国家重点基础研究发展计划.doc

国家重点基础研究发展计划（973计划）课题任务书项目名称：煤矿突水机理与防治基础理论研究课题编号：2007CB209403课题名称：采动岩体裂隙演化及隔水关键层的形成条件中华人民共和国科学技术部制2007-7一、研究内容1、研究内容本课题围绕“煤矿突水机理与防治基础理论研究”项目拟解决的第二个科学问题“采动岩体结构破坏与裂隙演化及渗流突变规律”，研究采动岩体结构运动过程中的导水裂隙分布与演化规律，研究隔水关键层的形成条件及控水作用机理。具体包括：（1） 采动岩体结构破坏与裂隙时空演化规律研究岩层采动破断与结构运动过程中的导水裂隙时空演化规律；研究岩层结构组合与关键层复合破断、煤层厚度、工作面长度与推进速度等对采动导水裂隙场动态演化的影响规律；研究采动应力与采动裂隙的耦合效应；研究采动岩体导水裂隙分布的定量描述方法；研究揭示岩层采动导水裂隙发育区和易贯通区；建立采动岩体导水裂隙场分布理论。（2） 断层构造裂隙的采动活化机理研究断层构造裂隙在采动条件下的活化机理及影响因素；研究工作面推进方向对正断层和逆断层活化的不同影响规律；研究揭示工作面开采参数对断层活化的影响规律；研究采动断层活化对采动岩体导水裂隙场分布的影响规律。（3） 隔水关键层形成条件及控制机理研究顶底板隔水关键层的形成条件和作用规律，具体包括采动岩体隔水关键层的存在性判别方法，采动应力与载荷变化对隔水关键层稳定性的影响，承压含水层作用对关键层破断与结构稳定的影响规律，关键层厚度和与其它岩层不同组合方式对阻隔水性能的影响规律，隔水关键层破损后的加固规律等。2、拟解决的关键科学问题（1） 采动覆岩移动过程中的导水裂隙演化规律及其影响因素。（2） 断层构造裂隙的采动活化机理及其对导水裂隙分布的影响。（3）顶底板隔水关键层的形成条件及其判别方法。3、研究特色与创新点本课题研究特色：岩层采动裂隙是形成矿井突水通道的主要原因，研究和掌握采动岩体裂隙演化规律，对判断矿井突水的发生，制订矿井水害防治决策具有重要意义。尽管我国岩石力学、采矿工程学等相关科技工作者在此方面已经进行了大量研究，已经取得了“三带”理论和导水裂隙带高度预计方法等重要成果，对矿井水害防治起到很大的指导作用。但是，事实证明，传统导水裂隙理论指导下的防水措施尚不能完全杜绝突水事故的发生。本课题研究的特色在于，主要针对传统导水裂隙理论不能合理解释的异常突水工程问题及保水采煤技术要求，以岩层控制的关键层理论为指导，综合采用工程测试、模拟实验、理论分析等研究手段，理论与实际相结合，全面深入地开展岩层采动导水裂隙分布理论和隔水关键层理论的研究。本课题研究的主要创新点：（1） 揭示采动覆岩移动过程中的导水裂隙演化规律及其影响因素，修正和发展传统顶板导水裂隙带预计方法，形成基于岩层控制关键层理论的顶板导水裂隙带高度预计方法。（2） 揭示断层构造裂隙的采动活化机理及其对导水裂隙分布的影响，建立断层采动活化的判据。（3） 建立隔水关键层模型，揭示隔水关键层的形成、作用和加固机理，形成顶底板隔水关键层的判别方法。二、预期目标总体目标：研究揭示采动岩体导水裂隙时空演化及其影响因素，建立采动岩体导水裂隙场分布理论；研究揭示隔水关键层的形成条件和控制作用机理，为研究矿井突水形成条件和防治等提供理论基础。五年预期目标：（1） 在理论研究方面揭示采动覆岩移动过程中的导水裂隙演化规律及其影响因素，形成基于岩层控制关键层理论的顶板导水裂隙带高度预计方法。揭示断层构造裂隙的采动活化机理及其对导水裂隙分布的影响，建立断层采动活化的判据。建立隔水关键层模型，揭示隔水关键层的形成、作用和加固机理，形成顶底板隔水关键层的判别方法。（2） 在工程实践方面应用相关理论研究成果，分别指导开展华东矿区邻近松散承压含水层工作面突水机理及防治的工程实践研究和神东矿区补连塔井田综采面异常涌水机理及防治的工程实践研究等。