摘要
峰峰矿区为我国典型的华北型煤田大水矿区，其底部广泛分布有水压力较大的奥陶系灰岩含水层。随着浅层煤炭资源逐步开采殆尽，部分矿井开采煤层的埋深逐渐大于1000m，煤层底板与含水层之间的有效隔水层厚度不断减小。而深部煤层通常处于高地应力、高承压水压力以及断裂构造广泛发育的复杂地质环境中，底板突水通道也逐渐由采动裂隙转变为断裂构造。因此，如何保证受底板突水威胁的矿井安全生产，是亟需解决的重大科学问题之一。本文选择峰峰矿区梧桐庄矿为研究区域，在充分收集整理以往突水事故资料的基础上，利用相似材料模拟试验与数值仿真模拟方法分别再现煤层底板断裂构造突水过程。研究工作面回采过程中采场岩体所受不同物理量的变化规律，阐明多物理场耦合机制，结合各物理量在突水前后的响应特征差异，提出突水预警信息。取得的研究成果如下： （1）在充分收集和整理峰峰矿区梧桐庄矿以往突水事故资料的基础上，选择182201工作面底板断裂构造突水作为典型突水案例。基于流-固耦合理论，确定相似比，再现底板断裂构造突水过程：随着工作面持续回采，断层活化区与底板破坏区之间出现采动裂隙，当宽度达2mm时，形成突水通道，采场内水量增大，出现突水现象。确定工作面回采至40cm左右时，为重点监测各物理量变化的时刻。 （2）结合所设计的相似材料模拟模型，利用FLAC3D仿真模拟软件建立数值模型。研究工作面回采过程中采场岩体应力场、位移场以及贯穿断层渗流场的演化特征：随着工作面向前回采，底板岩层所受应力经历增加-陡升-突降的变化过程；底板岩层产生向上的位移，并逐渐趋于稳定；靠近工作面底板的岩体所受水压力稳定增加，在达到极值后缓慢降低。底板岩层产生形变受应力的影响更为明显；贯穿断层上部岩体各物理场之间的相关系数较高，说明采动影响至下伏含水层，岩体的位移为水沿断层向上流动提供空间。 （3）分别基于相似材料模拟试验和数值仿真模拟结果分析工作面回采过程中突水位置所受不同物理量的变化规律：工作面回采至35cm~45cm时，底板岩层突水位置所受应力急剧降低，出现有最小峰值，贯穿断层突水位置所受水压力出现断崖式跌落。底板岩层突水位置所受应力和水压力的变化幅度更强烈，说明底板岩层中各物理量对突水的响应特征更为明显，更适合作为断裂构造突水的预警信息。
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