（矿产普查与勘探专业论文）潘西煤矿煤层底板突水机理及预测预报研究.pdf

山东科技丈学硕士学位论文摘要 摘要 本文对潘西煤矿1 9 煤底板突水机理及预测预报进行了研究。在分析潘西煤矿地质、 水文地质条件及以往突水资料的基础上，概括出了影响煤层底板突水的六个影响因素： 对采场煤层底板应力状态及项、底板岩层运动规律做了分析：综合大采深( 采深6 5 0 m ) 条件下矿井底板破坏深度的理论分析、数值模拟及现场实测，以及大采深矿井实际突水 资料，对大采深条件下的煤层底板破坏机理进行了探讨，并提出了底板破坏深度的计算 公式：分析了原始导高带及采动导高带的原因和影响因素及其确定方法：分析了煤层底 板的综合阻水性能，对潘西煤矿1 9 煤底板岩层的阻水性能进行了评价；分析了断裂构造 突水机制，包括断层的原始导水性及采动活化特点，从力学角度分析了断层的增展机制 及其对突水的影响。综合考虑了含水层的富水性、构造影响、水压、隔水层阻水性能等 因素，利用多源信息复合方法建立矿井底板突水预测模型，对整个矿井进行了突水危险 性分区；对采场突水条件进行了分析，将采场底板条件划分为三种模型，并建立了相应 的力学模型和突水判据，开发了工作面突水预报软件，经验证效果较好。 关键词：矿井水害，突水机理，数值模拟，底板破坏深度，大采深，突水预测 山东科技大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t t h i sp a p e rs t u d i e dt h em e c h a n i s mo fw a t e r - i n r u s ha n dw a t e r - i n r u s hp r e d i c t i o no f1 9 “ c o a l b e df l o o ro np a n x ic o a l m i n e b a s e do nt h ea n a l y s i so fg e o l o g ya n dh y d r o l o g i c a lc o n d i t i o n a n dw a t e r - i n r u s hf r o mc o a l b e df l o o rd a t eo f p a n x ic o a l m i n e ，g e n e r a l i z e dt h es i xf a c t o r s ，w h i c h a f f e c tw a t e r - i n r u s hf r o mc o a l b e df l o o r , a n a l y z e ds t r e s s s t a t eo ft h ec o a l b e df l o o ra n d m o v e m e n tf e a t u r eo fc o a l b e dt o pl a y e ra n d f l o o r , c o m p r e h e n s i v e l ys t u d i e dt h ed e p t ho f d e s t r o y e d f l o o ri nd e e p e rl e v e l ( m i n e dd e p t h 6 5 0 r e ) m i n e 、v i t l lt h e o r e t i c a l a n a l y s i s ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n da c t u a lm e a s u r e m e n ti ns i t u ，a n db a s e do nt h ed a t eo fw a t e r - i n r u s ho f m i n e di nd e e p e rl e v e l ，r e s e a r c h e dt h em e c h a n i s mo f c o a l b e df l o o rd e s t r o y e da n db r i n gf o r w a r d c a l c u l a t ef o r m u l a ，a n a l y z e dt h er e a s o na n di n f l u e n t i a lf a c t o ra n da s c e r t a i n m e n tm e t h o do nt h e d e p t ho fo r i g i n a ld a m a g ez o n ea n dm i n e dd a m a g ez o n e ，s t u d i e do no b s t r u c t i o np e r f o r m a n c eo f c o a l b e df l o o ra n da p p l i e di to np a n x ic o a l m i n e ，s t u d i e do nt h em e c h a n i s mo fw a t e r - i n r u s h f r o mf a u l t e df l o o