（工程力学专业论文）承压水上采煤断层失稳突水的研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 承压水上采煤断层失稳突水的研究 摘要 我国煤田地质条件复杂，许多煤矿不同程度的受奥灰岩含 水层的威胁，突水是采矿过程中常常面临的一种严重灾害。 随着采掘的延深、规模的扩大，突水灾害日益严重。大量工 程实例表明：承压水的突出绝大多数是与断层有着直接关系 的。因此，对煤层顶底板的变形破坏规律、构造特征以及断 层各要素的研究都是防治奥灰岩含水层突水的关键问题。 作者在对承压水上采煤突水机理、有限单元法的计算理论 和计算方法深入研究的基础上，建立了含断层围岩变形破坏 的力学模型，并应用f o r t r a n 语言编制了有限元计算程序。 运用数值模拟的方法深入细致地分析了带压开采中围岩、煤 柱及断层的应力、位移分布规律；对影响煤层底板破坏突水 的诸多断层因素进行分析，得出了单一因素对突水的影响关 系、以及与突水临界煤柱的关系。在其他条件一定的条件下， 研究了断层倾角、厚度及断距等综合因素与煤柱合理留设的 相关规律，并给出了表达式。 承压水上采煤的数值模拟实验有助于我们合理留设煤柱 宽度、提出合理的开采方案，在开采中提高生产效率并避免 矿井突水事故的发生。 关键词：承压水上采煤，断层突水，防水煤柱，数值模拟 多元回归 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h es t u d y0 n ( a t e ri n r u s ht h r o u g h i n s t a b i l i t yf a u i 汀sf o rc a o lm i n g i n g a b o v ec o n f i n e d a q u i f e r a b s t r a c t m a n y c o a lm i n ei no u r c o u n t r ys u f f e r sf r o mt h eo r d o v i c i a n p e r i o d k a r s t c o n t a i n i n g w a t e ri n r u s h f r e q u e n t l y d u et ot h e c o m p l e xg e o l o g yc o n d i t i o n ，w a t e ri n r u s hi s as e r i o u sd i s a s t e ri n c o a l m i n i n g a l o n g w i t ht h e m i n i n gd e e p l y a n dt h es c a l e e x t e n d s ，t h ed i s a s t m 。o fw a t e ri n r u s hi n c r e a s i n g l ys e r i o u s l y t h e l a r g eq u a n t i t yi n s t a n c ei n d i c a t et h a tg r e a tm a jo r i t yd i s a s t e ro f w a t e ri n r u s hi nc o a lm i n i n ga b o v ec o n f i n e d a q u i f e rh a v et h e d i r e c tr e l a t i o nw i t hf a u l t t h e r e f o r e ，s t u d yo nt h ed e f o r m a t i o n a n db r e a k a g el a wo fu p p e ra n dd o w nf l o o ro fc o a l l a y e r ，t h e c h a r a c t e ro ff o r m a t i o n ，e a c hf a u l tf a c t o ra r et h ek e y p r o b l e mf o r p r e v e n t i o nt h ew a t e r i n r u s h b a s e do nt h es t u d ya b o u tt h em e c h a n i s mo fw a t e ri n r u s h f r o mc o a ls e a mf l o o ri nc o a lm i n i n ga b o v ec o n f i n e da q u i f e ra n d t h ec o m p u t ep r i n c i p l ea n dc o m p u t em e t h o do ff i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，m e c h a n i c s m o d e li sm a d ea b o u t d i s p l a c e m e n t a n d f a i l u r eo nw a l lr o c kw h i c hc o n t a i nf a u l t ，a n df e mc a l c u l a t i o n p r o g r a mi sm a d e w i t h “f o r t r a n ”w i t ht