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承压水体上开采底板突水规律的研究 摘要 在承压水体上丌采时，煤层底板突水过程是一个复杂的非平衡、非线性的演 化过程，它受到许多因素的影响，其实质是煤层底板含水层高承压水沿采煤工 作面底板隔水层岩体内部通道突破底板隔水层的阻隔，以突发、缓发或滞发的 形式向上涌入工作面采空区的过程。出于岩石材料的非均匀性、地质条件的复 杂性、施工过程的不确定性，理论上很难对突水过程作出准确的描述。 本支结合朱庄煤矿3 6 2 9 工作面实例，在分析煤层底板突水的影响因素的基 础上，利用理论分析、相似材料模拟、有限元软件a n s y s 数值模拟为研究方法， 研究了承压水体上开采底板突水规律，对于实现煤矿安全生产，防治煤层底板突 水具有十分重要的理论意义与现实意义。 本支主要开展了如下几个方面的工作： 分析底板突水类型及影响因素，确定底板突水的原因： 运用断裂力学理论、弹塑性理论及有限元方法解析煤层底板隔水层在采 动矿压圾底板含水层水压的复合作用下的破坏深度、应力传播特征、底板突水 强限压力，并将解析解应用于朱庄煤矿3 6 2 9 工作面底板突水预测的实际工程中， 对该面实现安全回采起到了重要指导作用： 利用相似材料模型及大型有限元软件a n s y s 对煤层底板岩层应力分布规 律和底顿移动破坏特征进行了模拟，分析了煤层底板突水的机理及底板岩层的 定水破坏规律。 关键词：底板突水相似材料数值模拟a n s y s 软件破坏深度 极限压力应力分布突水机理 巾图分娄号：t d 7 4 5 承压水体上开采底扳突水规律的研究 a b s t r a c t m i n i n go nt h et o po fw a t e r p r e s s u r e d ，t h ew a t e ri n r u s h i nc o a lf l o o ri sa c o m p l e xn o n e q u i l i b r i u ma n dn o n l i n e a re v o l u t i o np r o c e s sw h i c hi sa f f e c t e db ym a n y f a c t o r s t h em e c h a n i s mo fi ti sap r o c e s st h a tt h eh i g hw a t e r - p r e s s u r e di nt h ef l o o r w a t e r - r e s i s t i n gl a y e rb u r s ti n t ot h ec a v i n gv o i di nt h ew o r k i n gf a c ei nt h ef o r mo f o u t b u r s ta n dd e l a y i n go rs l u g g i s h ，t h ew a t e rb r e a kt h r o u g ht h eo b s t r u c t o ft h e w a t e r - r e s i s t i n gl a y e r si nt h ef l o o ra l o n gt h ec h a n n e l si n s i d et h ew a t e r - r e s i s t i n gl a y e r s u n d e rt h ew o r k i n gf l o o r t h e o r e t i c a l l y ，i ti sv e r yd i f f i c u l tt oe x a c t l yd e s c r i b et h e b a s i cw a t e ri n r u s hp r o c e s sc h a r a c t e r i s t i c sd u et ot h eh e t e r o g e n e i t yo fr o c km a t e r i a l s ， t h ec o m p l e x i t yo fg e o l o g ya n dt h eu n c e r t a i n t yo fm i n i n g c o m b i n e dw i t ht h ee x a m p l eo ft h e3 6 2 9w o r k i n gf a c ei nz h uz h u a n gc o a lm i n e ， t h i s p a p e ra p p l i e s t h em e t h o d so ft h e o r ya n a l y s i s ，s i m i l a rm a t e r i a ls i m u l a t i o na n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fa n s y st os t u d yt h ew a t e ri n v a s i o nr e g u l a r i t yi nt h ef l o o r m i n i n go