r , i n c l u d et h ew a t e r - i n r u s ho fo r i g i n a lf a u l ta n df e a t u r eo fa c t i v a t e df a u l tb y m i n e da n dt h ed e v e l o p m e n tm e c h a n i s mo ff a u l tw i t hm e c h a n i c sa n dt h ee f f e c to nw a t e r - i n r u s h ， u s e dm o r ef a c t o r sc o m p o s i t i n gt h e o r yw i t hw a t e ra b u n d a n c eo fc o n f i n e da q u i f e r ，g e o l o g i c s t r u c m r e ，h y d r a u l i cp r e s s u r ea n do b s t r u c t i o np e r f o r m a n c eo ff l o o r , b r i n g sf o r w a r dt h em o d e l o fw a t e r - i n r u s ht of o r e c a s tw a t e r - d i s a s t e rp r o b l e mi nc o a l m i n ea n dp a r t i t i o nt h ef a t a l n e s sz o n e ， a n a l y z e dt h ec o n d i t i o no fw a t e r - i n r u s ho ns t o p ea n dd i v i d e dt h ef l o o ri n t ot h r e ek i n d sa n d f o u n d e dm e c h a n i c a lm o d e la n dc r i t e r i o no fw a t e r - i n r u s hp r o p o r t i o n a l l ya n ds o f t w a r et o p r e d i c a t ew a t e r - i n r u s hf r o mm i n i n gf l o o ri sm a d e ，w h i c hh a sag o o de f f e c t k e yw o r d s ：m i n ew a t e r - d i s a s t e r , m e c h a n i s mo fw a t e r - i n r u s h ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，d e p t ho f d e s t r o y e df l o o r , d e e p e rl e v e l ，w a t e r i n r u s hp r e d i c t i o n 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和所公认的 文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它任 何学术机关作鉴定。 硕士生躲靴永 日期： a f f i r m a t i o n 争痒臼，词 id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o r t h ea w a r do fm a s t e r sd e g r e ei ns h a n d o n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ， i sw h o l l ym yo w nw o r ku n l e s sr e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e t h ed o c u m e n th a sn o t b e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i ci n s t i t u t e s i g n a t u r e ： d a t e ：山多一 山东科技大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 课题的提出 本研究课题是根据新汶矿业集团有限责任公司与山东科技大学合作的“新汶矿区水 害治理研究”项目中的子课题“潘西煤矿徐、奥灰突水机理及防治技术研究”而确定。 矿井水害是制约煤矿安全生产的重要因素。中国煤矿水害事故类型主要有：地表水 体水害事故，占中国煤矿突水事故的4 9 ；冲积层水水害事故，占1 4 ；砂岩类含水 层水害事故，占1 4 ；灰岩类岩溶水水害事故，占9 2 3 。可见，防治灰岩岩溶类突水 是矿井水害工作的重点。 