h em e t h o do fn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，t h ep a p e rs t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yt h ed i s t r i b u t i n gl a w o nt h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n to f u p p e ra n dd o w nf l o o ro f c o a l i l l a y e r ，c o a lp i l l a ra n df a u l t ；t h r o u g ha n a l y s i se a c h f a u l tf a c t o r s w h i c hi n f l u e n c ew a t e ri n r u s h ，g a i n e dr e l a t i o nt h a t e a c hf a c t o r i n f l u e n c ew a t e ri n r u s h ，a n d t h er e l a t i o n t h a tb e t w e e n t h e r e m a i n i n g c o a l p i l l a r a n dt h ef a c t o r s u n d e r t h ec e r t a i n c o n d i t i o n so fo t h e rf a c t o r s ，t h er e g u l a t i o n o fc o r r e l a t i n gi s 。t u d i e do nt h ef a u l t s d i pa n g l e ，t h i c k n e s s a n df a l lw i t ht h e r e m a i n i n gr e a s o n a b l e c o a lp i l l a r n u m e r i c a ls i m u l a t i o n f o rc o a l m i n i n g a b o v ec o n f i n e d a q u i f e ri sa d v a n t a g e o u s f o ru st oo f f e rr a t i o n a lw a t e r p r o o f c o a l p i l l a ra n dm i n i n gs c h e m e ，t oi m p r o v ep r o d u c t i v i t y a n de s c a p e a c c i d e n to fw a t e ri n r u s h k e yw o r d s ：c o a lm i n i n g a b o v ec o n f i n e da q u i f e r , w a t e r i n r u s h t h r o u g h f a u l t ，w a t e r p r o o f c o a l p i l l a r ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，m u l f i f a c t o rr e g r e s s i o n i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 引言 第一章绪论 我国灰岩岩溶( k a r s t ) 的分都很广，面积大约有2 1 06 k m2 ，约 占全国总面积的五分之一。这些地区也正是重要的煤产地。据统 计有6 0 的煤矿不同程度地受到底板岩溶承压水的威胁；仅华北地 区受其危害的矿井就有2 3 0 多个，造成4 0 左右的煤炭资源不能正 常开采；受水害的面积和严重程度均居世界各主要采煤国家的首 位1 1 1 。从近年的开采情况看，每年采出受水害威胁的煤炭还不到总 产量的1 0 。因此关于带压开采的研究多年来一直是我国乃至世界 矿业工作者所关注的问题。 目前，全国煤矿遭受水害威胁的储量高达2 5 0 亿吨，主要分布 在约占全国产量5 0 的华北地区石炭二叠纪煤田。该煤田位于复杂 的岩溶水文地质类型区，主要受煤系底部灰岩强岩溶含水层的威 胁，突水事故频繁发生且突水量大【引。随着矿井向深部延伸，华北 地区开采煤层所承受的岩溶含水层水压将越来越大，受底板突水 的威胁也将更加严重。 据不完全统计北方型煤田受底板岩溶水威胁的煤层储量平均 约占总储量的1 8 6 ；一些老矿区，则约占总储量的5 2 一8 7 ( 见 表卜1 ) 。 表卜l北方各煤矿区储量与受水威胁储量 受水威胁储量受水威胁储量 l煤矿区总储量( 亿t ) ( 亿t )总储量( ) l焦作 5 6 54 。9 58 7 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 峰峰4 9 邯郸 7 03 55 5 4 邢台7 5 韩城 1 2 77 8 36 1 7 澄合3 2 62 26 7 5 肥城 4 02 56 3 霍州南下庄 1 3 70 8 l5 9 1 合计9 6 9 85 3 2 95 5 我国煤矿区主要受三类水害的威胁。