nt h et o po fw a t e r - p r e s s u r e d t h i sh a sa ni m p o r t a n tt h e o r e t i ca n dr e a l i s t i c s i g n i f i c a n c eo fa c h i e v i n gt h es a f e t yp r o d u c t i o ni n c o a lm i n ea n dp r e v e n t i n gt h e w a t e r - i n r u s hf r o mt h ec o a lf l o o r t h ef o l l o w i n gw o r ki sc o m p l e t e di nt h i sp a p e r a n a l y z i n gt h et y p e sa n da f f e c t i n gf a c t o r so ft h ef l o o rw a t e ri n v a s i o n ，t h i s p a p e rm a k e sc e r t a i no ft h er e a s o no ft h ew a t e ri n v a s i o ni nt h ef l o o r ( ) t h i sp a p e ra p p l i e st h ef r a c t u r em e c h a n i c st h e o r y , t h ee l a s t i c - p l a s t i c i t yt h e o r y a n dt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dt or e s o l v et h ed a m a g ed e p t h ，t h et r a n s f e r r i n gc h a r a c t e r o ft h es t r e s sa n dt h eu t m o s t p r e s s u r e o fw a t e ri n v a s i o ni nt h ef l o o ro ft h e w a t e r - r e s i s t i n gl a y e ri nt h ec o a ls e a mw i t ht h ec o m p l e xe f f e c to ft h em i n i n gp r e s s u r e a n dt h ew a t e rp r e s s u r ei nt h ef l o o rw a t e r r e s i s t i n gl a y e r s i na d d i t i o n ，t h er e s o l u t i o n i s p u ti n t ot h ee x t r a c tp r o j e c to ft h e3 6 2 9w o r k i n gf a c ei nz h uz h u a n gc o a lm i n e f o r e c a s t i n gt h ew a t e ri n v a s i o ni nt h ef l o o rw h i c hp l a y sa ni m p o r t a n tg u i d i n gr o l ei n m i n i n gt h i sw o r k i n gf a c es a f e l y m a k i n gu s eo ft h es i m i l a rm a t e r i a lm o d e la n dt h el a r g ef e ms o f t w a r eo f a n s y st os i m u l a t et h et e r r a n es t r e s sd i s t r i b u t i o nr e g u l a r i t ya n dt h ef l o o rm o v e m e n t d a m a g ec h a r a c t e r i nt h ec o a ls e a m ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h em e c h a n i s ma n dt h e d a m a g er e g u l a r i t yo ft h ef l o o rw a t e r j n v a s i o ni nt h ec o a ls e a m k e yw o r d s ：f l o o rw a t e ri n v a s i o n s i m i l a rm a t e r i a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o n a n s y ss o f t w a r e d a m a g ed e p t h t h eu t m o s tp r e s s u r e s t r e s sd i s t r i b u t i o nw a t e ri n v a s i o nm e c h a n i s m c b ( 1 n ：t d 7 4 5 i i 独创性声明 本人声馥缀至交翡学位论文是本人褒导薅赣导下避行鹭研究工 作及取褥的研究成果。