底板突水主控因素的敏感度分析
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摘要
矿井水害是影响和制约我国煤炭生产及煤炭产量的最大障碍之一,仅底板岩溶水一项就威胁着中国煤炭基地大约42%的储量不能开采。因此,研究煤层底板突水规律,对于煤矿安全生产具有十分重要的现实及理论意义。
本文运用FLAC3D有限差分软件模拟了不同工作面长度、采高、采深、水压及底板岩性条件下的底板破坏深度,运用正交分析法对模拟结果进行计算,研究分析了底板突水主控因素的敏感度。本文首先,根据实际生产突水经验及前人研究成果,详细论述了底板突水主要影响因素及各因素影响突水的作用原理,结合研究地质条件特点,确定出本文研究的主控因素。同时,以“下三带”理论为基础,运用岩石断裂力学理论,分析底板三带的形成机制及各带的计算公式,揭示底板突水的动态机理,为底板突水主控因素敏感度分析提供理论基础及方向性指导。然后,根据实际某矿条件确定模拟地质条件,根据现场实验条件选取主控因素的因素水平,运用正交试验法确定试验方案,运用FLAC3D软件进行数值模拟,确定出不同主控因素条件下的底板破坏深度。最终,运用正交分析法、图表法及线性回归等方法,进一步探讨了底板突水规律及底板突水主控因素敏感度,从而为预防底板突水,实现煤矿安全生产提供了理论指导。
底板突水是多种因素共同作用的结果,突水机理十分复杂。本文介绍了一种理想地质条件下的突水规律,在实际生产中,应该根据煤矿的具体情况进行突水模拟与预测,确定防治水措施。
Mine water disaster is one of the biggest obstacles affecting and restricting China's coal production. Only the floor karstic water threats about 42 percent China's coal base. Therefore, the research on water invasion regularity of coal floor has an important practical and theoretical significance for the coal mine safety production.
In this paper, FLAC3D finite difference software is used to simulate the depth of destroyed floor in different working face length, mining depth, exploiting thickness, water pressure and floor lithology. Then, simulation results are calculated by variance analysis method. On the basis of that the sensitivity of main controlling factors is determined. Firstly, according to the actual production experience and results of previous studies, main influence factors of floor water invasion and action principles of these factors are discussed. Then, combining geological conditions of this study, the controlling factors are determined. On the basis of "down three zone" theory, using rock fracture mechanics theory, the formation mechanism and calculation formula of the down three zone are analysis, and dynamic mechanism of floor water invasion is revealed. All of that provides a theoretical basis for sensitivity analysis of floor controlling factors. Then, according to the actual conditions, simulation geological condition is set. Meanwhile, combination experimental conditions, level values of controlling factors are determined. In order to reduce workload, author identified test plan using orthogonal test, and did the numerical simulation by FLAC3D. Through the work of before, the depth of destroyed floor under different controlling factors are determined. Eventually, using orthogonal analysis, charts and linear regression method, further discussed floor water invasion regularity and the sensitivity of main controlling factors. It's useful for preventing water invasion. And it provides a theoretical guidance for coal mine safety production.
Water-inrush is the result of many factors working together. So water-inrush mechanism is very complicated. This paper presents a simple water-inrush law under the ideal geological conditions. In the actual production, coal mines should be based on the specific circumstances of water-inrush simulation to determine water control measures.