据不完全统计自1 9 5 6 年至今全国发生突水1 6 6 0 多次，造成淹井灾害2 2 9 次，一千 多人丧生，经济损失1 0 0 多亿元。而且，随着开采水平的延伸和开采范围的扩大，这种 威胁越来越严重。因此如何将这些煤矿从承压水上解放出来，实现安全、高产、高效， 一直是中国煤炭行业的主要攻关课题之一。 长期以来，对受奥灰承压水威胁的煤层，主要采用两种采煤方法，一是深降强排， 二是带压开采。深降强排能根除水患，确保安全，但也存在一些问题：( 1 ) 疏水工程投资 大，耗电量大，造成开采成本增高；( 2 ) 强排会引起地下水位大幅度下降，对地面和环境 造成极大破坏；( 3 ) 当奥灰水水量丰富，补给水源充足时，强排难以达到效果。所以较少 采用。而带压开采不仅成本低，对环境的危害是小，是开采受水威胁煤层的主要方法。 但带压开采不能确保不发生突水事故，特别是在水文地质条件复杂，水压较高的矿井， 受到底板奥灰岩溶承压水的严重威胁。查清矿井水文地质条件、研究矿井突水机理，进 行底板突水预测预报研究，采取有效的手段，确保安全生产成为带压开采的关键。尤其 对深矿井，承压水水头高，底板承受压力大，水害威胁严重，更有着重大的意义。 潘西煤矿自1 9 8 5 年以来，先后发生中等以上底板突水2 2 次，突水量从1 6 2 m 3 h 至 1 0 2 0 m 3 h ，随着开采水平的加深，突水频率增大，突水量也迅速增加。自1 9 9 7 年以来， 突水量均在6 0 0 m 3 h 以上，突水水源基本为奥灰水。随着矿井延深，奥灰水面积及水压 增大，突水量呈现出不断增加和涌水不断向下部转移的趋势，而且深部奥灰富水性呈现 极不均一性。开展煤层底板突水机理研究，摸清徐、奥灰岩溶水分布规律、底板破坏规 律、进行底板受水威胁程度评价，进而采取有效的防治水措施，对解放受水威胁煤层储 山东科技人学硕士学位论文绪论 量，实现矿井安全生产，具有重大的现实意义。 1 2 研究现状与文献综述 对于矿井突水的研究，国内外学者已经进行了一些有益的探索。下面就矿井突水机 理的理论分析、底板破坏的实测和模拟、矿井突水的预测预报等方面作一简单评述。 1 2 1 矿井底板突水机理的理论研究 1 2 i 1 国外概况 自上世纪4 0 年代，人们开始用力学的观点探讨突水成因，1 9 4 4 年匈牙利学者韦格 弗伦斯第一次提出了相对隔水层的概念，认识到煤层底板突水不仅与隔水层厚度有关， 而且还与水压有关。苏联学者b u 斯列沙辽夫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。6 0 年代至7 0 年代，仍以静力学理论为基础，但加强了地质 因素一主要是隔水层岩性和强度方面的研究。在匈牙利、南斯拉夫等国，广泛采用了相 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，将其他不同岩性的岩层换 算成泥岩的厚度，以此作为衡量突水与否的标准。 7 0 年代至8 0 年代末期，许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。cf s a n t o s 、z t b i e n i a w s k i 等人基于改进的h o e k b r o w n 岩体强度准则， 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己破裂的程度与 岩体指标r m r 相关的无量纲常量ms ，分析了底板的承载能力。对研究采动影响下的 底板破坏机理有一定参考价值。在8 0 年代束，前全苏矿山地质力学和测量科学研究院突 破传统线性关系，指出导水裂隙和采厚呈平方根关系。实质上，对煤层底板突水问题的 研究与岩体水力学问题的研究密不可分。岩体水力学是一门始于6 0 年代末的新烂学科， 自1 9 6 9 年s h o w d t 通过实验发现平行裂隙中渗透系数的立方定律以后人们对裂隙流 的认识从多孔介质流中转变过来。1 9 7 4 年l o m s 根据钻孔抽水实验得到裂隙中水的渗透 系数和法向地应力服从指数关系。以后德国的e r i c h s e n 又从裂隙岩体的剪切变形分析出 发建立了渗流和应力之自j 的耦合关系。1 9 8 6 年o d a 用裂隙几何张量统一表达了岩体渗流 与变形之间的关系。1 9 9 2 年d e r e ke l s w o r t h 将似双重介质岩石格架的位移转移到裂隙上， 再根据裂隙渗流服从立方定理的关系，建立渗流场计算的固一液耦合模型，并开发了有 限元计算程序。目前，在矿井水害研究方面，澳大利亚有些学者主要从事地下水运移数 耀元计算程序。目前，在矿井水害研究方面，澳大利亚有些学者主要从事地下水运移数 山东科技大学硕士学位论文 i 绪论 学模型的建立。 1 2 1 2 国内概况 我国早在6 0 年代就开始了底板突水规律的研究工作。在焦作水文会战时首次提出了 突水系数的概念，用于作为突水预测预报的标准。所谓突水系数就是单位隔水层承受的 水压值，即： r 。= p | m 式中t 一突水系数；尸一水压，m p a ：肘一隔水层厚度，m ； 7 0 年代，煤科院西安分院考虑到矿压破坏因素对突水系数作了修正，即 e = p ( m c 。) 