据我所知，除了文中特别加以梅注和致谢的地 方以外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含麓获得塞燕嚣墨塞翌线其穗教霄瓿橱鹭学位或 委书嚣获薅 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贾献均己在论文 中作了明确昀说明并表示谢意。 学位论文作者签名：名锈 签字日期彩年庐月莎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解：塞擞理王杰堂 有保留、使用学 位论文秘规定，有较保留并鸯霹家有关部门或秘捧送交论文戆襄秘停 和磁盘，允许论文被查阅和借闽。本人授权 塞徵爨互杰堂 可 双摄学位论文鹅全部缄部分蠹察缡入有关数据霹进行检索，可以采用 影牵、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密酶学位论 丈在解密后适用本授权书) 钟獬： 1 时，底板发生突水。该突水判抿是利用采动过程中底板隔水层 的原位应力测试技术与数值计算方法相结合，得到采动底板隔水层应力与破坏， 臻合分爨突瘩繇凌，绘爨定量谨徐。 ( 3 ) “下三带”理论 根据部分现场实测资料和实验研究成果，李自英等提出了“下三带”理论“” 1 “。该理论认为开采煤层底扳也像暴动覆岩一样，由上至下存在着“三带”，即 上部瘾援袋动裂藤荣，中部完整袈绥鞴表带翻下部承基本霉舞袈爨豢。蒸串竞 整岩层隔水带对阻隔底板突水起着主要的保护伟闰。“下三带”理论认为，底板 突水机联不仅是底板程水压力作用下由于底板强度低于水压力的失稳现敷，而 且也是由予底板含水带在水压力和谬。山压力共湖作用下产生了升高所致。当底 蔹含水蒂与底援底扳慕魏裂藩费海邋辩，蓑会发垒底援突东攀蔽。 ( 4 ) 原位张裂与攀位破坏理论 4 承艨水体上开采底板突水规律的研究 王作字等提密了筑板移动豹舔位张裂帮零位破坏理论”“”。该理论认为在 岩体的融重力和下部水压力的耦合作用下，使艇超前压力聪缩段岩体熬个结构 呈现上半部受水平挤压，下半部受水平引张的状态，因而程其中部附近的底面 土数原糍节理、裂骧簿不连续霭麟产生岩体静爨位张裂。磷究者认为，瘸板结 棒岩体囱超前压力蕊缩段的过渡芍l 起箕结构状态的质变，处于压缩的潦体应力 急剧增聪，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，从而引起采场底板糟体的零位破坏；并 显强梵矮叛塞重痤力绣豹采场支承莲力是弓| 怒筑叛产生破坏戆基本兹援，煤挂 煤体的黧性破坏宽度鼹控审底板畿大破坏深度妁基本条俸，底板岩体的内摩擦 角是影响零位破坏的攥本因素。 ( 5 ) 板模型理论 囊天泉、豢金方等提窭了底数岩瑟壹采蘩警瘩爱豫繁秘庆板隔隶鬻缝或熬 概念“”1 ，并采用半无限体一定长度上鼗均匀竖向载衔的弹性解，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 大破坏深发。在此蒸础上，将底投隔水带看髂魍周固支受均布载荷作用下的弹 经薅投，然后采磊嚣嶷蝗理论分臻褥嚣了滏窳援岩层藐赘及撬拉蘩度荛麓准茨 预测底檄所能承受的极限水压力的计算公式。 ( 6 ) k s 理论 钱嚷崮、黎良杰等根据底扳澎体豹层状结擒特征，建立了采场底投突水枫 瑾的关键层瑾论砖“3 。该理论褥蹬在瘾教蠢漤孛我窭一添强度最高静蠢层 乍 为底板关键层，将落一关键层着作薄板，很好地满足了薄檄理论的基本要求。 由于底板关键层强魔最高，因此，当其达到极限破断步距时，煤层至含水层之 闻豹其它卷层均早已这到投袋玻羧步距。这榉，对底扳突承撬理豹磅究，藏转 佬为：谯无断层构造条件下，底掇关键层破断辊制的研究；当有断层切割时， 对断层两盘关键层碱断机制与承雁水对关键层的张开或断臌重新活化与承压水 在断层带中渗透冲刷的研究。 1 。2 。2 瓣努馨 究瑷获 在瑷论分析方谣，4 0 年代至5 0 年代，鞋静力学理论为蕊础研究了煤层底板 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著结合强度理论推姆出底扳理论安全水 压蓬豹诗霪公式，辩； 。 p 。w 2 芷。h 2 l 2 + 卿 ( 卜4 ) 式中，p o 为巍扳鼹蔻承受熬理论安全承垂毽，m p a ：k 。为隔零鼷静藐张强度，m p a ； h 为底板隔水层厚度，m ；为工作面最大控顶距或巷道宽鹰，m ；r 为底板隔水 承压水体上开采底板突水规律的研究 层平均容重，k g m 1 。 当实际水压p 。，p 。时，底板隔水层就会发生失稳破坏，从而导致底板突水。 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，并以其作为承压水体上开采煤层底 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。