本文运用FLAC3D有限差分软件模拟了不同工作面长度、采高、采深、水压及底板岩性条件下的底板破坏深度,运用正交分析法对模拟结果进行计算,研究分析了底板突水主控因素的敏感度。本文首先,根据实际生产突水经验及前人研究成果,详细论述了底板突水主要影响因素及各因素影响突水的作用原理,结合研究地质条件特点,确定出本文研究的主控因素。同时,以“下三带”理论为基础,运用岩石断裂力学理论,分析底板三带的形成机制及各带的计算公式,揭示底板突水的动态机理,为底板突水主控因素敏感度分析提供理论基础及方向性指导。然后,根据实际某矿条件确定模拟地质条件,根据现场实验条件选取主控因素的因素水平,运用正交试验法确定试验方案,运用FLAC3D软件进行数值模拟,确定出不同主控因素条件下的底板破坏深度。最终,运用正交分析法、图表法及线性回归等方法,进一步探讨了底板突水规律及底板突水主控因素敏感度,从而为预防底板突水,实现煤矿安全生产提供了理论指导。
底板突水是多种因素共同作用的结果,突水机理十分复杂。本文介绍了一种理想地质条件下的突水规律,在实际生产中,应该根据煤矿的具体情况进行突水模拟与预测,确定防治水措施。
Mine water disaster is one of the biggest obstacles affecting and restricting China's coal production. Only the floor karstic water threats about 42 percent China's coal base. Therefore, the research on water invasion regularity of coal floor has an important practical and theoretical significance for the coal mine safety production.
In this paper, FLAC3D finite difference software is used to simulate the depth of destroyed floor in different working face length, mining depth, exploiting thickness, water pressure and floor lithology. Then, simulation results are calculated by variance analysis method. On the basis of that the sensitivity of main controlling factors is determined. Firstly, according to the actual production experience and results of previous studies, main influence factors of floor water invasion and action principles of these factors are discussed. Then, combining geological conditions of this study, the controlling factors are determined. On the basis of "down three zone" theory, using rock fracture mechanics theory, the formation mechanism and calculation formula of the down three zone are analysis, and dynamic mechanism of floor water invasion is revealed. All of that provides a theoretical basis for sensitivity analysis of floor controlling factors. Then, according to the actual conditions, simulation geological condition is set. Meanwhile, combination experimental conditions, level values of controlling factors are determined. In order to reduce workload, author identified test plan using orthogonal test, and did the numerical simulation by FLAC3D. Through the work of before, the depth of destroyed floor under different controlling factors are determined. Eventually, using orthogonal analysis, charts and linear regression method, further discussed floor water invasion regularity and the sensitivity of main controlling factors. It's useful for preventing water invasion. And it provides a theoretical guidance for coal mine safety production.
Water-inrush is the result of many factors working together. So water-inrush mechanism is very complicated. This paper presents a simple water-inrush law under the ideal geological conditions. In the actual production, coal mines should be based on the specific circumstances of water-inrush simulation to determine water control measures.
引文
1.郭惟嘉等.底板突水系数概念及其应用[J],河北煤炭,1989(2):56-60
2.淮北矿务局.杨庄矿II633工作面底板原位测试及其突水可能性预测[D].煤科总院西安分院,1998
3.张金才,张玉卓,刘天泉.岩体渗流与煤层底板突水[M].北京:地质出版社,1997,91-92
4.李白英.预防采掘工作面底板突水的理论与实践[M].北京:煤炭工业出版社,1989
5.高航,沈光寒.承压水体上采煤的理论及其应用[J],山东矿业学院院报,1988(1):94-100
6.李白英等.采动矿压与底板突水的研究[J],煤田地质与勘探,1986(6):30-36
7.刘天泉.“三上一下”采煤技术的现状及其展望[J],煤炭科学技术,1995(1):5-7
8.王作宇.承压水上采煤[M].北京:煤炭工出版社,1993
9.王作宇.底板零位破坏带最大深度的分析计算[J],煤炭科学技术,1992(2):2-6
10.张金才.煤层底板突水预测的理论与实践[J],煤田地质与勘探,1989(4):38-41
11.张金才,刘天泉.论煤层底板采动裂隙带的深度及分布特征[J],煤炭学报,1990(2):46-54
12.黎良杰.采场底板突水机理的研究[D].徐州:中国矿业大学,1995
13.黎良杰,钱鸣高.底板岩体结构稳定性与底板突水关系的研究[J],中国矿业大学学报,1995(4):18-23
14.黎良杰,钱鸣高,张建军.采场底板突水的计算预测[M].北京:煤炭工业出版社,1995
15.B.H.G.布雷斯,E.T.布朗,冯树仁.地下采矿岩石力学[M].北京:煤炭工业出版社,1990
16.山东矿业学院、开滦矿务局、开滦赵各庄矿.改革采煤方法和开采工艺预防突水灾害的研究[M],1991
17.王连国,宋扬.煤层底板突水突变模[J],工程地质学报,2000,8(2):160-163.