式中： c p 一矿压破坏底板深度；其他符号含义同前。 至8 0 年代，考虑隔水层分层岩石力学性质的不同，并参考了匈牙利等值隔水层厚度 的概念，又一次对突水系数作了修正，即为： t = p ( m ，脚，- c ，) 式中： m 一隔水层底板各分层厚度，m 巩一各分层等效厚度换算系数； 提出了临界突水系数的概念，即单位隔水层厚度所能承受的最大水压。突水系数概 念明确，公式简便实用，表达式中虽然只出现水压( p ) 和隔水层厚度( m ) 等两项简 单因素，但它却反映突水因素的综合作用，包括矿压破坏底板或促使断裂重新活动的作 用。在煤矿生产中起到了积极的作用，故一直沿用至今。由于临界突水系数统计中8 0 以上是断层突水，所以临界突水系数主要反映的是断裂薄弱带的突水条件。用于预测正 常底板，其数值偏小，这对深部开采起到了束缚和限制作用。 8 0 年代以后，除煤矿第一线的工程技术人员不断总结、探索突水发生机理外，煤科 总院西安分院、北京开采所、山东矿院、中国矿大、中科院地质所等单位深入现场，作 了大量探测观测分析和实验研究工作，在此基础上结合岩石力学理论归纳总结了突水机 山东科技大学碗士学位论文 l 绪论 理新理论。主要有： ( 1 ) 薄板结构理论 煤科总院北京开采所刘天泉院士、张金才博士等认为底板岩层由采动导水裂隙带和 底板隔水带组成，并运用弹性力学、塑性力学理论和相似材料模拟实验来研究底板突水 机制，采用半无限体- 定长度上受均布竖向载荷的弹性解、结合库仑一莫尔强度理论和 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。将底板隔水层带看作四周 固支受均布载荷作用下的弹性薄板，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。该理论首次运用板结构 研究底板突水机制，发展了突水理论。但在一般情况下，底板隔水层不满足薄板条件一 厚宽比小于l 5 1 7 ，只有在较薄隔水层条件下才能应用；另外，该理论未考虑承压水 导水带及渗流的作用，故使应用受到一定限制。 ( z ) “零位破坏”与“原位张裂”理论 由煤科总院北京开采所王作宇、刘鸿泉等人提出。该理论认为，矿压、水压联合作 用于工作面对煤层的影响范围可分为三段：超前压力压缩段( i 段) 、卸压膨胀段( i i 段) 图】j 底板岩体的原位张裂与零位破坏示意图 f i gi 1t h es k e t c ho f t e n s i o n a lf r a c t u r ea n db r e a k a g eo n h o m ep o s i t i o ni nf l o o r 1 一应力分布；2 一采空区：3 一煤层；4 一零位破坏线；5 一零 位破坏带；6 一空间剩余完整岩体( 上) ：7 一原位张裂线；8 一 原位张裂带；9 一空间剩余完整岩体( 下) ：1 0 一含水层；1 i 一采 动应力场空间范围；1 2 一承压水运动场空间范围 和采后压力压缩一稳定段( i i l 段) ( 见图l 、1 ) 。 超前压力压缩段在其上部岩体 自重力和下部水压力的联台作用下 整个结构呈现出上半部受水平挤 压、下半部受水平引张的状态，因 而在中部附近的底面上的原岩节 理、裂缝等不连续而产生岩体的原 位张裂。在底板承压水的作用下， 克服岩体结构面阻力而扩大，并沿 着不连续面发展或形成新的张裂， 从而形成底板岩体的原位张裂。煤 层底板结构岩体由i 段向i i 段过渡 引起其结构状态的质变，处于压缩的岩体应力急剧卸压，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支承压力是引起底板产生破坏的基 4 生查翌茎查兰堡主堂堡垒兰! 堕丝 本前提，煤柱煤体的塑性破坏宽度是控制底板最大破坏深度的主要参数，底板岩体的摩 擦角是影响零位破坏的基本因素，并迸一步用塑性滑移线理论分析了采动底板的最大破 坏深度。该理论综合考虑了采动效应及承压东运动，阐鹞了底板岩体移动发生、发展、 形成和变化的过程。揭示了矿井突水的内在原因，对承压水上采煤实践具有重大的指导 意义。但对于原位张裂发生发展过程缺乏深入研究，其发育高度( 厚度) 难以确定，限 制了其在实际中的应用。 ( 3 ) “强渗通道”说 由中科院地质所提出。该理论认为底板是否发生突水关键在于是否具备突水通道。 这分为两种情况：其一，底板水文地质结构存在与水源勾通的固有突水通道，当其被采 掘工程揭穿时，即可产生突破性的大量涌水，构成突水事故；其二，底板中不存在这种 固有的突水通道，但在工程应力、地壳应力以及地下水共同作用下，沿袭底板岩体结构 和水文地质结构中原有的薄弱环节发生形变、蜕变与破坏，形成新的贯穿性强渗通道而 诱发突水。前者属于原生通道突水，后者属于再生或次生通道突水。该理论重视了地质 构造( 包括断层和节理) 这一薄弱面对突水的影响，但对采动和水压对其产生的影响， 尤其采动矿压的作用缺乏应有的研究。 ( 4 ) “岩水应力关系”说 煤科院西安分院提出。该学说认为底板突水是岩( 底板砂页岩) 、水( 底板承压水) 、 应力( 采动应力和地应力) 共同作用的结果。