[01591988]深部煤层底板劣化岩体突水机理及其预测预控技术研究

课题来源与背景： 课题来源：国家自然科学基金委员会,面上项目,深部采动场效应诱导下非导水断层活化突水致灾机理基础研究（No:51379119）;山东省科学技术厅 ,山东省重点研发计划,深部煤层回采诱发隐伏断层耦合突水动力灾害预测与防治关键技术（2018GSF120009）。 背景： 随着国民经济的快速发展,能源消耗量日益增加,对煤炭的需求逐渐加大,全国煤炭总产量逐年提升,在高峰期达到37.6亿t/年。矿山开采可引发一系列灾害事故,如矿井突水、煤与瓦斯突出、顶板垮塌、冲击地压等,据不完全统计,2008-2019年间全国共发生煤矿水害事故133起,死亡644人,分别占统计年份区间内事故总起数和死亡总人数的13.5%、14.8%。随着煤炭产业由“重产能,轻安全”的现象向“安全-高效-绿色”的新发展理念转变,尤其是国家对于安全生产的重视程度进一步提升,各相关职能部门陆续出台新的、更符合时下要求的条例规程对煤矿灾害进行预防和控制,使得矿山灾害事故多发的严峻态势出现好转,但仍时有发生,事故往往会造成巨大的人员伤亡和经济损失,因此开展“深部煤层底板劣化岩体突水机理及其预测预控技术研究”项目研究具有重要理论意义及实践价值。 技术原理及性能指标： 技术原理： 项目以实际地质资料为背景,借助理论分析、试验研究、数值分析、现场实测相结合的研究方法,采用试验定性与模拟及理论定量相结合的方式,深入分析了在不同工况条件下深部煤层底板劣化岩体的破坏特征及其差异性,探究了深部煤层底板劣化岩体的突水机理,形成了突水预测预控技术,为受底板水害的矿井安全生产提供了理论依据及技术参考。 性能指标： （1）确定了煤层底板组合结构类型,即完整、非完整层状底板组合结构类型; （2）测试量化了注浆前、后底板最大破坏深度,减少率为17.4%; （3）工作面煤炭资源回收率由95%提高到98%。 技术的创造性与先进性： （1）以系统分析矿区实际地质资料为基础,划分了底板岩体的组合结构--完整层状、非完整层状底板岩体组合结构; （2）借助断裂损伤力学等理论,构建了完整层状及非完整层状底板岩体组合结构的突水力学模型,分析了劣化岩体所承受的极限水压和裂隙失稳扩展的影响因素及裂隙失稳的风险程度,推导获得了劣化岩体承受极限水压的表达式; （3）利用RockTop多场耦合试验仪及拥有独立知识产权的专利技术,分析了劣化岩体的渗透特性,获得了深部煤层底板劣化岩体的采动效应及其差异性; （4）构建了劣化岩体的渗透性变化函数,模拟分析了多场耦合效应下工作面回采引发不同组合结构底板采动效应的特征,并揭示了底板劣化岩体的突水机理; （5）构建了煤层底板突水的Fisher判别模型,进行了突水危险性预测分析,优化设计了底板隔水层注浆改造方案,并对工作面回采引发底板破坏特征及程度进行了现场测试,验证了预测预控技术的有效性及可靠性。 技术的成熟程度、适用范围和安全性： 项目系统分析了深部煤层底板劣化岩体突水机理,提出了突水预测预控技术,形成了可推广的技术成果,推动了行业的技术进步。研究成果为深部煤层底板水害防治与技术措施制定提供科学依据,成果可转换可复制。项目成果所推导的理论合理,试验手段多样,理论与现场实践结合紧密,研究成果对矿井深部煤层安全开采提供了理论指导和技术支撑,并形成了较好的经济效益,有很好的推广价值与应用前景。 应用情况及存在的问题： 应用情况： 本项目研究成果先后在枣矿集团、济矿集团、恒源煤电集团等下属矿井进行了工业试验及推广应用,实践证明,基于深部煤层底板劣化岩体突水机理及其预测预控技术研究成果,可有效阻止底板突水事故的发生,提高煤炭采出率,具有较大的实际应用价值。 存在的问题： （1）分析底板劣化岩体采动破坏特征时,忽视了动水压力及水化损伤作用,与客观实际还存在一定差距。 （2）对流固耦合效应进行相似材料实验研究时,未实现固液两相介质的真实耦合,与实际条件有差异。 此外,对于底板突水机理及预测预控技术,仍需增加推广应用,并进一步完善验证。