第一类是巨厚强含水冲积 层对其下覆煤层开采的威胁，第二类是具有强含水层或地表水体 补给的太原群岩溶灰岩含水层，对其上下煤层的威胁：第三类是 厚层灰岩岩溶强含水层对上覆煤层开采的威胁。防治前两类水害 的煤层开采技术，已有了一套比较完整及成熟的经验：而治理后 一类水害，即底板强岩溶承压含水层对煤层开采的威胁，尚缺乏 经验。但其影响范围极广，对煤层开采威胁最大几乎所有大的 突水及淹井事故都是由这类水害引起的。 我国目前受底板岩溶承压水威胁的煤炭资源的开采，主要采用 “深降强排”、“外截内排”和“带压开采( 承压水体上开采) ”三 种方法。1 所谓“深降强排”就是设置各种疏水工程( 开凿专门疏 水井巷、大口径钻孔、安装潜水泵以及其他大能力的排水设各等) ， 将岩溶水水位降低到开采水平以下，确保安全开采。此法安全可 靠，但投资大，使排水费用增加，有时还可以引起地面的塌陷。 因此，这种方法应尽量少用或者不用。2 外截内排方案，比深降 强排方案改进了一步，它的实质是在井田或地段外围集中径流带 建立人工帷幕，截断矿井补给水源，在开采范围以内进行人工排 水，将承压水位降低到开采水平以下。这种方案可以大大减少深 降强排的缺陷，较有保证地达到疏降目的。但此方案只能适用于 特定的条件，即水文地质条件清楚，补给径流区集中：帷幕截流 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 工程易于施工的地段。3 “带压开采”是在各大小矿井多处带压 开采的基础上总结出来的，其特点和内容是：“以防为主，带压开 采，适当疏排，辅以截堵”。采前和开采过程中，可在矿区外围截 堵地下水的补给源，尽量减少奥灰水的动储量；同时，在带压开 采中视矿井涌水量大小和承压大小进行适当的疏水降压，以达到 安全开采的目的。此时，承压水的水位高于开采水平，因此叫带 压开采。该方案安全、经济、合理，对大多数开采地质条件都可 以推广使用。故改革采煤方法及采煤工艺，实现承压水体上开采 不仅具有吨煤成本低等优点，而且对地面资源和环境的破坏也小。 因此，底板承压水上带压开采的理论研究及生产实践受到了人们 的高度重视。所以，探讨采掘过程中底板突水的机理就显得越来 越重要。 从过去底板突水事故中的水文地质结构资料和突水原因分析， 绝大多数是与断层有着直接关系的。因此，研究断层的突水机制、 各断层因素影响下煤柱的合理留设将是一件很有意义的工作。本 文将就采煤过程中底板断层突水的影响因素进行分析研究。 1 2 国内外研究现状 采场底板突水的威胁一直在影响着煤矿生产和安全，尤其当有 断层存在时，这种影响作用更加突出。从4 0 年代起，国际上就开 始注意底板突水机理的研究了。近年来，国内外更加重视该项工 作。对承压水上开采煤层底板突水问题的研究，国内外学者进行 了一些有益的探索和尝试。下面简要回顾一下这一方面的工作成 果。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 1 国外学者的研究成果 国外对煤矿水害研究的重点放在矿井水对地下水质的污染上 3 - 7 1 ，而对煤层底板突水，尤其是奥灰岩含水层的突水研究相对较 少。 在早期，原苏联学者a a b o p n c o b 采用相似材料三维模型对 煤层开采后底板岩层的变形过程进行了研究。 4 0 年代至5 0 年代，以静力学理论为基础研究了煤层底板在承 压水作用下的破坏机制。其代表性成果是苏联学者b 斯列萨列夫 将煤层底板视作两端固定的承受均布载荷作用的梁并结合强度理 论推导出底板理论安全水压值的计算公式，即： p o = 2 k 。h 2 + 加 式中只一底板所能承受的理论安全水压值，m p a k 。一隔水层的抗张强度，m p a h 一底板隔水层厚度，m ； 一工作面最大控顶距或巷道宽度，m y 一底板隔水层平均容重，k g m 3 。 6 0 年代至7 0 年代，仍以静力学理论为基础，并结合地质因素， 主要是考虑隔水层岩性和强度，研究了底板突水机理。其代表性 成果是匈牙利和南斯拉夫等学者提出的相对隔水层厚度，即以泥 岩抗水压的能力作为标准隔水层厚度，将其它不同岩性的岩层换 算成泥岩的厚度，并以其作为承压水上开采煤层底板突水与否的 标准。 7 0 年代至8 0 年代末期，很多国家的岩石力学工作者在研究矿 柱的稳定性时研究了底板的破坏机理。其中最有代表性的人物是 c f s a n t o s ( 桑托斯) 、z t b i e n i a w s k i ( 宾尼威斯基) 。他们 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 基于改进的h o e k - - b r o w n 岩体强度淮则，并引入临界能量释放点 的概念和取决于岩石性质和承受破坏应力前岩石已破裂的程度和 与岩体指标b m r 相关的无量纲参数m 和s ，分析了底板的承载能力 8 1 。由于该理论从底板的承载能力出发，既不需考虑水压的影响， 也不需考虑隔水层、采面条件等，因此它仅对采动底板破坏机理 研究具有参考价值。 1 2 2国内学者的研究成果 我国学者早在6 0 年代就开始了对煤矿承压底板突水破坏规律 的研究。进入8 0 年代，随着我国煤矿开采深度的日益加大，煤矿 底板突水事故的危害也日趋严重，所以人们对采场底板突水机理 的研究也越来越深入，除一些现场工程技术人员在生产实际中， 不断总结突水机理和规律外，煤科总院西安勘探分院、煤科总院 北京开采所、太原理工大学、西安科技学院、山东科技大学、中 国矿业大学、中国科学院地质研究所等科研机构都做了大量细致 的研究工作，并取得了显著的成果。 