其中代表性人物是c f s a n t o s 和z t b i e n i a w s k i 。 他们基于改进的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 诀于岩石性质和承受破坏应力前岩石己破裂的程度和与岩体指标r m r 相关的无 量纲参数m 和s ，分析了底板承载能力”“。 1 3 课题研究内容、方法、目标及技术路线 1 3 1 研究内容 目前承压水体上开采底板突水理论，虽然均在不同程度上为防治煤矿底板 突水起到了积极的指导作用，但仍然存在一些弱点：一是底板突水与底板岩体 磁坏程度的关系，目前，在承压水体上开采底板突水理论研究中，仅研究了底板 席身破坏发生的条件，而对于其破坏后的情况，没有进一步的研究；二是将底 板岩体与灰岩水分隔开来研究，这种简化在一定条件下是合理的，但有些情况 下存在较大的偏差。因此，本文结合朱庄煤矿3 6 2 9 工作面实例，对底板突水影 响因素、突水规律、底板破坏特征及移动破坏规律等进行了分析，其主要内容 是： ( 1 ) 分折煤矿底板突水的主要影响因素，确定底板突水的原因； ( 2 ) 对承压水体上开采底板突水规律、破坏特征等进行理论分析，确定底 板岩体破坏深度、底板岩体应力向深部传播特征、底板突水极限压力等； ( 3 ) 利用相似材料模拟及数值模拟，分析了底板岩层应力分布规律和底板 移动破坏特征。 1 3 2 研究方法、目标及技术路线 本文首先分析了影响煤矿底板突水的主要因素，并应用弹塑性力学和断裂 力学对底板破坏进行了理论分析，求解出底板岩体破坏深度及底板突水极限压 力，并根据淮北朱庄煤矿3 6 2 9 工作面地质资料，设计建构了相似材料模型，模 拟分析了底板岩层应力分布规律和移动破坏特征，最后利用目前国际上通用的 有限元分析软件a n s y s 程序，进行了承压水体上开采底板位移和应力分布规律 的数值模拟分析。通过以上分析研究，本文拟达到如下目标： ( 1 ) 对承压水体上开采底板突水的主要影响因素进行分析，为预防和控制 煤矿底板突水提供了重要参考措施和依据。 承压水体上开采底板突水规律的研究 ( 2 ) 运用断裂力学理论、弹塑性理论及有限元方法解析采场周围岩体应力 分布与传播规律、煤层底板破坏深度及底板突水极限压力等，并将求解结果应 用到工程实际当中，为朱庄煤矿预防和控制底板突水提供理论依据。 ( 3 ) 进行相似材料模拟，将工程中遇到的实际问题进行简化，通过相似模 型分析了在承压水体上开采时顶底板岩层的应力分布规律、底板岩层的变形移 动破坏特征及破坏规律。 ( 4 ) 应用大型有限元软件a n s y s 进行计算机数值模拟，分析煤层不同开采 距离时煤层底板不同深度岩层破坏及应力分布规律，并将结果与相似材料模拟 结果进行比较，应用工程实践当中进行检验。 ( 5 ) 综合以上各研究成果，应用于朱庄煤矿3 6 2 9 工作面底板防治水实际 工程中，为实现该面安全回采起到了重大作用。 论文的具体技术路线如图卜1 所示： 图卜1 研究技术路线图 7 承压水体上开采底板突水规律的研究 2 承压水体上开采底板突水影响因素分析 燥层底板突水实质”3 1 是煤层下伏承压水沿采煤工作面底板隔水层岩体内部 通道突破底板隔水层的阻隔，以突发、缓发或滞发的形式向上涌入工作面采空 区的过程。作为一种综合的水文地质现象，它受到许多因素的影响，例如底板 下做含水层承压水的水压、工作面底板的岩性组合、地质构造、矿山压力、石 灰岩岩溶含水层宫水性、工作面开采空间及采煤方法等，下面对影响底板突水 的主要因素分别进行分析。 2 1 底扳含水层的水压力 位于煤层底板下部的承压含水层，其水压力的大小决定着底板是否会发生 突水，而其富水性则决定着突水后水害的规模及对矿井的威胁程度。“”1 。华北 丈部分煤矿受到奥陶纪石灰岩含水层的威胁，它不仅水压力大，而且富水性强， 因此，它是造成底板突水的主要源泉。在煤层底板突水过程中，水压力的作用 主要表现在以一下几个方面： ( 1 ) 承压水在水压力的作用下不断侵蚀、冲刷底板隔水层，渗透至上覆隔 水层的构造裂隙中，降低隔水层的完整性，减弱岩体的抵抗强度，并扩大隔水 层内部6 勺裂隙，晟终形成突水通道； ( 2 ) 当底板岩层存在导水断层时，承压水会沿断层直接进入工作面采空区； ( 3 ) 当含水层的上部岩层为透水层时，则承压水会渗透至该岩层内，形成 承压水导升裂隙带，造成底板有效隔水层厚度的减小； ( 4 ) 当含水层上部岩层为隔水层时，则承压水将作为一种静力作用于上覆 岩层。当水压力较高或水流速较大时，承压水将挤入其上覆岩层中，并形成导 7 k 裂隙。 ( 5 ) 在煤层开采过程中，采动矿压不断向底板传递应力，在它与含水层水 压的耦合作用下，底板岩体加速破坏，并使底板隔水层中原生裂隙、断层重新 话动，形成新酌透水裂隙。因此，底板有效隔水层的阻水能力降低，底板承压 冰f 晨容易通过磁坏裂隙而进入开采工作面，造成底板突水。 典跪也证明，当煤层底板地质条件基本相似时，承压水压力越大，发生底 顿突水晦可能性越大。 2 2 底扳岩性组合 底捉岩体强度是抑制底板突水的主要因素之一，实践及理论证明，在矿山 压力、水压力等条件一定的前提下，底板岩体强度越高，突水几率越小。