程的数值模拟研究[D]. 王兴.安徽理工大学 2011
本文编号：3619777
【文章来源】：山东大学山东省211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：155 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２－１未突阶段地质力学＿??Ｆｉｇ．?２－１?Ｇｅｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ?ｍｏｄｅｌ?ｉｎ?ｕｎｃｏｎｃｌｕｄｅｄ?ｓｔａｇｅ??同时对此模型做了部分假设，首先，模型之中不考虑静水压力对隔水岩层的软化??
?煤矿底板突水机制与新型注浆材料加固机理及工程应用研究???第三章底板裂隙抗剪强度及突水机理??３．１底板损伤弱化因素??３．１．１裂隙粗糙度??根据裂隙的天然存在状态，自宏观角度上可将裂隙分为波纹状、锯齿状、台阶状??等多种形式（如图３－１所示）。针对节理裂隙的受力分析模型，通常采用较为理想化、??规则化的几何形状，在此假定上，裂隙界面分析中往往缺乏高精度的界面形态，进而??无法准确描述节理细观状态下相邻界面的三维形态和坡度信息，对理论研宄造成一定??的局限性。??目前，通过扫描电子显微镜等高精尖观测手段，得出裂隙实际形貌并非完全符合??以上分类，且裂隙的粗糙度对节理抗剪强度具有明显的影响，故在研究裂隙抗剪强度??时，应考虑界面起伏程度、粗糙程度以及相应的界面力学效应。??ＡＡＡＡ／ＶＸＡＡ????锯齿状????，＾?＾??波纹状Ｉ??波纹状ｎ??台阶状Ｉ??台阶状ＩＩ??图３－１界面宏观状态??Ｆｉｇ．?３－１?Ｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃ?ｓｔａｔｅ?ｏｆ?ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ?ｐｌａｎｅ??３．１．２承压水作用??地下承压水不断的侵蚀、软化裂隙中的充填物，造成岩体强度逐渐降低，并导致??裂隙宽度逐渐增加，极大减弱了岩体的物理力学性质。一方面表现为对软弱岩石及结??构面的物理化学作用，另一方面地下水作为一种外荷载，对岩体产生挤压，致使裂隙??产生、扩展，直到劈裂破坏。??地下工程中各种岩层内的裂隙在地应力作用下呈闭合状态，未扰动状态下力的传??递主要通过裂隙两侧岩体的接触部分。当地下水赋存在裂隙中时，承压水的流动性、??渗透性、水压等都因素都使地下水可以作为压力传递的媒介，承担岩体间
?山东大学博士学位论文???由于裂隙中的承压水赋存水量很小，因此主要考虑其水压承载的能力。在这里借鉴土??力学中有效应力原理进行考虑，土体与裂隙岩体中的有效应力示意图见图３－２。土力??学中，砂土介质内颗粒间要充分考虑空隙的影响，因此颗粒间的接触面积可近似忽略??不计。但是对于裂隙岩体来讲，裂隙两侧岩体的接触面积较大，因而不可忽略。??（ａ）?土体?（ｂ）裂隙岩体??图３－２?土体与裂隙岩体中的有效应力示意图??Ｆｉｇ．?３－２?Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ?ｓｔｒｅｓｓ?ｉｎ?ｓｏｉｌ?ａｎｄ?ｊｏｉｎｔｅｄ?ｒｏｃｋ??３．１．３界面力学参数分析??针对裂隙岩体的界面力学性质，学者们建立了不同的模型描述其荷载与变形的关??系，如?Ｇｏｏｄｍａｎ?模型、Ｃｏｕｌｏｍｂ?模型、Ｂａｒｔｏｎ－Ｂａｎｄｉｓ?模型、Ｐａｔｔｏｎ?模型以及?Ｋｕｌａｔｉｌａｋｅ??模型。Ｇｏｏｄｍａｎ模型主要从力学方面开展研宄，它将裂隙两侧岩体的接触点等效为一??系列线弹性体。Ｂａｒｔｏｎ－Ｂａｎｄｉｓ模型和Ｋｕｌａｔｉｌａｋｅ模型主要是通过数学手段进行曲线拟??合，这两种模型可相对准确的表述裂隙变形过程。但是这些模型都存在一些缺陷，??Ｇｏｏｄｍａｎ模型所得到的理论结果与试验测定值仍有较大误差，另外从尺度上讲，室内??试验中试样的边界也是有限确定的，难以模拟出延伸至较远距离甚至于尖灭于岩体中??裂隙，不符合工程中的实际情况。而Ｂａｒｔｏｎ－Ｂａｎｄｉｓ模型和Ｋｕｌａｔｉｌａｋｅ模型并未探究相??应的力学机制。??（１）?Ｃｏｕｌｏｍｂ?模型??对于两个粗糙界面的力学性能，由于法向应力的作用，将对界面的抗剪强度造成??影响，Ｃｏｕｌｏｍｂ提