（3） 在研究成果方面在国内外高水平学术期刊发表论文15篇（其中10篇SCI、EI收录论文）。出版专著1部。申请发明专利12项。培养博士生5名、硕士生10名。研究成果获省部级科技进步奖1项。三、研究方案及技术路线1、 总体研究思路综合运用岩石力学、断裂力学和采动岩体结构理论、岩层控制的关键层理论及工程探测与模拟方法，系统研究采动岩体裂隙时空演化及隔水关键层的形成条件。首先，运用采动岩体力学理论，研究建立采动岩层结构组合模型和复合关键层力学模型，研究采动岩层结构破断运动规律及对采动裂隙时空演化的影响规律；然后，通过现场钻孔电视和钻孔冲洗液法观测和统计，分析煤层厚度、工作面长度与推进速度等对采动裂隙场动态演化的影响规律。通过相似材料物理模拟试验和数值模拟试验研究断层构造裂隙采动活化的规律。利用RFPA等数值模拟方法深入分析隔水关键层的作用机理。从隔水关键层的地质成因、采动条件下隔水关键层存在的判别方法、隔水关键层的结构与稳定影响规律等方面，研究探讨隔水关键层对矿井突水防治的作用和意义。2、 研究方案与技术路线本项目采用现场测试、理论分析、数值计算、实验室实验与工程实践等综合方法开展研究。1）理论分析与数值计算：研究建立采动岩层结构组合模型和复合关键层力学模型，研究采动岩层结构破断运动规律及对采动裂隙时空演化的影响规律；基于岩层控制的关键层理论与数值计算开展采动岩体应力与裂隙场时空演化规律的研究；采用力学方法及砌体梁力学模型的“SR”稳定理论分析关键层破断前后采动应力与裂隙时空发育规律。建立采动条件下，位于工作面采动影响范围内各个区域，正断层、逆断层的力学分析模型，分析断层裂隙对采动引起的岩层移动、应力场变化的力学响应采用；应用FLAC3D数值计算软件，分析工作面开采参数对断层裂隙活化的影响，以及采动断层活化对采动岩体裂隙场的分布。通过力学分析和RFPA数值模拟方法深入分析隔水关键层的作用机理和判别方法。2）物理模拟试验研究：分别采用平面模型和立体模型来研究关键层运动对采动应力和裂隙分布的影响规律，采用自编的图像处理软件Fimage，对采动裂隙分布试验结果进行定量分析。自行设计实验装置与方案进行邻近松散承压含水层开采关键层复合破断与导水裂隙发育特征的模拟研究；通过相似材料物理模拟试验，研究采高变化、覆岩结构、主关键层位置变化、推进速度等对导水裂隙发育高度的影响，以及覆岩关键层整体复合破断时破断裂隙张开度及其导水性的影响因素。通过相似材料模拟，测试工作面前方正断层和逆断层的活化过程以及开采参数对断层活化的影响。通过相似材料模拟，研究隔水关键层的存在条件及其作用机理。3）现场实施与测试：现场实测与钻孔观测等研究采动应力场与裂隙场分布规律，研究测试不同开采工程与工艺参数时的导水裂隙演化规律。通过对神东补连塔综采面采动过程中的覆岩内部移动特征的监测和导水裂隙带发育高度的工程探测，掌握采动裂隙发育规律、以及覆岩破断特征与动态移动规律，结合工作面的矿压显现、井下与地面出水情况等揭示综采面周期性异常突水本质，掌握主关键层在导水裂隙带内外，泥岩、砂质泥岩、粘土岩隔水层关键层层厚度等对工作面涌水的影响。利用有关理论研究成果为神东、淮北等矿区水害防治、制定对应的防治水措施提供可靠的依据。3、 研究方案的可行性导水裂隙发育与顶板突水，都与采动覆岩破断运动相关，因此，本项目研究的关键在于揭示和掌握特定开采条件下覆岩破断运动规律。岩层控制的关键层理论为覆岩破断运动规律的研究提供了全新的有力武器。基于上述思路制定的技术方案和技术路线将理论与实践有机结合，其思路新颖，起点高，是课题组成员根据多年的科研积累和现有的实验设备与研究手段而拟定的，是可行的。课题负责人许家林教授长期从事岩层移动与绿色开采的的理论与实践研究，在钱鸣高院士的指导下，应用控制关键层理论研究岩层采动裂隙分布规律、采场异常压架与突水问题、开采沉陷控制等，取得了许多重要的学术成果与工程效果。