但是， 砬评价底板岩体时，不仅要考虑其强度的高低，而且还要考虑其岩性组合及隔 冰能力。例如，石灰岩及砂岩的抗压及抗拉强度都很高，但是，当它们裂隙发 节时，则成为良好的透水岩层；而泥岩及页岩，虽然其强度较低，但是其隔水 能力皎强，并且在采动过程中形成的采动裂隙经过一段时间后尚可以闭合，恢 承压水体上开采底板突水规律的研究 复其隔7 k 能力。 另外，底板岩层的层序排列及岩性组合对底板顺层裂隙的发育也有很大的 影自。下面根据弹性力学理论将该问题分以下两种情况讨论。”1 ： ( 】) 当煤层底板隔水层的各层岩性基本相同且层与层之间的粘结力很小， 可以忽咯不计。由弹性力学理论可知，板的弹性曲面方程为v 2 v z w ，1 2 ( 1 一 ：) 目e h 3 即板的弯曲挠度w 与其厚度h 的立方成反比，所以岩层的厚度越大，挠度越小； 反之，挠度越丈。根据底板岩层的不同组合分三种形式： 自上而下，底板岩层厚度逐渐增加，则各层的挠度越来越小，所以各层 的弯曲相互独立，每层间均形成离层裂隙，如图2 1 所示，这种情况对承压水 仿上开采最为不利。 某一层或几层岩层厚度很小，岩层的离层裂隙将终止于较厚的岩层，其 厢水能力相当于层岩层，如图2 2 所示，由于第3 层岩层较厚，其弯曲挠度 小于第2 层的挠度，故产生了离层裂隙。 图2 - 1 底板自上而下逐渐增厚图2 - 2 底板第3 层最厚 自上而下，直接底板岩层逐渐变薄，则下部任一岩层产生的弯曲挠度均 文于上一层，因此，几层岩层像一层完整岩层一样，由于同步弯曲而不产生离 层裂隙，如图2 3 所示，这种层序最利于承压水体上开采。 ( 2 ) 当底扳隔水层各层厚度基本相同，并且层间粘结力很小，可以忽略不 计。由雄性力学理论可知，在其它条件相同时，板的挠度与弹性模量成反比， 剧岩层越坚硬，强度越大，其弯曲挠度越小；反之，其弯曲挠度越大。根据软 硬程度不同豹底板岩层组合，分为下列三种形式： 圈2 3 底板自上而f 逐渐变薄图2 4 底板自上而f 硬度逐渐增大 自上而下，底板岩层由软变硬，则弯曲挠度逐渐减小，故各层的弯曲相 互独立，每层之间均形成离层裂隙，如图24 所示，这种岩性组合对承压水体 j = 开果最为环利。 自上币下，底板岩层由硬变软，则上部较硬岩层挠度小，下部岩层弯曲 承压水体上开采底板突水规律的研究 将终止于上部岩层，整个岩层作用结果相当于一层岩层，层间不产生离层裂隙， 如图2 5 所示，这种岩性组合对承压水体上开采最有利。 当底板岩层为软硬交替时，根据不同的岩层组合方式将产生不同的离层 裂隙，如图2 - 6 为三种不同岩性组合而产生的离层裂隙。 彦妄蘧软 二二二二= $ l 一一一一一一! f ” ，亡= 蹈、 二 因 二三三弦f = 二二二末净 | 二二二二二二二型障e 二二三三三= = 二 7 硬 图2 - 6 底板岩层软硬交替的三种情况 从以上分析可知，底板岩层的层序及不同的岩性组合将产生不同的离层裂 隙。因此，在评价底板岩层在矿压作用下的破坏程度和隔水能力时，首先应查 靖底板岩层的力学性质及层间组合关系。很显然，当底板最上部一层岩层很厚 且强度很大时，它将抑制下部岩层的上鼓，从而底板上鼓量及离层裂隙最少， 这对承压水体上开采十分有利。 2 3 地质构造 地质构造，尤其是断层，是造成煤层底板突水的主要原因之一。断层构造 带之所以成为底板突水的主要影响因素，有以下几个方面的原因。“2 。”1 ： ( 1 ) 断裂带的存在改变了地应力场的大小与方向。当煤层底板有断层带、 陷落柱或隐伏断裂带时，断裂带附近最大主应力方向在趋于地质构造作用与调 控下，随着断裂带产状的不同，与区域构造场的最大主应力方向有着不同程度 的偏离，而断裂带附近的三个主应力的大小，也随着断裂性质与断裂产状的不 同，与区域构造场的主应力值的大小有所不同。对于自重应力，一般是随着断 裂的存在而减小，张扭性断裂的减小程度比压扭性断裂的减小程度要大。对于 水平应力，随着断裂性质与产状的不同分别有增减：对于张扭性断裂，水平应 力呈消减，对压扭性断裂，水平应力呈增加。由于断裂带中地应力值降低，使 得承压水压力有可能大于水平方向最小主应力，使裂隙带中的裂隙张开，导致 承压水导升而突水。 ( 2 ) 断裂带的存在，提供了突水途径。断裂带内裂隙比较发育，岩体破碎， 给承压水的导升和断裂带内的开裂制造了空间。此外，断裂带中的充填物多为 1 0 承压水体上开采底扳突水规律的研究 胶鲒不够紧密的泥质、炭质胶结，在承压水的长期作用下被软化、掏空及溶蚀， 降低了有效隔水层的厚度，给突水造成了有利条件。 ( 3 ) 地应力释放，使隔水岩层阻水能力下降。采动矿压不仅造成围岩破坏， 同时使部分地应力释放，使岩体渗透性增加。有些矿区在地震后涌水量增加， 突冰次数增多，其原因是地震后地应力释放，原岩应力值减小，特别是在断裂 带中，应力值降低的幅度很大，这样就出现震前不突水震后突水的现象。 断层的导水与否主要与断层的力学性质有关。一般情况下，正断层是在低 围压条件下形成的，因此，其断裂面的张裂程度很大，并且破碎带疏松多孔隙、 透水及富水性强；而逆断层多是在高围压条件下形成的，破碎带宽度小且致密， 孔隙小。所以，在其它条件相同的情况下，正断层更容易造成工作面突水。