[00114443]煤矿底板构造突水理论模型与应用

“煤矿底板构造突水理论模型与应用”是中国矿业大学（北京）等单位共同完成的科技项目，属于煤矿开采技术领域。项目针对煤矿底板构造突水理论模型与应用问题，系统研究了突水规律地质力学试验平台、导水陷落柱突水机理，断层突水机理、底板破坏深度、非构造影响底板裂隙突水机理等问题并进行了工业性试验。该项目是国家重点基础研究发展计划（973计划）课题“矿井突水的动力学特征及控制因素”（2007CB209402）的研究成果。　　（1）基于渗水井与流体力学理论，首次综合考虑了陷落柱柱壁破坏、水力围岩渗透、采动破坏作用，建立了隐伏陷落柱突水的物理模型及判据；建立了椭圆断面陷落柱突水的理论模型，基于弹塑性力学理论，得到了壁厚对孔边应力的影响系数，推导了椭圆形截面厚壁筒力学模型受到均布内压作用下的孔边应力方程，获得了椭圆形厚壁筒孔边应力的分布规律，提出了其突水的正交各向异性及突水力学判据。　　（2）建立了底板隐伏断层突水的劈裂破坏力学模型，分析了底板破坏区至断层的最短距离；利用断裂力学理论，分析了含斜裂缝有限板裂缝尖端的应力强度因子计算公式，推导了承压水发生劈裂破坏的临界水压力以及影响因素，在一定承压水压力作用下底板保持稳定的最小尺寸，获得了底板断层突水的充分必要条件。　　（3）研制了矿井突水规律地质力学试验系统，该系统可进行底板、断层、陷落柱等突水相似模拟试验，可以获得采动应力场、水均衡场、岩体视电阻率、采动突水量等参数；进行了底板构造突水试验，获得了底板构造突水的若干规律；利用数字散斑相关方法，实现了物理模型实验位移场非接触式观测，获得了隐伏断层采动活化的表象特征。　　（4）研究了直流电法观测底板导水破坏深度电极观测点的空间地质定位，提出了视电阻率变化1.5倍作为底板破坏深度边界的临界判据，形成了直流电法观测底板破坏深度的空间定位方法，应用于赵固（新乡）能源有限责任公司和五阳煤矿，实现了突水威胁煤层安全高效开采，取得了显著的经济与社会效益。　　（5）建立了“预测预报、高水压钻探、反复透孔注浆、直流电法验证”成套的底板加固技术，研究了“分散制浆、细管输浆、双重固管防喷”的超高压注浆方法，并在赵固（新乡）能源有限责任公司和赵固二矿11011工作面前300m成功应用，通过对底板加固改造的效果进行了验证，结果表明注浆效果比较理想，满足了开采需要。　　项目研究成果丰富了我国矿井突水的水害防治理论体系，为遏制我国重大矿井突水事故的发生提供理论基础，对改善我国煤矿生产的安全形势具有重要意义。由中国煤炭工业协会组织的项目鉴定委员会认为，该项目成果在煤矿底板构造突水理论方面达到国际领先水平。　　本课题申请发明专利3项，发表高水平学术论文40余篇，其中SCI、EI检索15篇。　　课题组注重产、学、研、用一体化和研究成果的应用推广，研究成果在试验矿井三个工作面成功进行了应用，采出水害威胁煤层原煤479.8万t，直接经济效益15亿多。