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基于水压致裂法的断层防水煤柱合理留设研究

作　者: 王进尚
导　师: 胡耀青
学　校: 太原理工大学
专　业: 采矿工程
关键词: 水压致裂煤层强度防水煤柱数值模拟
分类号: TD745
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

煤炭是我国的主要能源之一。但是,随着矿井深度的不断延伸,煤炭资源的开采受水害威胁日趋严重,已经成为影响煤矿安全生产的五大灾害之一。煤矿绝大多数突水发生都与断层有着直接或间接的关系,留设断层防水煤柱是防止构造突水的重要措施。因此,研究断层防水煤柱的合理留设将是一件很有意义的课题。本文通过水压致裂原位测试方法实测了太原东山煤矿煤层的抗拉强度,为断层留设防水煤柱提供了科学依据。主要从以下几个方面做了一些研究：(1)比较全面地介绍了断层突水机理,“活化”是回采影响断层突水中断层成为突水通道的必要条件,而不是充分条件,断层面中的裂隙张开并连通是断层突水通道的充分条件。(2)总结了水压致裂的理论原理,分析了煤层水力压裂特征,通过实验室试验和工业性试验,‘水压致裂原位测试方法测煤的抗拉强度是可行的。(3)研究了太原东山煤矿所处的构造部位,得出断层是该矿井的突水主要通道。采取针对性措施主要有注浆改造、探放水和留设防水煤柱,其中应用较多的是留设防水煤柱方法。(4)利用水压致裂原位测试方法分别实测了太原东山煤矿71505工作面、51519工作面和750南皮带运输大巷并获得煤层抗拉的强度参数。(5)应用所测煤层抗拉强度0.63MPa,并综合考虑矿山压力、构造应力和水压力对断层防水煤柱影,确定太原东山煤矿防水煤柱尺寸,该参数使得防水煤柱宽度大为缩小,明显增加了煤矿的可开采储量,具有很大的应用前景。(6)利用ANSYS程序结构建立了二维数值模拟模型,分别对随着断层上下盘进行工作面的开挖,巷道开采过程引起断层附近应力、应变的活动规律进行模拟,进一步验证了上盘比下盘开挖更容易使断层发生活化其准确性,为今后确定断层防水煤柱有着重要的价值。实践证明,水压致裂方法原位测试获得煤层的强度参数符合实际,设备简单,测值直观,具有代表性,适用性强,测试周期短等优点,该方法在矿井水害方面有广阔的发展前景和应用范围,对断层防水煤柱科学留设具有很大的意义。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-18
  1.1 引言  10
  1.2 国内外研究现状及存在的问题  10-15
    1.2.1 煤层断层突水研究现状  10-12
    1.2.2 断层防水煤柱留设的研究现状  12-13
    1.2.3 水压致裂法的研究现状  13-14
    1.2.4 存在的问题  14-15
  1.3 论文的主要研究内容和方法  15-18
    1.3.1 研究内容  15
    1.3.2 研究方法与技术路线  15-18
第二章断层突水机理  18-24
  2.1 断层突水的力学特征  18-20
  2.2 断层突水机理  20-22
  2.3 断层突水规律  22
  2.4 断层突水形式  22-24
第三章水压致裂强度测试理论  24-36
  3.1 理论基础  24-26
  3.2 水压致裂测试原理  26-27
  3.3 煤的抗拉强度测试技术及大小的确定  27-32
  3.4 煤层水力压裂的特征  32-35
  3.5 煤层水力压裂测试在防水煤柱留设中的作用  35-36
第四章水压致裂法在太原东山煤矿中的应用  36-68
  4.1 东山概况  36-46
    4.1.1 东山自然地理与地质环境概况  36-37
    4.1.2 区域地质及水文地质  37-44
    4.1.3 矿区水害情况  44-45
    4.1.4 矿区水害防治概况  45-46
  4.2 71505工作面测试工程  46-51
    4.2.1 工作面测试条件  46
    4.2.2 测点选择  46
    4.2.3 测试工程实施  46-48
    4.2.4 测试结果  48-51
  4.3 51519工作面测试工程  51-57
    4.3.1 工作面测试条件  51-52
    4.3.2 测试工程布置  52-53
    4.3.3 测试结果  53-57
  4.4 750南皮带运输大巷垂直致裂测试工程  57-64
    4.4.1 测试设备  57
    4.4.2 工程布置  57-59
    4.4.3 测试结果  59-64
  4.5 煤层抗拉强度确定  64-68
第五章断层防水煤柱尺寸留设  68-82
  5.1 断层防水煤柱留设影响因素分析  68-70
    5.1.1 断层的特征  68-69
    5.1.2 矿山压力  69
    5.1.3 水压力  69-70
  5.2 断层防水煤柱合理留设宽度的确定  70-76
    5.2.1 断层上盘煤柱的留设  70-75
    5.2.2 断层下盘煤柱的留设  75-76
  5.3 工作面开挖对断层煤柱影响的数值模拟  76-82
    5.3.1 数值模型建立  76-78
    5.3.2 工作面开挖对断层面应力的影响  78-82
第六章结论与展望  82-85
  6.1 结论  82-83
  6.2 展望  83-85
参考文献  85-88
致谢  88-89
攻读学位期间发表的学术论文目录  89

基于水压致裂法的断层防水煤柱合理留设研究

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