本書以國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料為基礎(chǔ)，以實(shí)用礦壓理論為指導(dǎo)，融合構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)與采礦學(xué)等多個(gè)學(xué)科，采用理論計(jì)算、實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等綜合研究方法，分析了采動(dòng)影響下工作面圍巖應(yīng)力及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，探求了因工作面采動(dòng)效應(yīng)而誘發(fā)斷層活化的機(jī)理，確定了斷層防水煤柱的最優(yōu)留設(shè)方案，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用。合理的斷層防水煤柱寬度的留設(shè)既避免了防水煤柱太大造成煤炭資源損失和生產(chǎn)接續(xù)緊張，又有效的預(yù)防了斷層突水造成財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡，研究具有重大的理論和現(xiàn)實(shí)意義。 本書是作者近年來在該領(lǐng)域的研究成果總結(jié)，可供采礦、水利、工程力學(xué)等學(xué)科的廣大科技工作者及相關(guān)專業(yè)的高校師生、研究生參考。

從過去煤礦底板突水事故中的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)資料和突水原因分析中可以看出,煤礦采場(chǎng)工作面底板突水事故中,80%左右的事故是發(fā)生在有斷裂等構(gòu)造的破裂底板中。破裂底板中的結(jié)構(gòu)面削弱了底板的力學(xué)強(qiáng)度,在煤炭井下斷裂帶開采過程中,常常由于采動(dòng)引起斷裂帶附近頂、底板巖體變形和破壞。在采動(dòng)影響下,原巖應(yīng)力重新分布,在支承壓力的作用下,斷層上、下盤相互錯(cuò)動(dòng),使得斷層面上的膠結(jié)物被“剪開”,斷層上、下盤呈斷開狀態(tài),斷層活化。對(duì)于非導(dǎo)水?dāng)鄬佣?斷層“活化”使得非導(dǎo)水?dāng)鄬愚D(zhuǎn)化為導(dǎo)水?dāng)鄬?承壓水通過活化

斷層與底板破壞區(qū)逐步溝通,并隨著采空區(qū)應(yīng)力的釋放,承壓水通過破壞的巖石裂隙進(jìn)入工作面,造成突水事故。

斷層不僅改變了巖體的力學(xué)性質(zhì),降低了其強(qiáng)度指標(biāo)和變形模量,同時(shí)也嚴(yán)重影響巖體的滲透性質(zhì)。斷層中的水不僅與斷層中巖體發(fā)生物理、化學(xué)等方面的作用,而且由于斷層中水壓的變化會(huì)引起巖體應(yīng)力分布的改變,而巖體應(yīng)力的改變又會(huì)引起巖體中孔隙的變化,從而反過來又改變地下水流量與水壓力。正確認(rèn)識(shí)和分析采動(dòng)過程中底板斷層活化和突水的力學(xué)機(jī)理,采取有效手段,合理確定斷層防水煤柱、開采方法和回采工藝,不僅關(guān)系到礦井的生產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)效益,也關(guān)系到煤炭資源回收、礦區(qū)水資源保護(hù)和煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

本書涉及知識(shí)面較廣,內(nèi)容豐富翔實(shí),是作者近年來一直在此領(lǐng)域潛心研究的結(jié)晶,也是國內(nèi)又一本關(guān)于采動(dòng)誘發(fā)斷層活化突水方面的理論研究專著,可供采礦、土木、水利、工程力學(xué)等學(xué)科的廣大科技工作者及相關(guān)專業(yè)的高校師生、研究生參考。

本書出版獲得了國家自然科學(xué)基金(51109124,51379119,41472281)、高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20113718120009)、中國博士后科學(xué)基金(20090461257)、煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(JYBSYS2014106)、山東科技大學(xué)學(xué)術(shù)著作出版基金及礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目的資助。

在項(xiàng)目研究及實(shí)施過程中,有幸得到了皖北煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司吳玉華總工程師、趙開全總工程師、段中穩(wěn)副處長,安徽臥龍湖煤礦有限責(zé)任公司焦殿志總工程師,安徽五溝煤礦有限責(zé)任公司李建礦長、楊耀文總工程師、陽華副總工程師、吳俊松高級(jí)工程師、解健科長、劉小軍工程師、劉四方工程師等的大力支持和幫助,且各位專家在試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)時(shí)提出了指導(dǎo)性的設(shè)計(jì)思路和建議。