18.高航,孙振鹏.煤层底板采动影响的研究[J],山东矿业学院学报,1987(2)
19.李白英.受奥灰承压水威胁煤层采场底板变形破坏规律研究[J],煤炭学报,1992(2)
20.刘伟韬.煤层底板断裂滞后突水机理及数值仿真研究[D],北京:中国矿业大学,2005
21.彭苏萍,王金安.承压水体上安全采[M].北京:煤炭工业出版社,2001
22.彭苏萍,孟召平.矿井工程地质理论与实践[M].北京:地质出版社,2002
23.丁严明.朱庄煤矿煤底板突水原因分析及综合防治[J],煤炭技术,2004(10):59-60
24.李白英等.煤层底板岩层阻水性能与其结构成分及组合形式的关系[J],矿井地质,1992(1):48-51
25.代长青,何廷峻.承压水体上开采底板断层突水规律的研究[J],安徽理工大学学报,2003(4):6-8
26.周瑞光,成彬芳等.断层破碎带突水的时效特性研究[J],工程地质学报,2000(4):411-415
27.武强,周英杰等.煤层底板断层滞后型突水时效机理的力学试验研究[J],煤炭学报,2003(6):561-565
28.葛亮涛,叶贵钧等.中国煤田水文地质学[M].北京:煤炭工业出版社,2001
29.邵爱军,刘唐生等.煤矿地下水与底板突水[M].北京:地震出版社,2001
30.刘天泉等.论煤层底板岩层中的采动影响规律及防水岩柱构成[J],煤科总院论文集,1987
31.赵阳升.矿山岩石流体力学[M].北京:煤炭工业出版社,1993
32.章梦涛等.煤岩流体力学[M].北京:科学出版社,1995
33.沈光寒,李白英,吴戈.矿井特殊开采的理论与实践[M].北京:煤炭工业出版社,1992
34.李白英.预防矿井底板突水的“下三带”理论及其发展与应用[J],山东矿业学院学报(自然科学版),1999,18(4)
35.张金才等.岩体渗流与煤层底板突水[M].北京:地质出版社,1997
36.刘天泉.大面积采场引起的采动影响及其时空分布规律[J],矿山测量,1981(1)
37.王经明.承压水沿煤层底板递进导升突水机理的模拟与观测[J],岩土工程学报,1999
38.王经明.承压水沿煤层底板递进导升突水机理的物理法研究[J],煤田地质与勘探,1999,27(6)
39.郑少河,朱维申,王书法.承压水上采煤的流固耦合问题研究[J],力学与工程学报,2000,(7):421-424
40.王红洁,王永兰等.恒应力速率下陶瓷材料的亚临界裂纹扩展模型[J],西安交通大学学报,1998,32(12)
41.吕宝桐,文潮.钠钙玻璃的亚临界裂纹扩展与疲劳强度[J],西北工业大学学报,1999,17(3)
42.吴智敏,宋玉普等.疲劳荷载作用下硷裂缝扩展过程[J],大连理工大学学报,1997,37(1)
43.罗礼,孙宗顺.双扭法研究岩石亚临界裂纹扩展速度和断裂韧度[J],岩土工程学报,1992,14(3)
44.肖洪天,杨若琼,周维垣.三峡船闸花岗岩亚临界裂纹扩展试验研究[J],岩石力学与工程学报,1999,18(4)
45.包亦望,王毅敏.脆性材料的亚临界裂纹扩展和双向应力的影响[J],硅酸盐通报,2000
46.孙秀堂,常成,王成勇.岩石临界CTOD的确定及失稳断裂过程区的研究[J],岩石力学与工程学报,1995,14(4)
47.刘亚军,肖洪天,李浩.岩石裂纹亚临界扩展速度的研究[J],武汉水利电力大学学报,2000,33(3)
48.章小丽.高脆性材料亚临界裂纹扩展机制的细观力学分析[J],太原工业大学学报,1996,27(2)
49.鞠杨,刘彩平,谢和平.混凝土断裂及亚临界扩展的细观机制[J],工程力学,2003,20(5)
50.中国科学院地质研究所.工程地质力学研究[M].北京:地质出版社,1985
51.李义吕,郑伦素.水文地质及工程地质学[M].北京:中国矿业人学出版社,1990
52.刘波,韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南[M].北京:人民交通出版社,2005
53.正交试验设计法编写组.正交试验设计法[M].北京:上海科学技术出版社,1979