采动矿压使底板隔水层出现一定深度的导 水裂隙，降低了岩体强度，削弱了隔水性能，造成了底板渗流场重新分布，当承压水沿 导水破裂进一步浸入时，岩体则因受水软化而导致裂缝继续扩展，直至两者相互作用的 结果增强到底板岩体的最小主应力小于承压水水压时，便产生压裂扩容，发生突水。其 表达式为：i = p w z “为突水临界指数，p w 为底板隔水岩体承受的水压：z 为底板岩体 的最小主应力) ，当i r 时，底板岩体将发生剪切破坏，即 仃二= k m 。y h e o 6 7 c 矗：5 9 8 8 l n 墨i ! ：丝! 竺盥竺! 乇 式中，f ，为底板岩层的抗剪强度，m p a ； 口为岩石的内摩擦角； h 值即为底板破坏深度。 可见煤层底板破坏深度将会随采深的增大而增大，因而在大采深情况下，采动造成 的底板破坏将会是十分可观的，有时可将直接破坏整个隔水层，裂隙达到奥灰含水层， 即只存在底板破坏带。 新汶矿业集团良庄煤矿5 1 3 0 2 工作面突水，5 1 3 0 2 工作面斜长l = 1 6 0 1 6 5 m ，采深 h = 6 1 3 8 m 6 6 9 8 m ，平均采深6 4 0 m 左右，岩层倾角a = 1 5 。，1 3 煤距徐灰4 0 m 左右，距 奥灰7 8 m 左右。1 3 煤开采造成1 3 煤底至徐灰之间的底板岩层遭到破坏，应力得到充分 释放，底板水平应力下移，集中到徐灰，致使在水平压力作用下徐灰向上弯曲，形成拉 张一剪切型断裂，形成近似扇形裂隙。徐灰一旦断裂，底板应力进一步下移向奥灰集中， 奥灰受到剪切破坏。此时奥灰剪切破坏的最强烈的部位位于悬顶的中部对应的部位，在 向上的水压作用下，奥灰突然断裂，造成突水发生。突水发生时，采空区底鼓达到0 6 m 左右，说明底板矿压和水压藕合对底板具有极大的破坏作用。为了探明5 1 3 0 2 工作面底 板破坏的动态规律，良庄煤矿从采前到采后共进行了6 次井下网络电法探测，采后探测 成果图如图4 1 2 所示，在图的右端可以看出，底板破坏带已与采动导升带相通，此通道 与法向线的夹角在2 5 0 左右，奥灰水就是沿此通道进入矿井，造成底板突水。 4 0 山东科技大学硕士学位论文 4 煤层底板突水机理研究 图4 1 2 采后探测成果图 f i g4 1 2t h er e s u l tm a po f d e 删o na f t e rm i n e d 4 3 4 经验公式 分析以往突水实际资料，综合考虑多因素，对底板破坏深度进行统计、归纳，得出 底板破坏经验公式。李白英教授通过考虑工作面的斜长、采深、采厚和倾角，结合全国 2 2 个突水工作面情况，统计出了底板破坏经验公式，即 h i = o 0 0 8 5 h + o 1 6 6 5 a + 0 1 0 7 9 l 一4 3 5 7 9 上述经验公式的得出，主要是统计采深基本在5 0 0 m 以上的，但是对于大采深的矿 井只取了2 个实例，所以对大采深矿井的适用性是否合适，值得商榷。本次根据潘西煤 矿、良庄煤矿和孙村煤矿等大采深矿井底板破坏深度进行了统计，底板破坏深度统计见 表4 1 ，得出了适合大采深阻 一6 5 0 m ) 矿井的底板破坏深度经验公式： 矗= 0 0 6 1 8 h + 7 9 3 1 1 n 二+ 0 1 2 7 1 a + 0 8 3 7 a + 2 5 9 6 1 1 2 3 5 表4 1 工作面采后底板破坏深度统计表 t a b l e 4 it a b l eo f d e s t r o y e df l o o rd e p t ha f t e rm i n e d 序 工作面地点 采深h工作面斜倾角d采厚破坏深 备注 号( m )长l ( m )( o ) a ( m )度h l ( m ) l良庄5 1 3 0 2 面7 0 01 6 51 51 2 07 8 2孙村4 1 1 1 8 面 8 0 01 6 7 2 0 1 5 09 4 3潘西5 1 9 2 面9 1 71 l o2 52 0 25 9 4 潘西4 1 9 5 面 9 3 71 2 l2 82 6 56 0 5 潘西4 1 9 3 东面 7 0 1 1 1 0 2 62 1 46 9 8 6 潘西4 1 9 2 东面 6 5 01 0 0 2 5 2 1 66 2 5 7 潘西4 1 9 3 西面 7 2 71 0 62 62 0 55 8 8 潘西1 1 9 3 东面 7 2 l1 2 22 62 2 56 5 9潘西3 1 9 4 面6 6 9 1 3 0 2 8 2 2 26 l 4 l 山东科技大学硕士学位论文4 煤层底板突水机理研究 4 4 原始导升带及采动导升高度研究 承压含水屡会在高水头压力的作用下对其上覆岩层有一定的侵蚀作用，在水一岩一 应力相互作用下，会使承压水导升一定的高度。在自然条件下，承压水沿底板裂隙上升 的高度为原始导高带。在采动条件下，由于矿山压力的影响，承压水还可进一步导升， 称为承压水再导升高度，两者之和为承压水导高带。 4 4 1 承压水原始导高带的成因 承压水原始导高带的形成是承压水对岩石的力学效应使岩石遭受到化学损伤，而此 力学效应是与水一岩化学作用密切相关的。 水一岩化学作用导致岩石变形、破坏的差异性表现的是其宏观上的特征，而这种宏 观上的差异与其微观结构的改变是密切相关的。