岩体采动裂隙时空演化与突水危险性决策模型研究_天文地球

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前　　言

矿井突水的防治是煤矿安全生产需要解决的重大问题，水体下安全采煤是一种受控于多因素影响，并且具有非线性动力学特征的工程与水文地质和采矿复合动态的非常复杂的系统工作

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变量注释表

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第1章　绪　　论

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1.1　研究背景及意义

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1.1.1　研究背景

（1）矿井突水的防治是煤矿安全生产需要解决的重大问题。煤炭是我国的基础能源，为了满足国民经济高速增长的需求，今后相当长的时期内必须保证煤炭的安全开采。经过长期

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1.1.2　研究意义

水体下安全采煤是一种受控于多因素影响，并且具有非线性动力学特征的工程与水文地质和采矿复合动态的非常复杂的系统工作。目前，行业内研究人员主要根据《煤矿防治水细则》

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1.2　国内外研究现状

从20世纪50年代起，我国学者对水体下采煤、覆岩破坏相关领域进行了大量的研究和实践，并取得了许多重要的理论与实践成果。1985年，国家煤炭工业局制订了《建筑物、

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1.2.1　采动覆岩应力演化规律研究

地壳中没有受到人类工程活动影响的岩体称为原岩体，简称原岩，存在于地层中未受工程扰动的天然应力称为原岩应力，也称为初始应力、原岩应力或地应力，天然存在于原岩内而与

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1.2.2　采动覆岩裂隙演化规律研究

20世纪50年代初，比利时学者A.Labasse提出预成裂隙梁理论，该理论揭示了煤层及其顶板岩层在超前支承压力作用下产生预成裂隙的机理，为以后煤岩裂隙演化规律进

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1.2.3　近水体安全采煤决策研究

采动覆岩突水溃砂形成的影响因素与机理非常复杂，人们对其的认识也是一个渐进的过程，国内外学者在此方面开展了大量的研究并不断深入，取得了一系列重要的进展和研究成果，

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1.3　存在的问题

目前的研究成果为防治采动覆岩突水溃砂起到了积极的指导作用，但也存在一定的问题，需要更深入的研究，特别是采动覆岩应力的变化不但具有时间序列特征还具有空间序列特征。

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1.4　研究内容和技术路线

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1.4.1　研究内容及研究方法

1）建立采动覆岩破坏研究的工程地质模型分析研究区所处的区域水文地质条件，研究其新近系的水文地质、工程地质特征，分析含水层的富水性以及隔水层稳定性等，并对其工程

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1.4.2　技术路线

本研究以近松散含水层煤层开采条件、水文地质条件分析为基础，考虑采动裂隙覆岩时空演化以及采动过程中覆岩的应力与裂隙场时空演化特征，揭示采动裂隙覆岩应力与裂隙场等的

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第2章　地质概况

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2.1　概况

泉店煤矿位于河南省许昌市的禹州市和许昌县交界处的禹州煤田东部。禹州煤田地处豫西嵩箕纬向构造带的东段，主要构造形态有白沙向斜、许禹背斜和景家洼向斜，褶曲轴部多为N

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2.2　地层概况

泉店井田的地层由老至新主要为寒武系，石炭系上统本溪组和太原组，二叠系下统山西组和下石盒子组，二叠系上统上石盒子组，新近系和第四系。其中，寒武系（∈）主要由灰色中

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2.3　水文地质条件

禹州煤田位于颍河流域中游及颍河与汝河分水岭地带，为低山丘陵区，沟谷非常发育，基岩含水层大面积裸露，直接接受大气降水补给，尤其寒武纪石灰岩岩溶含水层，富水性强，地

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2.4　工程地质条件

泉店煤矿11采区浅部二1、二3煤层覆岩仅残留山西组和下石盒子组，11采区煤层倾角在10°～37°。由表2-2、表2-3可知，钻孔揭露该区域地表标高＋105.19

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2.5　水体采动等级与煤岩柱类型

本区是新生界松散含水层地下水，主要接受大气降水的直接补给，此外尚有自西北及北部径流而来的部分补给。孔隙地下水的径流方向受地形制约，总径流趋势为自西北向南及东南方

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2.6　本章小结

本区的主要含水层有：第四系砂及砾石孔隙含水层（组）、新近系半固结砂砾石孔隙含水层（组）、基岩风化带孔隙裂隙含水层（组）、山西组二1煤层顶板砂岩裂隙含水层（组）、

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第3章　采动覆岩应力时空演化研究

由于地下煤层的开采，导致覆岩的初始应力平衡受到破坏，岩体的力学性质和结构与采动前相比，发生了重要的变化。岩体的原始应力平衡被破坏，岩体要达到新的平衡状态，岩体的

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3.1　采动覆岩应力影响因素研究

机械化采煤法的发展，从生产和生产率的角度出发，使煤矿井下开采得到了提高。然而，仍然存在某些风险，可能导致不可接受的安全水平。一般来说，最危险的问题之一是与覆岩破

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3.2　采动覆岩系统应力熵

系统科学可以从整体和局部、全局和局部以及层次关系的角度来研究客观世界。从系统科学的观点来看，采动覆岩系统是由岩体工程、地下水系统、地下开采环境以及人类活动等系统

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3.2.1　信息熵

1948年，Shannon提出了信息熵的概念[147-148]：式中，S为信息熵，p i表示某信息出现的概率，信息熵反映了系统信息的无序程度，信息熵越小，系

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3.2.2　Kolmogorov熵

Kolmogorov熵进一步把信息熵精确化，用来描述动力系统随时间演化的变化率，可以定量描述处于混沌状态的采动裂隙岩体的混乱程度以及其系统内部的能量变化。Kol

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3.2.3　应力熵

根据前面对各种熵的分析，本节根据信息熵的概念，通过建立应力熵来描述覆岩采动过程中应力的时空演化特点，定义如下应力熵： (https://www.daowen.c

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3.3　采动覆岩应力时空演化分析方法

近水体采煤，受采动的影响，覆岩应力不仅具有时间序列特征，即同一位置的应力随时间会发生变化，也具有空间序列特征，即同一时刻不同空间位置的应力特征也不同，即采动覆岩

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3.3.1　时空数据的可视化分析方法

通过图像的形式把时空数据表示出来，进而进行分析或者进行空间数据的挖掘，即是时空可视化分析，时空数据同时包含了时间、空间和属性信息，而“时间”和“空间”的简单相加

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《岩体采动裂隙时空演化与突水危险性决策模型研究》简介

前　　言

变量注释表

目录

第1章　绪　　论

1.1　研究背景及意义

1.1.1　研究背景

1.1.2　研究意义

1.2　国内外研究现状

1.2.1　采动覆岩应力演化规律研究

1.2.2　采动覆岩裂隙演化规律研究

1.2.3　近水体安全采煤决策研究

1.3　存在的问题

1.4　研究内容和技术路线

1.4.1　研究内容及研究方法

1.4.2　技术路线

第2章　地质概况

2.1　概况

2.2　地层概况

2.3　水文地质条件

2.4　工程地质条件

2.5　水体采动等级与煤岩柱类型

2.6　本章小结

第3章　采动覆岩应力时空演化研究

3.1　采动覆岩应力影响因素研究

3.2　采动覆岩系统应力熵

3.2.1　信息熵

3.2.2　Kolmogorov熵

3.2.3　应力熵

3.3　采动覆岩应力时空演化分析方法

3.3.1　时空数据的可视化分析方法