但 是，实际情况中有一些压性逆断层，经过后期的构造运动变成张性正断层，导 致断层性质的复杂化，也可能造成断层突水。另外，断层的导水性与断层的其 它性质也有关，当断层带两侧都是坚硬岩体时，则导水性强；当断层带一侧为 坚硬岩体，另一侧为软弱岩体时，则导水性弱；当断层带两侧均为软弱岩体时， 则断层带的充填情况较好，其导水性很弱，甚至不导水。 盈耍登乏二二二 i 盈霾疆乏二= = i f l f i4 a ，7 i i “if ”、0 i _ ?j ， i r 、 、 ( a )( b ) 图2 7 断层倾向不同时工作面底板受力示意图 当工作面遇至0 断层时是否会发生突水，不仅取决于断层的力学性质、富水 圾导水性，而且还取决于断层与工作面的位置关系。实践证明，当支承压力造 成的采动裂隙与工作面中断层的走向重合或平行时，最容易发生底板突水。当 断层的走向平行于工作面时，底板发生突水与否决定于断层的倾向与工作面的 推进关系。如图2 7 ( a ) 所示，工作面的推进方向与断层倾向相反时，煤层底 板在矿压的作用下，易使断层面拉开，造成断层重新活动而突水；如图2 7 ( b ) 所示，工作面的推进方向与断层倾向相同时，煤层底板在矿压的作用下，使断 层两盘紧密地压在一起，从而断层不易重新活动。因此，当工作面中有断层存 在时，在回采设计上应使断层与工作面斜交；当工作面平行于断层时，应使工 作面的推进方向与断层的倾向致，这样可以防止突水事故的发生。 2 4 矿山压力 根据大量矿井突水资料分析，多数回采工作面底板突水都与矿山压力的活 动有关。“。矿山压力主要以两种方式对煤层底板突水起着触发及诱导作用，一 是引起构造“活化”，尤其是断层构造的“活化”，形成导水通道，导致底板承 压水进入开采工作面；二是由于底板隔水层各层厚度及岩性组合不同，在采动 矿压及水压的耦合作用下( 主要是采动矿压作用) ，导致底板岩层各层的挠度不 承压水体上开采底板突水规律的研究 同，这样在层与层之间就会产生一定的顺层裂隙及垂直于层面的张裂隙。所以 在这一阶段底板岩层形成的采动裂隙最多，对底板隔水层的破坏程度最大，降 低了隔水层的阻水能力，导致承压水突入工作面。 由三向应力对裂隙岩体渗透性的影响分析，可得三向应力作用下的渗透系 数公式“3 ： 耻砷+ 簧一去 吁u ( a g y + a o 。z ) 】 1 ) 式中，置。为岩体应力变化前的渗透系数；k 。为裂隙法向刚度；s 为岩体宽度； e 为岩体弹性模量；b 为裂隙宽度；a a 。、a o 。、盯，分别为x 向、y 向、z 向 的应力增量。 由上述公式分析可知，随着拉应力的增加，岩体的渗透性增大。在底板岩 体中处于膨胀状态的岩体主要受拉应力的作用，其渗透性将增大，底板突水的 几率也将增大。 通过室内相似材料模拟、弹塑性理论及数值计算等方法综合分析，证实绝 大部分底板突水与采动矿压有直接关系，矿压的作用形式及强度决定底板的突 水量及对承压水体上开采的威胁程度“1 ”、”“3 。影响采动矿压的因素主要有顶 板岩体结构、工作面支护方式、煤层开采方法、工作面控顶距、工作面围岩地 质条件、煤层开采方向与断裂方向的关系等。 随着工作面的推进，老顶不断周期性地垮落产生巨大的冲击力，底板最容 易诱发突水。通过工作面底板突水资料统计分析及相似模拟和数值计算分析， 可以发现，在煤层开采至距切眼2 0 3 0 m 时，即顶板初次来压时，底板发生突 水的概率最大，占4 4 4 。这说明工作面顶板初次来压时，老顶垮落产生的巨大 冲击力对底板的破坏程度最大，导致底板突水的可能性增加。因此，减小顶板 初次来压及周期来压强度是预防底板突水的重要措施之一。 2 5 石灰岩岩溶含水层富水性 位于煤系地层底部的石灰岩岩溶水，其水压的大小决定着煤层底板是否会 发生突水，而岩溶含水层的富水程度则决定着突水后水害的程度及对矿井威胁 的大小o “驯。实践证明，煤层底板承压水突入工作面的机会与岩溶的发育程度 及富水性有着密切的关系。当岩溶富水性较好时，由底板灰岩溶水造成的突水 次数就多，而且突水量比较大。因此，在进行底板突水预测预防工作时，应重 视对获岩岩溶的发育程度及富水性的调查。 多年的地质勘探及生产实践证明，华北煤田奥陶纪石灰岩具有以下特征： ( 1 ) 奥陶纪灰岩岩性纯、厚度大、分布广。奥陶纪灰岩广泛分布在河南、 河j 匕、山西、陕西、徐州等地区，厚度最大可达到7 0 0 m 左右。 承压水体上开采底板突水规律的研究 ( 2 ) 奥陶纪灰岩溶水渗透性好、导水性强。经过长期的地质构造运动及强 烈自勺物理风化，伎巨厚层和厚层奥陶纪灰岩形成了以层面裂隙为主体、区域构 造裂隙相连通的网状裂隙系统。裂隙系统在垂直方向上具有强烈的切穿性，在 水平方向上具有较好的连通性。由于奥陶纪灰岩溶水的水力坡度大，即岩层的 渗透阻力小，使其导水性比较强。 ( 3 ) 奥陶纪灰岩溶水的富水性具有各向异性。我国北方奥陶纪灰岩大多为 缓倾斜构造，这就决定了厚层灰岩层面裂隙控制岩溶水的主渗流方向和富水性 的特点，且岩溶水具有统一的地下水面。另外，奥陶纪灰岩富水性具有水平分 区、垂直分带性，岩溶强富水性主要分布在断裂组、构造转折、交叉及尖灭处。 ( 4 ) 从补给区到排泄区，奥陶纪灰岩溶水的富水性由弱变强。理论分析及 实际探测表明，奥陶纪灰岩溶水具有面状分散补给、经大面积网状径流区到排 诎区小范围内集中排泄的特点。