本课题组织了中国矿业大学和湖南科技大学岩层移动与绿色开采、矿山压力与控制、矿山水文地质等方面的专家教授，及其他们的博士研究生、硕士研究生，开展联合攻关。他们具有丰富的国家基础研究和煤矿重大技术攻关项目的研究经历，为本项目技术方案的实施提供了人才保障。本项目研究主要依托的中国矿业大学“资源与安全开采国家重点实验室”平台，能够提供项目研究所需的MTS815.02岩石力学伺服试验系统、万能试验机、X-射线立体和平面相似模拟试验台等大型仪器设备，以及UDEC、3DEC、FLAC、RFPA等大型数值模拟软件，钻孔电视与地质雷达等实测仪器，能够为本项目的研究提供必要的物质保障。四、年度计划年度研究内容预期目标第一年开展相关资料的调研和分析。研制松散承压含水层载荷传递模拟实验装置及相关实验装置的改造。建立采动影响范围内不同区域、各类断层的力学模型，研究断层构造裂隙在采动条件下的活化机理及影响因素。编制课题的计划任务书，落实具体研究计划，全面启动研究工作。基本完成相关实验系统的建立，为为全面开展实验工作做好准备。揭示不同区域、各类断层对采动影响的力学响应。发表论文1篇。申报专利1项。第二年岩层结构组合与关键层复合破断对顶板导水裂隙动态演化的影响规律的理论研究。隔水关键层的地质成因及其力学建模分析。顶板导水裂隙发育规律及其影响因素的现场实测研究。通过相似材料模拟，分析工作面前方正断层和逆断层的活化过程。建立覆岩关键层复合破断力学模型和隔水关键层力学模型，初步揭示岩层结构组合与关键层复合破断对顶板导水裂隙动态演化的影响规律。通过实测掌握华东矿区邻近松散承压含水层开采工作面及神东矿区补连塔井田高效综采面顶板导水裂隙发育规律及其影响因素，揭示其异常突水机理，提出相应防治措施。揭示正断层和逆断层不同活化过程的力学本质。发表论文4篇。培养博士2名、硕士3名。第三年研究建立采动岩体破裂分布的定量描述方法。模拟研究煤层厚度、工作面长度与推进速度等开采参数对采动导水裂隙演化影响规律。通过数值计算和理论分析，研究工作面开采参数对断层活化的影响规律。建立采动岩体破裂分布的定量描述方法。揭示开采参数对导水裂隙演化的影响规律。揭示工作面开采参数与断层活化的内在联系。发表论文3篇。培养博士1名、硕士2名。第四年邻近松散承压含水层开采关键层复合破断与导水裂隙发育特征的模拟研究。覆岩关键层整体复合破断时破断裂隙张开度及其导水性的影响因素。通过理论分析与数值计算，研究断层活化对采动岩体裂隙场分布的影响规律。形成基于岩层控制关键层理论的顶板导水裂隙带高度预计方法。揭示断层活化条件下采动岩体裂隙场的分布特点。形成顶底板隔水关键层的判别方法。发表论文3篇。出版专著1部。培养博士生1名、硕士2名第五年完成研究成果汇集、验证和项目总结与验收。编写完成课题研究报告。课题顺利验收。成果获省部级科技奖1项。发表论文4篇。培养博士生1名、硕士3名。五、科学数据汇交计划本课题科学数据分两次汇交：随同项目中期研究报告，首次提交科学研究数据；随同项目结题研究报告，第二次提交科学研究数据.六、课题承担人员负责人姓名性别身份证号码专业技术职务单 位每年工作时间(月)签字许家林男320311661018125教授中国矿业大学6参加人员王卫军授湖南科技大学6肖国清授湖南科技大学6万文授湖南科技大学6朱卫兵师中国矿业大学6黄炳香师中国矿业大学6冯 涛授湖南科技大学4张少华男320311641112125高级工程师中国矿业大学4马文顶级工程师中国矿业大学4赵海云级工程师中国矿业大学4李青锋程师湖南科技大学4彭文庆理研究员湖南科技大学4研究生李兴尚男博士研究生中国矿业大学6屈庆栋男博士研究生中国矿业大学6赖文奇男博士研究生中国矿业大学6娄金福男硕士研究生中国矿业大学6王志刚男硕士研究生中国矿业大学6施喜书男硕士研究生中国矿业大学6吴仁伦男硕士研究生中国矿业大学6徐光男硕士研究生中国矿业大学6王晓振男硕士研究生中国矿业大学6黄存捍男硕士研究生湖南科技大学6张鹏男硕士研究生湖南科技大学6杨军伟男硕士研究生湖南科