【摘 要】
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煤矿底板突水事故研究是煤矿安全生产的重要内容,对煤层底板突水事故进行系统性分析,对煤矿安全生产具有重要意义。底板突水危险源辨识、危险源演化、危险源评价以及危险性动态评价方面亟待深入研究。因此,从系统安全工程理论出发,围绕底板突水危险源动态演化特征以及底板突水危险性动态评价两个关键科学问题,本文以底板突水危险源辨识为切入点,以“危险源分析→底板突水危险源演化特征→底板突水机理→底板突水危险源评价→底
【基金项目】
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国家重点研发“矿井水害危险源辨识与动态评价技术(2017YFC0804101)”;
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煤矿底板突水事故研究是煤矿安全生产的重要内容,对煤层底板突水事故进行系统性分析,对煤矿安全生产具有重要意义。底板突水危险源辨识、危险源演化、危险源评价以及危险性动态评价方面亟待深入研究。因此,从系统安全工程理论出发,围绕底板突水危险源动态演化特征以及底板突水危险性动态评价两个关键科学问题,本文以底板突水危险源辨识为切入点,以“危险源分析→底板突水危险源演化特征→底板突水机理→底板突水危险源评价→底板突水危险性动态评价”为主线,采用野外调研、理论分析、现场实测、对比分析、相似模型试验、数值模拟等多种方法相结合的手段,对底板突水危险源进行系统分类及辨识,对不同构造底板条件下动态危险源的演化特征进行对比分析,研究底板突水危险源及危险性评价方法及模型,并分析危险源防控措施,论文取得主要成果如下:(1)定义了底板突水危险源的概念,底板突水危险源是在煤层掘进或者开采过程中可能导致矿井底板突水事故发生的危险的根源或状态。阐明了危险源、风险、事故隐患以及事故在底板突水事故触发机制中的相关关系。(2)提出了基于三类危险源理论及触发状态的底板突水危险源系统性分类方法,将底板突水危险源划分为静态根源危险源和动态根源危险源两类;根据触发状态将静态根源危险源分为静态固有危险源和动态触发型危险源,然后从人、机、环境三方面对可识别危险源进行分类。基于底板突水危险源分类方法提出了基于故障树、MORT和能量释放理论的危险源辨识方法。(3)通过模型试验和数值模拟方法,研究了完整底板、隐伏陷落柱、隐伏断裂构造底板条件下煤层开挖过程中底板突水动态危险源的演化特征及突水模式。研究结果显示:1)底板高承压水可在承压含水层上方形成一定范围的承压水导升带,完整底板条件下底板突水事故发生的主要控制因素为底板抗破坏能力以及隔水层厚度,只有在底板破坏区域触及承压水导升带时会导致突水事故的发生。2)隐伏断裂构造对底板破坏区域及承压水导升带的发育有较大的促进作用,且容易在含水层上方出现岩体破坏情况,煤层开采过程中底板岩层及断层内部发生变形破坏,断层顶部上方水压突变证明了突水事故的发生。3)隐伏陷落柱发育条件下,突水事故的发生时间要早于隐伏断裂构造条件,且突水特征更为明显。4)对比结果显示,隐伏构造尤其是隐伏陷落柱的发育明显增大了底板塑性区发育,底板破坏深度增加。(4)提出了底板突水危险源评价的概念及内容。危险源评价是指,针对于事故发生的某一个危险源来评估危险源发生的可能性以及对事故的影响,是底板突水危险源辨识与危险性综合评价中重要的中间环节。基于危险源分类方法将底板突水危险源评价分为底板突水静态危险源评价、动态危险源评价、人和设备危险源评价。(5)提出了基于断裂构造控制指数FCI与断层突水点涌水量关系的断裂构造复杂程度评价方法,以及基于集对-三角模糊数(SPA-TFN)的底板含水层富水性的综合评价方法,并进行实例验证。阐明了底板突水动态危险源评价内容及方法,首先采用熵权法、变异系数法以及灰色关联法对统计资料中不同埋深下底板破坏深度与各主控因素关系进行分析验证,并利用多元线性回归方法得到适用于-500m下底板破坏深度公式。基于数值模拟进行L18(36)正交试验,分析深部煤层开采底板破坏深度主控因素敏感性强弱依次为埋深、砂层系数、倾角、采厚、工作面长度、水压。(6)提出了利用熵权法和层次分析法耦合的定性与定量相结合的方法对人和设备危险源进行评价。突水事故统计结果说明了人因危险源的重要性,因此,考虑人和设备危险源对底板突水危险性的影响。人和设备危险源不易作为底板突水危险性综合评价指标,进一步明确了危险源评价这一环节在底板突水事故研究中的重要性。(7)提出了底板突水危险性动态评价的改进动态变权-未确知测度理论模型,以及脆弱性-时间尺度动态评价方法,实现了煤层开采过程中不同阶段的底板突水危险性动态评价。基于目前底板突水危险性评价研究,提出将底板突水危险性评价方法划分为危险性静态评价及危险性动态评价两类。静态危险源评价是某个时间节点下底板突水危险性研究,是目前主要的评价方法,鉴于突水危险性的模糊不确定性,本文提出基于SPA-TFN的底板突水危险性静态评价方法,并进行实例验证。而底板突水危险性动态评价是指实现对煤层开挖过程的危险性评价,因此,本文提出了改进的动态变权-未确知测度理论模型,其次,提出了底板突水危险性动态评价的脆弱性-时间尺度评价方法,同时考虑多因素对底板突水的影响以及时间效应,实现了煤层开挖过程中不同阶段底板突水危险性的动态评价。论文共有图79个,表31个,参考文献200篇。
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