在現(xiàn)場(chǎng)資料收集、試樣制作及工程試驗(yàn)及實(shí)踐過程中,得到了安徽五溝煤礦有限責(zé)任公司、安徽臥龍湖煤礦有限責(zé)任公司及兗州煤業(yè)股份有限公司楊村煤礦等單位和工程技術(shù)人員的大力幫助。

在本書編寫過程中,有幸得到了山東科技大學(xué)林東才教授、陳紹杰副教授等的大力支持與幫助;研究生楊健、趙凱、王明輝、王浩、闞忠輝、陳陽洋、趙仕鈞、苗旺、李凱等做了大量的現(xiàn)場(chǎng)資料收集、文字及圖表處理等工作。

借本書出版之際,作者對(duì)以上各位專家、老師及朋友們對(duì)本項(xiàng)研究及本書出版的指導(dǎo)、支持和幫助表示衷心感謝! 在本書寫作過程中,參考了大量相關(guān)文獻(xiàn)資料,由于資料來源廣,難以一一予以注明和查實(shí),請(qǐng)相關(guān)作者給予諒解,并致以誠摯的謝意!

限于作者的研究水平和條件,書中難免存在不足之處,真誠期望同行專家及閱讀本書的讀者不吝賜教,提出寶貴的批評(píng)與建議。

著 者

2015年01月

1 緒論………………………………………………………………………………………… 1

1.1 研究背景…………………………………………………………………………… 1

1.2 研究現(xiàn)狀…………………………………………………………………………… 1

1.3 相關(guān)研究存在的問題……………………………………………………………… 6

1.4 主要研究內(nèi)容……………………………………………………………………… 7

2 采動(dòng)工作面圍巖應(yīng)力及運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究…………………………………………………… 9

2.1 采動(dòng)覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律研究……………………………………………………… 9

2.2 煤層底板巖體應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律分析………………………………………………… 17

2.3 本章小結(jié)…………………………………………………………………………… 27

3 斷層帶的力學(xué)性質(zhì)及活化突水機(jī)理研究………………………………………………… 28

3.1 斷層帶的力學(xué)性質(zhì)及水文地質(zhì)特征……………………………………………… 28

3.2 斷層帶突水的影響因素…………………………………………………………… 33

3.3 采場(chǎng)底板斷層活化機(jī)理的力學(xué)研究……………………………………………… 40

3.4 本章小結(jié)…………………………………………………………………………… 45

4 斷層探測(cè)及其富水導(dǎo)水性研究…………………………………………………………… 46

4.1 研究區(qū)域地質(zhì)條件概況…………………………………………………………… 46

4.2 主要研究斷層的地質(zhì)特征………………………………………………………… 56

4.3 斷層富水導(dǎo)水性的試驗(yàn)研究……………………………………………………… 82

4.4 本章小結(jié)…………………………………………………………………………… 97

5 斷層突水的固液兩相相似材料模擬試驗(yàn)………………………………………………… 98

5.1 相似理論…………………………………………………………………………… 98

5.2 試驗(yàn)?zāi)康摹?98

5.3 相似模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)………………………………………………………………… 99

5.4 試驗(yàn)結(jié)果分析…………………………………………………………………… 106

5.5 本章小節(jié)………………………………………………………………………… 112

6 斷層突水危險(xiǎn)性的流固耦合模擬研究………………………………………………… 113

6.1 數(shù)值模擬軟件簡(jiǎn)介與計(jì)算原理………………………………………………… 113

6.2 雙場(chǎng)耦合條件下不同斷層防水煤柱的模擬分析……………………………… 121

6.3 本章小節(jié)………………………………………………………………………… 159

7 斷層防水煤柱合理留設(shè)………………………………………………………………… 161

7.1 各斷層防水煤柱寬度理論計(jì)算………………………………………………… 161

7.2 斷層防水煤柱合理寬度的綜合確定…………………………………………… 165

8 結(jié)論……………………………………………………………………………………… 167

參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………… 169