水与岩石化学反应是一种复杂的物理化 学过程，也是一种从微观结构的变化导致其宏观力学性质改变的过程。此过程削弱了矿 物颗粒之间的联系，腐蚀晶格，使受力岩体变形加大、强度降低。其降低程度取决于岩 石孔隙、裂隙的状况和岩体应力场、渗流场、温度场及组成岩石矿物的组分、亲水性、 可溶解性及其成因，同时取决于其水分的含量和物理化学性质。因此，水对岩石( 体) 的力学效应的机制取决于水一岩化学作用与岩石中裂纹裂隙等缺陷及其颗粒及矿物的结 构之间的耦合作用。其作用的结果使导致岩石的微观成分的改变和原有微观结构的破坏， 从而改变了岩石的应力状态和力学性质。 水是极性分子，是一种溶解能力很强的溶剂。它与岩石接触时必定会发生溶解一沉 淀反应。水一岩相互作用的力学效应取决于：水溶液的成分及化学性质、流动状态和 温度等；岩石的矿物与胶结物的成分、亲水性、结构、裂隙裂纹的发育状况及透水性 等。水一岩之间主要有以下几种作用方式。 ( 1 ) 物理作用 水一岩相互之间的物理作用对岩石的物理力学性质具有很大影响。温度、湿度及压 力的变化可引起矿物( 尤其是粘土矿物) 的水化、膨胀、分散和收缩。物理作用导致岩 石物理力学性质变化的原因，在很大程度上，首先取决于岩石中的矿物成分，再就是取 决于矿物中结构水的成分、存在形式及其含量的变化。粘土矿物晶体表面吸附的交换性 离子吸附极性水分子，使水分子进入粘土矿物晶层间或在晶体表面产生定向排列，形成 水化膜。进入晶层间的水分子增多，使晶层面的双电层的斥力变大，当晶层面的斥力大 于其连接力时，粘土矿物就沿层面分开，由大颗粒变为小颗粒。这种现象称之为粘土矿 坐查登垫查兰堡主堂垡丝苎! 堡星壁堡窒查垫望堡茎 物的水化膨胀分散。 ( 2 ) 溶解作用 岩石中颗粒矿物及胶结矿物在水溶液中的溶解作用，受表面化学反应和扩散迁移两 方面的作用。矿物的表面化学反应控制，进行反应的“表面区”的深度极小( ( 5 咖) ，由 于岩石是矿物的集合体，水溶液首先是沿着颗粒之间接触面的微间隙和岩石中存在的微 裂纹及细微裂隙等结构面往岩石内部渗透。因此，在整体上，岩石的水化学反应是“渗 透一表面一扩散一控制( o s m o s i s - - s u r f a c e - - d i f l 缸i o n - - c o n t r 0 1 ) ”( 简称o s d 控制) ( 3 ) 沉淀作用 水一岩化学作用可能生成难溶盐，也可能由于水溶液中离子浓度提高而生成可溶盐， 形成结晶物沉淀于岩石颗粒的表面或裂纹、孔隙及裂隙等缺陷上，这对岩石力学性质具 有重要作用。水溶解了岩石中可溶性的盐分，并沿着岩石的裂隙和孔隙渗透运移，溶液 的浓度随着温度、季节和地下水流动系统而变化，当盐份的浓度增大，达到饱和结晶。 初期这种结晶盐对岩石的力学性质有好处，即正的力学效应。但是，盐的晶体随着时间 的推移会不断增大，其体积逐渐增大，便产生结晶压力，从而改变岩石的结构，也削弱 了岩石的强度，即产生负的力学效应。 ( 4 ) 吸附作用 吸附作用是固体表面反应的一种普遍现象。矿物的溶解是由于表面吸附了水溶液组 分并形成表面活化络合物。是水中离子与岩石表面上的离子的一种离子交换作用，会改 变岩石表面及裂纹裂隙的结构，从而影响岩石的力学效应。 ( 5 ) 氧化还原作用 组成隔水底板的岩层多为泥岩、粉砂岩，它们共同特点是矿物成份以粘土矿物为主。 粘土矿物为层状硅酸盐，阳离子成分为a 1 3 + 、m 9 2 + 为主，其次为f e ”、m n 2 + 、f e 2 + 等。当 这些岩层与水接触时，会发生水解反应。以a 1 3 + 为例，在岩层表面及裂隙表面遇水时， 立即离解出a 1 3 十，但并非以a 1 3 十简单形态存在，而是结合6 格配位水分子【a i ( h 2 0 6 ) 】3 + 的水合铝离子，这是一种最简单的单核配合物。它的水解过程产物的形态与价态同p h 有密切关系，其氧化还原反应如下： a i ( h ：d 6 ) 】“- - a i ( o h ) ( h ：d ) ，】2 + + 日+ 阻，( ( 4 d ) ，r _ h i ( o r e ：( 马d ) 。】+ 日+ a t ( o r e ：( 也d ) 。r - a t ( o r e ，( 皿d ) 。】+ + 4 1 山东科技大学硕士学位论文 4 煤层底板突水机理研究 可知，水中的h + 起着反应进行方向的作用，如果使反应向右进行则加大h + 的浓度， 反之则减小。 4 4 2 承压水再导升的成因 随着工作面的推进，底板岩层经历：压缩一膨胀一压缩过程，如此周期性运动，底 板岩体的体积将会随着发生改变，裂隙会得到进一步发展。在高水头压力和采动矿山应 力的共同作用下，承压水沿裂隙递进地向上入侵，在裂隙内的楔劈致裂作用导致裂隙扩 展和导升发展。受采动影响处于超前支承压力区内的底板岩层，在支承压力及原地应力 作用下，上半部受到水平及铅垂的挤压力作用，而下半部受到水平引张力和铅垂挤压力 的作用，所以在支承压力区底板的下半部中的裂隙，重新发育成新的张裂面。由于铅垂 力的作用，使含水层中的水压局部增加。又由于原始导高存在于底板的下半部中，且其 部位应力集中，岩性破碎，在增高了水压的作用下，可再度破坏而使原始导升高度向上 自然发展，形成“采动再导升”。 