【参考文献】：
期刊论文
[1]采动覆岩应力变化规律分析[J]. 孙志强. 能源与环保. 2019(09)
[2]Development of the nano-composite cement:Application in regulating grouting in complex ground conditions[J]. WANG Sheng,WANG Jing-fei,YUAN Chao-peng,CHEN Li-yi,XU Shi-tong,GUO Kai-bin. Journal of Mountain Science. 2018(07)
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[5]深井底板突水模式及其突变特征分析[J]. 尹立明,郭惟嘉,路畅. 采矿与安全工程学报. 2017(03)
[6]考虑浆液黏度时空变化的速凝浆液渗透注浆扩散机制研究[J]. 张连震,张庆松,刘人太,李术才,王洪波,李卫,张世杰,朱光轩. 岩土力学. 2017(02)
[7]深部开采底板裂隙扩展演化规律试验研究[J]. 陈军涛,郭惟嘉,尹立明,路畅,常西坤,张士川,张呈祥. 岩石力学与工程学报. 2016(11)
[8]破碎围岩注浆加固体开挖稳定性及水压超载试验研究[J]. 张伟杰,李术才,魏久传,张庆松,张霄,李鹏. 中南大学学报(自然科学版). 2016(06)
[9]基于Weibull模型的细粒尾矿粒径分布[J]. 巫尚蔚,杨春和,张超,冒海军,杜艳强,张修照. 重庆大学学报. 2016(03)
[10]深部采动高承压水完整底板突水通道形成模式分析[J]. 孙文斌,张士川,朱磊. 矿业安全与环保. 2016(03)
博士论文
[1]采动影响下岩石的变形破坏行为及非线性模型研究[D]. 陈岩.中国矿业大学(北京) 2018
[2]采动动载作用下底板岩层损伤破裂机理及突水防治技术研究[D]. 李海龙.中国矿业大学 2016
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[4]断层软弱介质注浆扩散加固机理及工程应用[D]. 李志鹏.山东大学 2015
[5]华北型煤田矿井突水机理及预警技术[D]. 刘德民.中国矿业大学(北京) 2015
[6]永城矿区裂隙型底板灰岩突水防治技术研究[D]. 张凯.中国矿业大学(北京) 2015
[7]隧道泥质充填断层破碎带劈裂注浆扩散机理及工程应用[D]. 俞文生.长沙理工大学 2015
[8]隧道工程富水断层破碎带注浆加固机理及应用研究[D]. 张伟杰.山东大学 2014
[9]煤矿深部开采底板突水机理研究[D]. 张乐中.长安大学 2013
[10]水泥基速凝浆液地下工程动水注浆扩散封堵机理及应用研究[D]. 刘人太.山东大学 2012
硕士论文
[1]我国矿井水害的类型划分与水文结构模式研究[D]. 陈红影.中国矿业大学 2019
[2]陈四楼煤矿高承压水上采动底板突水机理研究[D]. 黄卫星.中国矿业大学 2017
[3]芦岭煤矿Ⅲ11岩石综采工作面水文地质条件分析与防治水方案研究[D]. 郑志远.合肥工业大学 2017
[4]煤矿水害致灾机理研究[D]. 孙魁.西安科技大学 2016
[5]厚松散层薄基岩下煤层开采综合防治水研究[D]. 熊法政.河南理工大学 2016
[6]承压水作用下底板突水机理及防治技术研究[D]. 王延蒙.中国矿业大学 2015
[7]承压水上采煤底板破坏规律及突水预测研究[D]. 杜伟升.河南理工大学 2015
[8]隧道富水地层帷幕注浆加固圈参数及稳定性研究[D]. 王刚.山东大学 2014
[9]承压水上采煤底板破坏突水机理研究[D]. 毕龙.西安科技大学 2012
[10]固液耦合作用下底板突水过程的数值模拟研究[D]. 王兴.安徽理工大学 2011
本文编号：3619777
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