54.张文泉.矿井(底板)突水灾害的动态机理及综合评测和预报软件开发研究[D],山东青岛:山东科技大学,2004
55.Liu Weitao,Wu Qiang,Ji Baojing.The numerical simulation of lag water-bursting for f0fault in fangezhuang coal mine[C],Progress in mining science and safety technology,2007,4:61-66
56.Liu Weitao,Wu Qiang,Ji Baojing.Analysis of deformation & destruction mechanism and stability of F0 fault crush zone in Fangezhuang coal mine[J],Journal of coal science &engineering,2007,13(3):261-265
57.张培森,采动条件下底板应力场及变形破坏特征的研究[D],山东青岛:山东科技大学,2004
58.刘洋,矿山压力对煤层底板破坏深度的数值分析[J],西安科技大学学报,2008,(1)
59.武强,张志龙等.煤层底板突水评价的新型实用方法Ⅰ—主控指标体系的建设[J],煤炭学报,2007,(1)
60.杜永,曾先贵等.兴隆庄矿下组煤底板岩层阻水性能影响因素分析[J],西部探矿工程,2007,(7)
61.王吉松,关英斌.煤层底板突水研究的理论方法[J],煤炭技术,2006,(1)
62.曹吉胜.高承压水作用下工作面突水机理数值模拟研究[D],山东青岛:山东科技大学,2006
63.陈刚,王琼.煤层开采对底板突水的影响[J],煤矿安全,2005,(4)
64.罗立平,彭苏萍.承压水体上开采底板突水机理的研究[J],煤炭学报,2005,(4)
65.海龙.基于流固耦合理论的煤层开采底板突水问题研究[D],辽宁:辽宁工程技术大学,2007
66.王慧明,张成银等.朱庄煤矿高压奥灰突水原因及机理分析[J],煤炭科技,2004,(1)
2.淮北矿务局.杨庄矿II633工作面底板原位测试及其突水可能性预测[D].煤科总院西安分院,1998
3.张金才,张玉卓,刘天泉.岩体渗流与煤层底板突水[M].北京:地质出版社,1997,91-92
4.李白英.预防采掘工作面底板突水的理论与实践[M].北京:煤炭工业出版社,1989
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7.刘天泉.“三上一下”采煤技术的现状及其展望[J],煤炭科学技术,1995(1):5-7
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12.黎良杰.采场底板突水机理的研究[D].徐州:中国矿业大学,1995
13.黎良杰,钱鸣高.底板岩体结构稳定性与底板突水关系的研究[J],中国矿业大学学报,1995(4):18-23
14.黎良杰,钱鸣高,张建军.采场底板突水的计算预测[M].北京:煤炭工业出版社,1995
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21.彭苏萍,王金安.承压水体上安全采[M].北京:煤炭工业出版社,2001
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26.周瑞光,成彬芳等.断层破碎带突水的时效特性研究[J],工程地质学报,2000(4):411-415
27.武强,周英杰等.煤层底板断层滞后型突水时效机理的力学试验研究[J],煤炭学报,2003(6):561-565
28.葛亮涛,叶贵钧等.中国煤田水文地质学[M].北京:煤炭工业出版社,2001
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32.章梦涛等.煤岩流体力学[M].北京:科学出版社,1995
33.沈光寒,李白英,吴戈.矿井特殊开采的理论与实践[M].北京:煤炭工业出版社,1992