1 ) 突水系数法 我国一些煤矿，早在1 9 6 4 年就开始采用突水系数作为预测煤 层底板突水与否的标准，并在焦作水文会战中。以煤炭科学研究 总院西安分院为代表，提出了采用突水系数作为预测预报底板突 水与否的标准9 ，1 0 】。突水系数就是水压力与极限隔水层厚度的比 值，即： k = p h 式中：足为突水系数 p 为含水层水压，m p a ， 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 h 为隔水层厚度，m 突水系数在数值上相当于“相对隔水层厚度”的倒数。由于 最先提出的突水系数法没有考虑矿压和岩性组合对底板破坏的影 响，7 0 8 0 年代，煤炭科学研究总院西安分院水文所曾先后两次 对突水系数的表达式进行了修改，在考虑矿压破坏因素时，从隔 水层厚度中减去了矿压对底板的破坏深度：在考虑岩性组合时， 引用了匈牙利学者的“等值隔水层厚度”的概念对公式进行了修 正，即 l ： 6 q h p z j 式中 一隔水层第i 分层厚度。m ： q 一隔水层第乃 层等效厚度的换算系数： h 。一矿压对底板的破坏深度，i l l 。 2 ) “下三带”理论 山东矿院、峰峰矿务局、井陉矿务局的科研人员于8 0 年 代初期提出了“下三带”观点，后由山东矿院荆自刚、李白英、 孙振鹏、高航、高延法等人，深入隔水层内部经过几年综合观测 并结合相似材料模拟、有限元分析等研究工作后上升为理论的高 度，即“下三带”理论1 卜1 4 。该理论认为开采煤层底板也像采动 覆岩一样，由上至下存在着“三带”，即上部采动破坏导水带，中 部完整岩层隔水带和下部承压水导升带。其中完整岩层隔水带对 阻隔底板突水起着主要的保护作用。“下三带”理论认为，底板突 水机理不仅是底板在水压力作用下底板强度低于水压力的失稳现 象，而且也是由于底板含水带在水压力和矿山压力共同作用下产 生了升高所至。当底板含水带与底板导水带沟通时，就会发生突 水事故。在突水判据上，采用完整岩层阻水带平均每米岩层阻水 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 能力作为预测突水与否的根据。这实际上也就回到了突水系数的 表达式上。“下三带”理论比较符合煤层采动条件下底板破坏突水 的规律，在生产实践中得到了较为广泛的应用。 3 ) 岩一水应力关系法 现场矿压观测与底板岩体变形规律的研究表明，底板突水是 矿压和底板承压水压力共同作用的结果。在工作面超前支承压力 作用下，底板岩层呈压缩状态；而在煤壁边缘和采空区内部，底 扳岩体由于卸压而处于膨胀状态。底板岩体在由压缩向膨胀的转 化过程中，将不可避免地产生剪切和张拉破坏。岩一水应力关系 法从物理和应力概念出发，认为造成底板突水需具备两个条件： 存在导水破裂带。无论是地质构造作用还是采掘引起的岩体破 坏，只要使底板隔水层破坏至一定深度，且与下部导升高度相通 或波及到下部含水层，就具备了突水的必要条件。此时底板岩层 由于强度下降，底板渗流强度增加，但未必一定产生突水；水 压与应力关系。当承压水压力大于或等于水平最小主应力时，才 会具备突水的充分条件，此时，底板水在水压力的驱动下，可以 突破底板岩层裂隙带水平方向应力的约束，穿越岩体破裂带构成 突水。岩一水应力关系法建立的突水临界指数为： ，：墨 盯2 式中只一作用于底板上的承压水压力，m p a ； 仃，一水平最小主应力，m p a ； 当指数， l 是，底板发生突水 4 ) 原位张裂与零位破坏理论 王作宇等提出了底板移动的原位张裂和零位破坏理论【1 , 1 5 17 。 该理论认为在岩体的自重力和下部水压力的联合作用下，使其超 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 前压力压缩段岩体整个结构呈现上半部受水平挤压，下半部受水 平引张的状态，因而在其中部附近的底面上的原岩节理、裂隙等 不连续面就产生岩体的原位张裂，研究者认为，底板结构岩体由 超前压力压缩段的过渡引起其结构状态的质变，处于压缩的岩体 应力急剧增加，围岩的贮存能大于岩体的保留能，便以脆性破坏 的形式释放残余弹性应变能以达到岩体能量的重新平衡，从而引 起采场底板岩体的零位破坏；并且认为顶板自重应力场的采场支 承压力是引起底板产生破坏的基本前提，煤柱体的塑性破坏宽度 是控制底板最大破坏深度的基本条件，底板岩体的内摩擦角是影 响零位破坏的基本因素。该理论进一步引用塑性滑移线场理论分 析了采动底板的最大破坏深度。在突水判据上，仍然采用了突水 系数的概念。 5 ) 板模型理论 刘天泉、张金才等提出了底板岩层由采动导水裂隙带和底板隔 水带组成的概念 1 s - 2 2 1 。并采用半无限体上一定长度上受均匀竖向 载荷的弹性解，结合c o u l o m b - - m o h r 强度理论和g r i f f i t h 强度理 论分别求得了底板受采动影响的最大破坏深度。在此基础上，将 底板隔水带看作四周固支、受均布载荷作用的弹性薄板，然后采 用弹塑性理论分别得到了以底板岩层抗剪及抗拉强度为基准的预 测底板所能承受的极限水压力的计算公式。 6 ) 关键层理论 钱鸣高、黎良杰等根据底板岩体的层状结构特征，建立了采场 底板突水机理的关键层( k e ys t r a t u m ) 理论【2 3 。27 1 。该理论提出在底 板岩层中找出一层强度最高的岩层作为底板关键岩层，将这一关 键层看作薄板，很好地满足了薄板理论的基本要求。