4 4 3 影响承压水导高带发育的因素 ( 1 ) 水压承压水水压越高，水一岩作用越强烈，对岩石破裂程度越严重。 ( 2 ) 水的流态静止的水不利于水一岩作用的进行，流动的水促使其进行。因此在 强径流带区域内，水一岩作用进行速度较快，即导高带发育且高程较大。 ( 3 ) 构造位置处于构造裂隙发育部位，如向斜轴部，水一岩作用较强烈，导高较 高。 ( 4 ) 岩性粘土矿物含量高的岩层越利于水岩之间的反应。因为粘土矿物不仅影响 岩石的强度，而且影响岩石的溶解度。泥岩、粉砂岩及细砂岩粘土矿物成分含量一般比 中、粗粒砂岩的含量高，因此前者比后者有利于溶解，但往往困后者的硬度大于前者， 裂隙形成后不易闭合，从而使得初始导高就很高。 ( 5 ) 采动矿压由于矿山压力导致底板岩体发生损伤，损伤度增加，断裂速率增加， 使得承压水会对裂隙产生更大的侵蚀破坏。 4 4 4 承压水导高带发育高度的确定 岩石原始裂隙是导高带发展的基础，水压是外动力。设承压水挤入岩体的过程为一 维流动，x 为裂缝的发展方向( 图4 1 3 ) 令水流方向上任一点x 处的压力为p ，则裂缝 壁面上的阻力与该点的压力成正比，其比例系数为裂缝面的粗糙系数k 。因为，在小单 元的中点处水压力为p + 三詈出，所以，裂缝面的阻力为k ( p + 圭謇出) ，如果该点的宽z 嬲z 山东科技大学硕士学位论文 4 煤层底板突水机理研究 叭p 畦荟：d ) 【) 厦为b ，取翠兀伟厚度为1 ，则根琚刁( 梳题 动定律，考虑到0q l d , ，则在工方向上有 ( p + 罢出) 佃一出) 一础+ z ( p + 圭害出) 二= p l ( b + b - 如皿 等 式中： u 永的流速：口水密度。 图4 1 3 承压水挤入岩体模型 因为地下水流速度随时间变化西) f i 9 4 1 3 t h e m o d e lo f p i e s t i c w a t e r d i a p i rr o c k m 、1 很小，可忽略不计，则上式右端为零。 而船= 触，0 为裂缝夹角，为微小量，所以，扭为二阶微量，忽略所有二阶微量 后得 b 望+ 2 p k ：0 次 解之得p = p o e 置州8 式中：p 。承压水开始时的静水压力。 上式即为承压水挤入岩体内部时的压力与裂缝参数的关系。可知，挤入岩体的水压 力随着进入裂缝的深度及裂缝的粗糙度的增大而衰减。可以得出承压水挤入裂缝的深度： x ：旦l n 盟 k p 由上式可知，原始水压越大，则挤入的裂缝深度越大，并且裂缝宽度越大，粗糙度 越小，则裂缝的深度越大。如果当水压p 降到0 0 9 8 m p a ( 1 个大气压) 时，认为裂缝不 再继续扩展，则裂缝的发育深度为： x ：昙( 2 3 2 + l n p o ) x 2 i 2 + 1 j 从计算结果可以看出，单凭水压力的作用挤入岩体而产生的裂缝深度是很小的，承 压水沿完整岩体的导升是有限的。而当岩体中存在有构造裂隙且当裂隙宽度较大时，或 工作面开采后形成导水裂隙时，则承压水沿裂隙挤入岩层的深度将十分可观。 原始导高带探铡可采用钻探统计法或物探法，其中钻孔统计法是一种简便易行的方 法。在有较多钻孔资料的情况下，可获得导高带分布的整体图像。在缺少钻孔资料的情 生查型垫查兰堡主堂垡笙苎! 堡墨堕墼窭查垫里堑塞 况下，可采用井下物探( 电法、地质雷达) 探测底板含水性，从而确定原始导高。 承压水再导升高度可通过钻探、物探、超声波法等进行探测。方法是在采前探出原 始导高，在采动过程中及采后重复探测，前后比较可确定承压水再导升高度。承压水再 导升与底板隔水层厚度及其力学性质，工作面斜长及顶板管理方式、含水层的水头压力 等因素有关。经分析发现，采动引起的承压水再导升高度与有关因素存在下列关系： ：x y + 2 a ( p - f l 6 ) s , - y 二 a s 式中：噬底板采动承压水导升高度( m ) ： 底板岩层总厚度( m ) ； y 底板岩层平均容重( m n m 3 ) ； p 作用于该区底部的水压( m p a ) ； s 底板岩体抗拉强度( m p a ) ： a 一1 2 l ， e 幢面一b 三，工作面斜长( m ) ； ；y 沿推进方向工作面至采空区未压实长度( m ) 。 上式可作为计算采场条件下承压水再导升高度的理论公式。 4 5 底板岩层阻水性能评价 底板岩体的阻水性能只有岩体产生结构破坏时才会发生大的变化。底板隔水岩层隔 水质量越好，水压破坏和采动破坏强度越小，底板突水就越不容易发生；底板岩层的隔 水质量越差，水压破坏和采动破坏强度越大，底板突水就越容易发生。底板隔水岩层隔 水质量好坏并不反映底板突水与否，它只反映底板突水的难易程度或可能性的大小。底 板岩层的阻水性能是岩层的厚度、性质及层序排列、组合综合因素的反映。 ( 1 ) 煤层底板岩层的厚度越大，阻水性能就越强，突水的可能性就越小。因此，隔 水层厚度对突水有一定的制约关系。潘西煤矿1 9 煤距徐灰9 5 0 3 0 o m ，平均1 9 0 5 m ， 等值线见图4 1 4 ；1 9 煤距奥灰4 1 1 2 7 8 6 m ，平均6 0 1 6 m ，等值线见图4 。 