陷落柱填隙物渗透特性及其工程应用研究

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煤矿突水是煤矿安全开采面临的主要灾害之一,而由陷落柱引发的突水事故时有发生,陷落柱一旦发生突水事故,将造成重大人员伤亡、经济损失和社会负面影响,严重威胁煤矿安全开采工作。虽然,长期以来国内外学者对陷落柱进行了大量研究,但针对陷落柱填隙物渗透及力学特性的研究相对较少。因此,对陷落柱填隙物渗透及力学特性的研究,为工程应用服务,具有十分重要的意义。本文以陷落柱填隙物为研究对象,依据陷落柱填隙物地质环境特征,通过室内试验研究含水率、固结作用时间和固结压力对其渗透及力学特性的影响。并利用FLAC3D数值仿真技术,综合分析煤矿陷落柱填隙物在流固耦合作用下的煤矿突水危险性,为工程应用提供参考价值。得到以下结论:(1)由于传统土工固结试验仪的固结压力、尺寸难以满足试验需求。现为研究不同含水率、不同固结作用时间和不同固结压力对陷落柱填隙物渗透及力学特性的影响。通过自主设计研制的杠杆式高压固结仪试验装置,依据泰波级配理论对陷落柱填隙物试验材料进行配比,制备陷落柱填隙物重塑试样。为开展室内试验、数值模拟等研究奠定基础。(2)陷落柱填隙物重塑试样渗透率介于3.90×10-16m241.56×10-16m2之间,且渗透率随含水率的增加而增加,随固结作用时间、固结压力的增加呈现先增加后降低的趋势;重塑试样单轴抗压强度介于0.52MPa1.17MPa之间,单轴抗压强度随含水率、固结作用时间、固结压力的增加均呈现先增加后降低的趋势;渗透率、单轴抗压强度与孔隙度的相关性较差,且孔隙度介于8%21%之间。(3)以实际工程为背景,基于试验数据,将陷落柱填隙物进行分段处理赋值不同参数,建立三维计算模型,运用FLAC3D数值模拟软件,对煤层过及未过陷落柱填隙物工况进行流固耦合作用下的数值计算,分析孔隙水压、渗流矢量、塑性区破坏特征等变化规律,揭示陷落柱突水机理。(4)陷落柱突水前,其内外孔隙水压依次经过缓慢上升、平缓稳定和快速下降三个变化阶段;距陷落柱21.7m时,煤层工作面超前塑性破坏区与陷落柱塑性区贯通,形成导水通道,可能引发陷落柱突水。因此,为保障煤矿安全生产,确定陷落柱突水位置,指导实际工程应用,本文条件下,工作面应留取6.7m的极限安全采距。
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