这样，便可 以利用薄板强度理论对底板破坏进行研究、计算。由于底板关键 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 层强度最高，因此。当其达到极限破断步距时，煤层至含水层之 间的其它岩层均早己达到极限破断步距。这样，对底板突水机理 的研究，就转化为：在无断层构造条件下，底板关键层破断机制 的研究：当有断层切割时，对断层两盘关键层破断机制与承压水 对关键层的张开或断层重新活化与承压水在断层带中渗透冲刷的 研究。 另外，朱德仁等提出了底板突水准则与底板岩体破坏的工程准 则应该是两个不同的概念，认为突水准则应该是工程准则，破坏 准则应是强度准则1 2 “。 施龙青1 29 1 、肖洪天【3 0 】利用几何损伤力学理论研究了煤层底板 损伤破坏突水机理。张文泉等【3 1 , 3 2 】根据统计资料，对突水灾害的 空间分布规律、隔水层带的阻水性能及其影响因素进行了研究。 连传杰、娄华君、张文泉等从不同角度，并注意结合现代力学与 计算机应用，对底扳突水机理及预测方法研究做了一些工作。另 外，许多现场工作人员如张希诚1 3 3 1 、i - 昌森【34 1 、胡宽【3 5 l 等在突 水机理研究方面也做了一定的工作。 7 ) 断层突水的研究 杨善安1 3 6 】详细分析了断层在采空区的位置及要素与突水的关 系，得出断层面倾向采空区方向的采空区边界底板断层最容易发 生突水事故，尤其是当断层倾角同最大膨胀线相吻合时，突水最 容易发生。 黎良杰、钱鸣高等3 7 1 把断层分为张开型与闭合型分别对其突水 机理进行分析，得出张开型断层的突水机理是断层两盘在承压水 作用下产生了张开，承压水沿张开裂隙突出，同时对断层带进行 渗透冲刷：闭合型断层的突水机理主要是断层两盘按板的规律破 坏或断层两盘关键层接触部产生强度失稳，并得出正断层比逆断 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 层更容易突水，闭合型断层在采动影响下可能转化为张开型断层。 谭志祥【3 8 】利用力学平衡的原理，计算底板断层在垂向方向承受 的压力，当垂向方向的压力不平衡时，可能发生突水事故，并给 出了底板及断层附近是否突水的判别公式。该力学模型把底板简 化为自由边界，与实际情况有较大的出入，但其研究方法值得参 考。 邱秀梅 3 9 1 利用重整化群方法研究了断层单元体破裂的随机性 和关联性，并对断层导水裂隙的扩展规律进行了分析。得出如下 的结论：当所旖加应力仅使断层单元的破坏率p 小于临界破坏率 p 。时，系统破坏仅是局部的；当p 大于临界破坏率p 。时，原有随 机无序分布的裂隙逐渐向断层中的最大剪应力面吸引集中，直至 各裂隙贯通，形成导水通道，引发断层突水。 李晓昭等 4 0 , 4 1 】提出断层带会成为地下空间开挖后变形和应力 传播的“屏障”，造成断层带与开挖空间之间应力和变形强烈积聚， 断裂带内产生指向开挖空间的较大回弹位移和位移梯度，从而导 致断层带内张性裂隙的产生和地下水的透入。 白峰青【4 2 j 基于极限设计思想的概率方法提出断层防水煤柱设 计的可靠度方法，认为：断层沿侧向突水的概率小于沿工作面底 板突水的概率；随着长壁工作面倾向长度的增加、变异系数的增 大、强度的降低，可靠度降低，突水的可能性增大。 营志杰 4 3 1 利用煤层渗透性变化规律，确定了断层防水煤柱保持 稳定和隔水的基本条件是：在断层裂隙带和屈服带中间保留一定 宽度的弹性核( 弹性核由于受支承压力的影响具有较强的隔水 性) ，防止构造裂隙和采动裂隙沟通导水：并给出了相应的计算公 式：矽= + + k ，式中：呒为断层裂隙带宽度，为弹性 核宽度，矾为屈服带宽度。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 施龙青【4 4 】分析了采场断层突水的力学机理，从矿压的角度给出 了采场底板断层是否突水的判别方法，认为采场断层发生突水的 条件为煤层开采造成的底板破坏深度不小于底板高峰应力线与断 层交点的深度。 另外，b 昌森【4 那基于大量的现场突水资料，探讨了在矿压作用 下，地质构造的存在更容易引起底板突水；杨映涛【4 卅利用相似模 拟研究了底板突水机理，得出了有断层底板突水的可能性，与断 层的位置和角度有关：刘燕学【4 ”，探讨了断层构造对底板突水的 控制作用，定性分析了相同的地质条件下，断裂破坏带突水的可 能性较正常岩层突水可能性显著提高；杨新安【4 8 】将断层突水分为 大断层突水与小断层( 落差为几米的一条或几条断层构成的破碎 带，) 突水，并分别分析了各自突水的特点和突水机理；武强【49 j 阐 述了断层滞后突水的弱化机理和主要控制因素，提出了煤层底板 断裂构造突水时间弱化效应的新概念；杜文堂【50 1 ，使用了可靠度 分析的“j c ”方法，分析了水压力、煤层抗张强度及突水系数的 不确定性，建立了防水煤柱可靠度分析的极限状态方程；郑少河口l j 采用固流耦合方法，对开采布局进行了分析，指出现开采上盘后 开采下盘的新思路；周钢p 2 】采用相似模拟探讨了断层上、下盘的 开采顺序、推进方向及煤柱尺寸对断层导水危险性的影响。 总之，这些研究成果对减少煤层底板突水事故的发生，改善我 国煤矿安全状况起到了重要的作用。但由于断层突水问题本身的 复杂性，研究中大多没有考虑水压的作用，没有对断层本身的性 态及其产状要素做深入细致的分析，多以定性为主，为加强生产 安全，只有加大煤柱的安全系数，从而导致大量的煤炭资源浪费。