山东科技大学硕士学位论文4 煤层底板突水机理研究 图4 1 41 9 煤至徐灰等值线图 图4 1 4t h em a po f c o n t o u rl i n ew i t h1 9 - c o a l b e da n dx u l i m e s t o n e f、 匕 o 一_ 、( 、一h 、? 、 f、n络 肆矽 狡 滤涎 ，一 ( 一5 e 7 黛甑铌、+ 、f 。q f 夥褥 乡f ( 、 j 巢孓 二 茂一cf霜潭鸢澈 t 一 l “。l j l 图4 1 51 9 煤至奥灰等值线圈 图4 15t h em a po f c o n t o u rl i n ew i t h19 - c o a l b e da n do r d o v i c i a nl i m e s t o n e 4 7 山东科技大学硕士学位论义4 煤层底板突水桃理研究 正常情况下，完整性底板岩层按6 0 m ，突水系数按0 0 7 m p w m 计算，可以抵抗4 2 m p a 的水压，所以煤层底板岩层具有一定得隔水能力，对奥灰突水起到一定的阻碍作用。 ( ：j 底板岩层韵岩石力学性质。底扳岩层是由不同岩性台勺岩层组成的，不同岩性的 岩层其岩体结构与力学性质不同，抵抗变形、破坏的能力不同。为了解1 9 煤至奥灰之间 隔水层的物理力学性质，专门进行了取样试验，见表4 2 。 表421 9 煤底板隔水层岩石力学性质表 t a b l e4 2t h et a b l eo f1 9 。c o a l b e df l o o rl i t h o l o g yo np a n x ic o a l m i n e 底板 层厚 力学 性 质 深度岩性 弹性模量 抗拉强度单轴抗压强 三轴抗压强 ( n 1 ) 泊松比 ( mj r m p a l f m p a )度( m p a )度( m p a ) 7 4 0 23 1泥质细砂岩7 7 3 51 0 3 - 3 8 7 4 0 9o 7 小五灰 8 5 5 9 4 9j 1 4 64 0 9 37 3 2 4 0 1 7 4 5 7 5 2 41 15 泥质粉砂岩 7 5 7 3 4 45 8 94 3 3 20 1 7 l5 7 5 5 83 4 徐灰( 一) 6 2 3 5 7 21 1 - 3 53 5 0 41 0 0 4 80 1 7 1 5 7 5 6 20 42 0 煤 7 5 8 5 2 _ 3 泥质粉砂岩7 5 7 3 4 45 8 94 3 3 20 1 7 1 5 7 6 0 7 2 2 徐灰( 二)6 2 3 5 7 21 1 3 5 3 5 0 4 1 0 0 4 80 1 7 1 5 7 6 7 66 9泥岩 7 7 9 6 】2 草灰9 3 2 6 2 5 1 2 7 75 4 4 91 4 1 5 30 1 5 4 5 7 8 6 56 9红色细砂岩 7 9 3 26 7 粘土岩 4 】4 4 1 56 5 23 1 8 80 2 0 3 ( 3 ) 底板岩层层序及组合 不同的岩层组合对底板岩层的阻水性能的影响不同。 a 、上下软中间硬型：采动破坏较小，水压破坏不易发生，这种类型的底板阻水性 能较好。 b 、下软上硬型：采动破坏很大，上部裂纹在采动作用下，最容易扩展并相互连通， 下部为页岩、泥岩时，不易产生水压破坏，但当水压足够高时，且存在断层影响时，易 于形成突水通道，阻水性能最差。 c 、互层型( 软硬软硬) ：通常为砂岩和页岩、泥岩互层，采动破坏和水压破坏都小， 是很好的隔水层。 d 、下硬上软型：此类岩层组合采动破坏和水压破坏深度较大，但因上部岩层软， 水压在导升一定高度时，很难使其破坏，且上部采动裂隙的贯通率较差。因此，阻水性 能较好。 坐蔓登垫奎兰堡主堂垡堡苎 ! 堡堡塞堡窒查墼墨! 塞 潘西煤矿1 9 煤底板岩层为软硬相间组合，这类软硬交替的岩层组合形式，对阻止奥 灰突水是有利的。正常条件下，煤层底板岩体的此种组合，对带压开采起到一定的积极 的作用，1 9 煤至奥灰小柱状图见图4 1 6 。 1 9 煤 泥岩 小耱 碳 泥岩 六灰 6 层 铬土 奥衰 j ：三：一v 儿o z 2 4 虹【 m 荪曼9 j q = 3 q1 唑；：鳗。嵩铲l = 1 厶 6 0 5 【1 2 7 8 。6 6 0 1 6 主要由泥岩、石灰岩和砂岩组成。 底部为c - 层铝土岩或铁质粘土岩。 由底部向上逐渐过渡为杂色泥岩， 在中下部和中上部有六灰、五灰和 小五灰在石灰岩之间夹有泥岩、 砂岩和粉砂岩。 图4 1 6 1 9 煤至奥灰柱状图 f i 9 4 1 6s t r a t u mc o l u m n a rs e c t i o n o f l 9 m c o a l b e dt o o r d o v i c i a nl i m e s t o n e 总之，潘西煤矿完整型底板岩层在正常条件下具有较好的隔水性能，对防止奥灰水 的突入有一定的阻碍作用。 4 。6 煤层底板突水动态机理 正常底板条件下的底板突水，实质是承压水沿煤层底板中的裂隙网络渗流进入工作 面或采掘巷道。研究煤层底板突水机理，应在考虑原岩应力场、地质构造、地下水、采 动影响等因素的基础上，综合研究底板岩体的变形与破坏。 采动扰动后应力状态的变化，在隔水层上部原有裂隙发生贯通性破坏，