地下水的径流中强度，由补给区到排泄区由弱 变强，富水性也由弱变强。因此，处于奥陶纪灰岩溶水排泄区范围内的煤层， 开采时容易发生底板突水。 2 6 工作面开采空间及开采方法 在采煤方法定的条件下，开采空间的大小决定着底板的突水与否。“”1 。 开采空间的大小主要由工作面倾斜长度及采厚来衡量。开采空间越大，工作面 周围的支承压力越大，从而底板的变形及破坏程度越严重，突水的可能性就越 大。在实际生产中发现，在水压、隔水层厚度、岩性组合及构造条件基本一致 时，工作面倾斜长度越大越容易发生底板突水。同样，采厚越大，工作面周围 支承压力就越大，导致底板突水的可能性也就越大。 j 0 。；o ，3 一, 0 ，半，! 一 ，1 5 - 辩水区 主叶惫、坚! 鲥龄。 巍炎心 斟区1 、蕊 - 7 0 、弋孓。 图2 8 丁作面不同斜长抗水压能力 通过理论计算获得的工作面倾斜长度与底板水压力的关系曲线，进一步说 明了工作面倾斜长度越大，其抵抗水压的能力越弱，如图2 - 8 。当底板隔水层厚 度为定值时，可以看出，随者工作面倾斜长度的增加，其抵抗水压的能力逐渐 承压水体上开采底板突水规律的研究 减小且趋于定值。 不同的采煤方法对工作面底板突水与否起着抑制作用。当煤层厚度比较大 时，可以采用分层开采，从而减轻采动矿压对工作面底板的破坏程度，这样有 利于抑制底板突水的发生；同理，采用短壁工作面开采、条带开采或充填采空 区开采，也是可以抑制或减少底板突水事故的有效措施。 2 7 小结 煤矿底板突水是一个受多种因素影响的非常复杂的问题。它不仅受到地质 条件如围岩性质、岩层组合、断层等影响，还受到水文地质条件如含水层、隔 水层、富水性、水头压力等影响，同时还受到煤矿开采方法等的影响和控制， 这些均构成了研究煤矿底板突水机制及预测方法的很大困难。通过对以上煤矿 底板突水的主要影响因素进行分析，在预防和控制煤层底板突水时就可以找到 问题的主要矛盾与矛盾的主要方面，有重点的进行预测和防治，为实现煤矿安 全开采起到了重要作用。 1 4 承压水体上开采底板突水规律的研究 3 承压水体上开采底板破坏理论分析 承压水体上开采底板破坏理论研究是通过对底板岩体应力分布规律和传播 特征的研究，并结合岩石破坏准则及岩体强度理论计算底板岩体的破坏深度、 底板突水极限压力等“”1 “。本章主要运用断裂力学理论、弹塑性理论及有限 元方法解析了采场周围岩体应力分布与传播规律、煤层底板岩体的破坏深度及 底板突水极限压力等。 3 1 岩石破坏准则 3 1 1 岩石破坏类型 一般说来，岩石破坏形式可以分为以下几种情况： ( 1 ) 脆性破坏 在受载荷作用下，大多数坚硬岩石当达到极限强度时都表现出脆性破坏的 性质，即岩石在单轴载荷作用下没有显著觉察到变形就突然破坏。这类岩石有 单轴拉伸横向脆性断裂、单轴压缩轴向脆性断裂及单轴压缩脆性剪切三种破坏 形式，如图3 1 ( a ) 、( b ) 、( c ) 所示。 f f r ( a )( b )( c )( d )( e ) ( a ) 单轴拉伸横向脆性断裂破坏( d ) 延性破坏 ( b ) 单轴压缩纵向脆性断裂破坏( e ) 弱面剪切破坏 ( c ) 单轴压缩脆性剪切破坏 图3 - 1 岩石的破坏形式 ( 2 ) 延性破坏 这类岩石在破坏之前变形很大且没有明显的破坏载荷，表现出明显的塑性 变形、塑性流动或挤出。一些软弱岩石多表现出这种破坏形式，而坚硬岩石当 受到两向或三向压力较大时才发生延性破坏。延性破坏一般出现多个剪切破坏 面，如图3 一l ( d ) 所示。 ( 3 ) 弱面剪切破坏 由于岩体中存在着大量节理、裂隙和软弱夹层等结构面，在载荷作用下， 当结构面上的剪应力大于其强度时，岩体即沿结构面发生剪切破坏，如图3 - 1 ( e ) 所示。 3 1 2 岩石破坏准则”2 1 在岩石工程设计中常常要确定岩石的强度或知道岩石的最大承载能力及何 承压水体上开采底板突水规律的研究 种应力状态下岩石容易发生破坏，这种研究岩石破坏原因、过程及强度条件的 理论称为破坏准则或强度准则。目前岩石力学中应用较多的破坏准则有 m o h r c o u l o m b 准则、g r i f f it h 准则、修正的g r i f f i t h 准则及h o e k b r o w n 准则。 ( 1 ) ) d o h r c o u l o m b 准则 1 9 0 0 年，m o h r 提出，岩石的破坏是发生在岩石内某个面上的剪切破坏，这 时该面上的正应力即法向应力。与剪切应力t 满足下列函数关系： f ；f ( a 1 ( 3 - 1 ) ( 3 - i ) 式也可以表示成主应力的形式，即： 旦一旦：1( 3 2 ) r ：r f 上述准则假定岩石的破坏属于剪切破坏，破坏面的法线与最大主应力方向 间的夹角为： a ：4 5 。+ 兰 ( 33 ) 2 ( 2 ) 6 r i f f i t h 准则 1 9 2 1 年a a g r i f f i t h 研究脆性岩体破坏时指出，脆性岩体的破坏是由岩体 内部存在的裂隙所决定的。由于岩体内微小裂隙的存在，在裂隙尖端存在应力 集中，从而伎裂隙扩展以致破坏。