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 。3 本文的研究内容、方法和意义 1 3 1研究内容 针对承压水上采煤底板突水这一问题，由于时间和精力有限， 本文仅研究采动影响下底板的应力、位移分布特征与变化规律， 及其不同结构、位置的断层对底板突水的影响，具体研究内容有 以下两个方面。 ( 1 ) 研究随工作面推进煤层底板在矿压与水压作用下的应力分 布特征与运移规律。 采用有限元模拟合对比分析等方法，研究了工作面推进过程中 不同产状的断层对底板应力及位移的动态影响规律。 ( 2 ) 对底板岩体的破坏规律与突水临界值进行研究，通过多个 方案的对比，得出不同的断层条件下底板岩体的破坏规律，进而 留设合理的断层防水煤柱 1 3 2 研究方法 根据底板岩体结构特征与底板突水的关系，采用理论分析与数 值模拟相结合的方法，通过建立承压底板突水的实体模型和有限 元计算模型，研究断层对采场底板突水破坏的影响，建立底板突 水的预测、预报的函数表达式。 ( 1 ) 根据工作面推进的实际情况，建立数值模型，采用有限元 法模拟开采过程中底板豹应力分布特征与变化规律 ( 2 ) 根据不同断层产状要素建立相应的数值模型，并通过数值 计算找到不同断层要素对底板应力的影响规律，进一步对煤柱留 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 设拟合出相应的表达式。 13 3 研究的意义 长期以来，断层失稳突水严重制约着受底板岩溶承压水威胁的 煤田的大量煤炭资源的开采。尤其是随着采深的加大，断层失稳 突水的危害性日益加重。因此，为适应煤炭生产的迅速发展，对 采掘过程中断层失稳突水机理的规律性进行系统研究，解放更大 范围的受承压水威胁的煤炭储量，将具有十分显要的现实与深远 意义。 对此，我国煤矿工作者对底板突水作了大量的研究工作，提出 了多种突水判据及理论。这些成果在不同时期不同程度上为防治 煤矿底板突水起到了积极的指导作用。但不可否认的是上述研究 存在着明显的缺点：一是未考虑岩层中裂隙对岩体整体强度和导 水性的影响：二是始终将底板岩层与水分开来研究，未考虑岩体 与水的相互作用：三是断层作为煤层突水的主要因素，始终未对 其进行较为全面系统的研究。以上简化在一定条件下是合理的， 但在大多数情况下却存在着较大的偏差，甚至是错误。因此解决 煤层底板突水问题应在考虑原岩应力、地质构造、地下水、采动 影响等因素基础上，从应力场和渗流场共同作用的角度出发，研 究含底板岩体在内的采场岩体系统的变形与破坏，特别是控制断 层的变形与渗透性的变化，将会给底板突水的研究带来更为吻合 切实的解答 5 3 - 6 0 】。本文依据以上思路，根据断层产状要素的不同 特点，从固流耦合的角度出发，建立了针对承压水上采煤的裂隙 岩体水力学模型。通过有限元计算，详细阐述了断层因素对突水 的影响关系。 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 第2 章煤层底板突水的类型及其机理 承压水上采煤底板突水是在矿井工程地质与水文地质条件下， 采掘扰动和奥灰水共同作用的结果，只有工程地质、水文地质具 备突水的前提下，采掘活动才有可能诱发突水。所以，突水是固 流耦合合作用的结果，是固体围岩应力场与渗流场在采掘扰动下 耦合作用的结果。 在分析煤层底板突水条件时，亦从三个方面加以分析：承压水 条件及底板渗透性、地质构造特征和开采布局。其中承压水条件 及底板渗透性是底板突水的基本因素；地质构造是突水的决定因 素：大量的统计结果表明，突水绝大多数是与断层有着直接关系 的，9 0 以上的突水发生在断层带本身及邻近范围内，其中断层突 水占7 4 ，断层影响突水占2 3 ，突水在完整底板情况下很少发生。 因此在研究承压水上采煤问题时，应着重研究断层的变化情况。 开采布局则是底板突水的控制因素。在引起突水的三因素中，前 两个因素是非人为的，只有开采布局及方法是可以人为控制的。 因此用固流耦合方法研究煤层底板突水，就是在详细分析前两个 因素的基础上，通过考虑两场相互作用，找出各断层要素对突水 的影响规律，从而选取合理的开采布局，选取合理的保护煤柱， 以防止突水事故的发生。 2 1 底板突水的类型 底板突水是一种复杂的地质开采现象：研究它的发生、发展规 律是进行突水预测预报的前提，是制定合理开采方案和预防措施 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 的依据。因此。研究突水的机理，对突水进行分类是首为重要的。 同时各种不同类型的底板突水在其成因上是不相同的，为了查明 底板突水产生的原因与条件，我们首先要对底板突水进行分类。 在分类时，主要考虑突水的位置、动态以及突水量的大小。 2 1 1 按突水发生的地点划分； 采矿工作面底板突水和掘进工作面底板突水，其中工作面突水 多于掘进工作面突水，其突水成因却有根本的不同。 采矿工作面底板突水：造成突水的原因主要是由于采矿破坏造 成的。在矿压作用下，促使采空区四周边界附近的底板发生底鼓。 使隔水层遭到破坏，一旦遇到构造裂隙，承压水便沿着构造裂隙 乘虚而人，造成突水事故的发生。 掘进工作面的底板突水：其突水原因是以构造破坏为主。这种 情况多数是承压水通过断裂或构造破碎带早已进入底板隔水 层或者断层本身就是充水断层，当掘进巷道接近或揭露这些断 层时，在水压的作用下，岩溶水就突入掘进工作面。 