34.李白英.预防矿井底板突水的“下三带”理论及其发展与应用[J],山东矿业学院学报(自然科学版),1999,18(4)
35.张金才等.岩体渗流与煤层底板突水[M].北京:地质出版社,1997
36.刘天泉.大面积采场引起的采动影响及其时空分布规律[J],矿山测量,1981(1)
37.王经明.承压水沿煤层底板递进导升突水机理的模拟与观测[J],岩土工程学报,1999
38.王经明.承压水沿煤层底板递进导升突水机理的物理法研究[J],煤田地质与勘探,1999,27(6)
39.郑少河,朱维申,王书法.承压水上采煤的流固耦合问题研究[J],力学与工程学报,2000,(7):421-424
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43.罗礼,孙宗顺.双扭法研究岩石亚临界裂纹扩展速度和断裂韧度[J],岩土工程学报,1992,14(3)
44.肖洪天,杨若琼,周维垣.三峡船闸花岗岩亚临界裂纹扩展试验研究[J],岩石力学与工程学报,1999,18(4)
45.包亦望,王毅敏.脆性材料的亚临界裂纹扩展和双向应力的影响[J],硅酸盐通报,2000
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48.章小丽.高脆性材料亚临界裂纹扩展机制的细观力学分析[J],太原工业大学学报,1996,27(2)
49.鞠杨,刘彩平,谢和平.混凝土断裂及亚临界扩展的细观机制[J],工程力学,2003,20(5)
50.中国科学院地质研究所.工程地质力学研究[M].北京:地质出版社,1985
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53.正交试验设计法编写组.正交试验设计法[M].北京:上海科学技术出版社,1979
54.张文泉.矿井(底板)突水灾害的动态机理及综合评测和预报软件开发研究[D],山东青岛:山东科技大学,2004
55.Liu Weitao,Wu Qiang,Ji Baojing.The numerical simulation of lag water-bursting for f0fault in fangezhuang coal mine[C],Progress in mining science and safety technology,2007,4:61-66
56.Liu Weitao,Wu Qiang,Ji Baojing.Analysis of deformation & destruction mechanism and stability of F0 fault crush zone in Fangezhuang coal mine[J],Journal of coal science &engineering,2007,13(3):261-265
57.张培森,采动条件下底板应力场及变形破坏特征的研究[D],山东青岛:山东科技大学,2004
58.刘洋,矿山压力对煤层底板破坏深度的数值分析[J],西安科技大学学报,2008,(1)
59.武强,张志龙等.煤层底板突水评价的新型实用方法Ⅰ—主控指标体系的建设[J],煤炭学报,2007,(1)
60.杜永,曾先贵等.兴隆庄矿下组煤底板岩层阻水性能影响因素分析[J],西部探矿工程,2007,(7)
61.王吉松,关英斌.煤层底板突水研究的理论方法[J],煤炭技术,2006,(1)
62.曹吉胜.高承压水作用下工作面突水机理数值模拟研究[D],山东青岛:山东科技大学,2006
63.陈刚,王琼.煤层开采对底板突水的影响[J],煤矿安全,2005,(4)
64.罗立平,彭苏萍.承压水体上开采底板突水机理的研究[J],煤炭学报,2005,(4)
65.海龙.基于流固耦合理论的煤层开采底板突水问题研究[D],辽宁:辽宁工程技术大学,2007
66.王慧明,张成银等.朱庄煤矿高压奥灰突水原因及机理分析[J],煤炭科技,2004,(1)
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