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陷落柱是主要发育在我国华北地区的一种特殊的地质构造,目前陷落柱突水已经成为危害矿井安全生产的重大灾害之一,因此陷落柱发育特征和突水机理的研究对于实现矿井的安全生产、优化工作面设计、提高煤炭的回收率具有十分重要的意义。 论文采用理论分析、数值模拟、现场实测相结合的方式对陷落柱及周边岩体的应力分布、陷落柱活化突水机理、采动影响下陷落柱破坏及渗流特征进行深入研究。基于极限平衡原理和库仑准则推导出陷落柱活化导水的判据,为判断陷落柱导水性提供依据。根据陷落柱与工作面或巷道不同的位置关系,陷落柱的突水形式可划分为陷落柱顶底部突水模式和煤柱侧壁突水模式,根据薄板理论和剪切破坏理论分别推导出各突水模式的突水判据。建立了煤层底板陷落柱渗流突水模型,分别计算陷落柱周边渗透区域宽度、陷落柱周边塑性破坏区宽度、工作面底板采动破坏区深度,并给出渗流突水判据,对预测陷落柱突水的危险性具有重要作用。建立三维流固耦合数学模型,采用FLAC3D数值模拟软件分析了采动影响下陷落柱围岩渗流场、位移场、应力场、塑性破坏场的变化情况。按照矿井的具体地质条件,制定合理的矿井瞬变电磁观测方案,通过数据处理得到拟二维电阻率剖面图,依据成果图对陷落柱及周边裂隙富水性强弱进行判断,圈出富水区范围。提出了“陷落柱探测、保护煤柱留设、突水综合治理技术”的综合防治水技术,并重点分析了注浆技术在煤矿防治水中的应用。