2 1 2 按突水的动态分： 有爆发型、缓冲型及滞后型三种情形。 爆发型；主要是由于存在充水断层加上突水处的底板隔水能力 很弱引起的其突水的特点为来势猛、速度快、冲击力强、突水 量瞬间即可达到峰值，往往属于大型突水。 缓冲型：主要是由采矿、构造破坏等迭加作用所造成的。由于 突水处尚有一定的隔水能力，故突水来的缓慢且突水之前常表 观为底鼓，突水后，水量则是由小到大，同时水量达到峰值的时 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 间是在几天至几个月。这种突水类型最为普遍，一般多发生在正 在采掘的工作面。 滞后型：主要是承压水沿裂隙长期冲蚀以及矿压持续作用的结 果。这种突水类型比较少，一般发生在老巷或采空区中，滞后时 间通常为几天或几个月。 2 1 3 按水量划分： 可分为特大型、大型、中型和小型四种情形。 特大型突水：水量在5 0 m 3 m i n 以上。危害性严重，能造成淹井 事故 大型突水：水量在2 0 4 9 m 3 r a i n 之间，危害亦大，也能造成 淹井。 中型突水；水量在5 1 9 m 3 m i n 之间，可淹一个采区。 小型突水：水量在5 m 3 r a i n 以下一般可排出。危害不大。 2 2 影响底板突水的因素 采掘过程中，造成底板突水的因素是多方面的，是多种因素综 合作用的结果。根据现场实际观测及有关理论分析，认为影响底 板突水的因素主要有以下几个方面。见表( 2 1 ) 2 2 1 地质构造 断裂构造薄弱带及节理是造成突水的主要因素。大量资料表 明，8 0 7 6 以上的底板突水是发生在断裂构造附近，实体隔水层的岩 体强度几倍几十倍于岩溶水的水压，水压和矿压破坏隔水层形成 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 新的突水通道的能力是有限的。底板突水通道几乎都是底板隔水 层中原有断裂裂隙所形成的。底板突水首先要有带压的水体，其 次要有突水通道。1 断裂构造的存在破坏了底板的完整性，降低 了底板的抗张强度；断层带破碎、软弱，大大降低隔水层的实际 强度，容易形成导水通道；2 断层上下两盘错动的结果，缩短了 煤层与含水层的 表2 - 1 矿井突水主要因素表 距离，甚至使煤层t a b l e2 1t h ef a c t o r st h a ta f f e c t i n gw a t e ri n v a s i o n - 与含水层之间对 口，减小底板隔水 层的有效厚度；3 断裂构造可以充 水或导水，更使水 文地质条件复杂 化：4 正断层的上 盘、逆断层的下盘 易突水。这是由于 断层将煤层与底 板含水层之间的 距离缩短甚至直 接使两者对口，使 有效隔水层厚度 变小甚至消失，加 是否有断层构造及其规模大小 隔水岩体厚度 岩性及其排列顺序 水压 承压含水层富水性 岩溶发育程度 断层类型及规模 断层带及充填致密程度 岩体内部构造 采掘空间与断层空间关系 断层导水性 采空尺寸 采动影响采掘方式 采后二次应力 地应力岩体内部构造 之断层带破碎，易成为突水通道，在靠近断层掘进或回采时易发 生突水。 2 2 2 采矿活动 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 采矿条件主要包括开采厚度或煤层厚度，厚煤层分层开采厚度 和次数，急倾斜煤层的阶段垂高、采面尺寸、采煤和顶板管理方 法等。 采矿活动对突水起到了触发的作用，是底板突水的诱导因素， 是造成突水的又一力源：主要表现形式为： 1 ) 根据现场实例资料表明，采动矿压对底板的破坏主要有三 种：( 1 ) 离层导致层间破坏；( 2 ) 采空区周边反向作用力导致剪切 破坏：( 3 ) 水平拉力导致垂向破坏。 在工作面推进过程中，处于煤壁前方的底板岩石受到支承压力 的作用而压缩，当支撑压力超过底板极限强度时，底板岩石就发 生破裂，产生斜交及垂直于底板的采动裂隙，采后悬顶区由于底 板减压而由压缩状态转入膨胀状态，位于上部的直接底板在矿压 的作用下产生底鼓，由于底板各岩层力学性质及厚度的差异而产 生上鼓程度的差异，在层与层之间就会产生离层裂隙，同时由于 底板岩层的膨胀上鼓，在每层的表面上将产生竖向裂隙，顶板冒 落后，底板又被逐渐压实，采动裂隙逐渐闭合，恢复到原始状态， 由于支承煤体的增压与采空区的减压，导致岩体反向位移，沿采 空区周边形成剪切破坏带。 2 ) 由于矿压作用，使靠近煤层的底板岩层遭到不同程度的破 坏，具体表现为：1 顶底板移近作用：国内外大量试验观测资料 证明，因采( 掘) 工作使采场围岩由三向变为两向受力状态，造成 围岩往采空区内移动，这种作用明显地改变了围岩的强度和其中 裂隙系统；2 采场围岩破坏的周期效应：在一定地质和采矿条件 下，采场顶部岩层自重力对围岩的破坏作用是，当回采煤层每到 一定的距离时，便发生一次老顶来压、垮落、围岩变形和破坏， 且具有周期性，采场底板岩层通常在老顶首次或周期来压、垮落 1 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 时突水。 3 ) 采场中各个方向的先存断裂都会受到采动矿压的影响而发 生“活化”，从而使新产生的裂隙与先存断裂与含水体原始导高带 发生连通，使具有一定压力的承压水沿着裂隙上升，冲刷结构面， 使裂隙软化蚀扩，逐渐形成较大的过水通道造成突水；但不同产 状的断裂，其“活化”程度不同，因此引发的突水机率也不同， 尤以倾向采空区时最易引发突水。 