1 9 2 4 年g r i f f i t h 进而研究了二维远场应力的 情况，将二维问题简化成弹性体中的一个椭圆微开裂隙，外力作用结果使得裂 隙表面上每点的拉应力数值不同。当裂隙表面的最大拉应力的极值达到分子键 的强度时，裂隙将扩展破裂，此时的g r i f f i t h 准则为： 当吼+ 3 0 3z 0 时，p 1 一盯3 ) 2 = 8 r 。p l + 仃3 ) ( 3 - 4 ) 裂除方位角 卢5 互1a c c 0 8 夏o i r l - - i 0 可 3 ( 3 5 ) 当吒+ 3 鸭 0 时o r ，；一r ( 3 6 ) 裂隙方位角口= 0 上式公式中规定压应力为正，这个准则也可以用下式表示： z 2 = 4 r ； 。+ 口。) ( 3 - 7 ) 式中，盯。为椭圆长轴法线方向正应力；r 。为岩石单轴抗拉强度。 白( 3 - 4 ) 式可见，当仃，；0 时，盯。= 8 r , ，即单轴抗压强度为单轴抗拉强度 的8 倍，但一般实验结果接近1 5 倍，与试验值有很大差距。 ( 3 ) 修正的g r i f f i t h 准则 当远场_ i 立力为压应力时，椭圆孔隙将发生压密闭合，裂隙面上作用有法向 力和剪切力，当剪切力大于剪切强度时，裂隙将扩展破裂。根据这一概念， 承联水体上开采底板突水规律的研究 m e c l i n t o c k 等j 章g r i f f i t b 准妥避行了修蠢三： 州( 1 + ，2 ) ；一吧2 ) ；+ ，】* 4 r , o + j l f l i ( 1 + f一2 如。 ( 3 - 8 ) 盯，【( 1 + ，2 ) 2 一一仃32 ) 2 + ，】* 4 + 一2 2 如。 ( 3 8 式中，为裂陈露斡壤擦系数：拶。为裂陈麓合掰需的压应力。 使戮隙闭合所需的压应力盯，很小，可忽略不计，上式简化为： 墨【8 十，2 ) ：一，卜d ，【g + ，2 ) 2 + ，】一4 冀 ( 3 9 ) m u r r e l 于1 9 6 3 年将( 3 - 4 ) 式推广到三维空阉，所得表达式为： ( 盯1 一2 ) 2 + ( d 2 一口3 ) 2 + ( 口3 一口1 ) 2 2 4 r 。( 盯1 + 盯2 + 0 3 ) = o ( 3 一i 0 ) 蠡藏式摹褥豹撬援藐越强瘦之琵麓1 2 ，馨考虑了中阗寝力啦戆俸臻。 寝3 - im 和s 德 石灰岩 泥岩砂岩安山岩片麻岩 岩石成量大壤岩粉砂姑 石英麓漉纹崧花岗岩 臻smsm8 氆s臻s 壳糕岩 7l1 0l1 5l1 71 2 51 石试件 矮攫很好 3 。50 ，l5o 17 ，5o 18 5o 11 2 。5o 1 静誉俸 质艟好 0 70 0 0 410 0 0 41 50 0 0 41 70 0 0 42 50 0 0 4 f 匀澍体 震蘩一般0 1 4l 矿 0 。21 0 。0 。31 0 40 ，3 4l 旷o 51 0 “4 的澍体 顾掇差 0 0 41 0 6 0 0 51 0 6 0 0 81 0 “0 0 91 0 ”60 1 31 0 ” 的卷体 鬟爨撵差 0 。0 0 700 。0 1 0 0 0 1 500 0 1 700 0 2 5 0 的潜体、 ( 4 ) h o e k b r o w n 准则 在避行大量岩石三轴压缩试骏黥基础上，h o e k 、b r o w n 提出了岩石破坏的经 验准粥，帮： 蚤r = 詈r + 是r ) _ fc 、 f ， ( 3 一1 1 ) 式中，吼为岩石破坏瓣最大主应力( 赫p a ) ；吒为喾石酸坏懿壤小主应力( 醚a ) ； r 。为完熬岩体单轴抗压强度( m p a ) ；m 、s 为缀验常数； 】7 承压水体上开采底板突水规律的研究 r 。= r 4 s 当q = 0 时，由( 3 1 1 ) 式可得到岩体的单轴抗拉强度r 。为 ( 3 1 2 ) r 。= r 。( 聊一、，l2 + 4 s ) ( 3 - 1 3 ) 二 对于某些典型岩石，h o e k 、b r o w n 通过大量岩体试验，给出了m 和s 值，见 表3 1 。 3 2 采场周围岩体应力与破坏区计算”7 ” 3 2 1 采场周围岩体应力计算 假设工作面开采后，在岩体垂直剖面上形成一个矩形空间。由于煤层开采 厚度比开采宽度小的多，所以可将采场假设为图3 2 所示的力学模型，其中开 采宽度为k = 2 a ，在采场远处受到垂直地应力盯= r h 及侧向构造应力 盯的耦合 作用。下面应用应力函数，解析采场端部应力集中后的应力分布。 图3 - 2 采场应力计算简图 ( 1 ) 应力函数 为了获得此问题的应力场，首先应选定应力函数，这里选用w e s t e r g a r d 应 力函数，并在此函数上增加一项，即： 妒。r e ；+ _ ) ，l i n ；+ i a 吁2 一y 2 ) 式中，；为一复变解析函数；j 是i 对；的一价导数；a 是常数。 由( 3 1 4 ) 式可以求得应力分量： 盯，= - 0 a v 2 f 2 - r z y i m z 。一爿 = - - 9 = r e z + y - m z 。+ 一 f 。：一票：一) ，r e z 。 7 f 一丽一) ，。 ( 3 1 4 ) ( 3 一1 5 a ) ( 31 5 b ) ( 3 15 c )