2 2 3 含水层的富水性： 水量是突水的物质基础，水量越丰富，突水量越大，危害性也 大。由于各含水层的岩溶发育存在不均匀性，富水性强的地段往 往底板裂隙也较发育，为易突水区，且突水量较大，是防治水工 作的重点地段。 2 2 4 水压的作用 水压是发生突水的前提和动力。一般是水压高，突水枫率就高。 承压水在底板隔水层下处于相对封闭状态，承压水欲突破几十米 完整的隔水层岩体是相当困难的。而处于封闭状态的岩溶水不断 地溶蚀、冲刷构造裂隙，形成通道，由含水层上升进入到底板隔 水层，从而破坏了底板隔水层，削弱隔水层强度。当它一旦接近 煤层，采掘工作面推进到这里时就可髓引起爆发型突水：如离煤 层较远，则可形成缓冲型或滞后型突水。 水压力对采场围岩具体的破坏作用，以两种形式的力进行：一 是隐含有势能的静水压力；二是在岩石空隙及突水通道中运动和 突水时由势能转变为动能( 使运动的水获得加速度) 的动水压力， 1 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 它们对采场围岩有着不同的破坏作用。 1 静水压作用： 承压含水层的静水压力对采场围岩破坏作用主要表现在： 1 ) 导升作用：含水层上覆隔水层内有许多天然结构面，在承压 水静水压力作用下，水沿着这些天然裂缝，在隔水层内上升至某 一高度，称之为导升高度。显然。在断层附近，因围岩破坏厉害， 其导升高度较正常区大：其次由于岩石性质、结构和受力的差异， 隔水层内天然结构面的大小、多少各异，因而导升高度必然不同。 2 ) 楔劈扩大裂隙作用：底板隔水层中天然裂隙的尖端，处于应 力集中状态，在静水压力作用下，水不仅进入裂隙系内，而且还 使隔水层内的裂隙产生扩大、延长现象，称此作用为楔劈作用。 静水压力越大和在采掘工作影响下，这种作用便越明显。 3 ) 底板上鼓( 底鼓) 作用：当采掘工作面内的煤( 岩) 采( 掘) 空至 某段距离之后，其底板在静水及静矿山压力作用下往采( 掘) 空区 段内移动，在采空区或巷道内形成“底鼓”。此外，同时在采场 周边的隔水层底部附近，因岩石弯曲而产生张裂隙，有的称为“原 位张裂”。 4 ) 采场周边附近的剪切破坏作用：采空区内底板承受垂直向上 的静水压力，使底板往采空区内移动，而采场周边未采掘地段岩 层承受是顶部岩层转嫁的垂直向下的压应力，在这对力偶的作用 下，采场偏采空区的周边岩层内部产生剪切破坏作用而出现剪切 裂隙系，从而诱发突水事故。 5 ) 静水压力大小的作用：当采场围岩岩性、结构、裂隙、断裂、 构造和厚度基本类似的情况下，往往是采( 掘) 区内顶底板承受静 水压力越大，导升、扩裂、底鼓及采场周边附近剪裂及张裂作用 越强，故突水机率越高，反之则低。 2 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 ) 水对围岩的软化降强作用：当隔水岩层的裂隙中充水后，水 对岩石产生软化作用，降低了岩石的强度而利于岩石的破坏，且 随着时间的增长作用越来越明显。 2 动水压力的作用： 动水压力对采场围岩作用的主要表现如下： 1 ) 冲刷扩裂和搬运充填破碎物的作用：当水进入裂隙系统内， 因采矿引起的各种作用，使水在相互沟通的裂隙中运动时，则具 有势能的静水压力转变成动能，使在裂隙内运动的水获得加速度： 获得加速度的水，在裂隙中运动时，起了冲刷扩大裂隙、并搬运 裂隙中充填物或破碎物。显然，水获加速度的大小，与静水压力 差大小有关，即与威胁采区工作的含水层静水位、突水点标高差 的大小有关。 2 ) 动量的作用：井巷突水强烈程度不仅与水压大小有关，还与 水的冲力和动量大小有关。一般是水速越大，水对隔水层的冲力 和动量破坏越大，相应突水强烈和水量大而持久。而水速和水量 大小，取决于含水层的透( 富) 水性、补给条件和水压差的大小。 2 2 5 隔水层 隔水层起阻止突水的作用。其阻水能力取决于隔水层的强度、 厚度和裂隙发育程度。若采场顶底板隔水层厚度大时，正常地质 条件下，因岩层阻水能力强不会出水，反之则会出水，岩石抗水 能力随岩厚增大而增强。同一厚度的岩层，岩石的天然强度不同， 其阻水能力也不同。总体而言，隔水层强度越大、厚度越大、裂 隙越少，隔水层阻力越大。 2 l 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 3 采场底板突水机制 归纳前面各因素的作用，可将采场底板突水机制综述如下：采 场顶底板岩层在矿压和水压的作用下，采场顶部岩层部分重力以 支承压力的形式转嫁给采场周边围岩，并由其传给底板，使采场 周边岩围岩压缩和产生往采空区内移动的水平运动；另一部分重 力和含水层水压的综合作用，使顶、底板逐渐往采空区内移动。 采场顶底板岩层往采空区内移动的同时，在采场边附近的岩层内 产生剪裂隙系，随着回采工作的进行逐步形成裂隙带。在底板岩 层内，直接底产生直接底板采动裂隙带和具有一定阻水能力的弹 ( 粘) 塑性变形带，它们主要是由能量释放产生脆性破坏和动矿山 压力造成的；而在含水层顶面往上，上部为弹( 粘) 塑性带，下部 为天然导升高度基础上，叠加岩层移动在采场周边产生的张裂和 剪裂隙系，构成底部破裂带，它们主要由静水压和支承压力造成 的。上述各带在隔水层中的部位、变形和破裂程度，均随采掘工 作面的前进进程而变化；同时导升进入裂隙带中的水，对裂隙产 生楔劈和软化岩石强度的作用；当达到老顶首次或周期来压、垮 落的距离时，顶底板内裂隙产生延展、扩大、增多、相