刘家梁煤矿三软高导升底板突水预测分析研究.pdf

声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名乏酲匹犯L 日期2 丑坐专显I 旦一 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； ③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 保密学位论文在解密后遵守此规定 。 签名 导师签名 日期 力[ 纽支，互翌 日期2 [ 丝上互望 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 刘家梁煤矿三软高导升底板突水预测分析研究 摘要 在我国华北地区，随着矿井开采深度的增加，煤层底板受奥陶纪灰岩 高承压水威胁日益加剧。带压开采条件下，底板隔水层因存在隐伏断裂所 形成的初始高导升条件大大消弱了底板有效隔水层厚度，同时在采动过程 中受矿山压力和承压水水压联合作用，初始导升裂隙扩展发育成为突水的 通道。而断层所处位置的岩性组合不同，其导升扩展程度也产生差异，研 究三软煤层底板隐伏断层的导升扩展，对防治水工作有很大意义。 本文利用相似材料模拟实验观测底板隔水层存在隐伏断层条件下随采 动的变形破坏特征，分析递进导升突水机理。结合底板初始应力条件及岩 石破坏准则，利用递进导升突水模型进行数值分析，研究底板的受力变形 破坏特征，计算底板采动破坏深度及承压水导升高度。最后，结合刘家梁 煤矿512 4 工作面带压开采地质条件，通过进行底板初始导升高度探查、原 岩地应力测试、采动条件下底板破坏深度探测进行数值分析计算，评价底 板隔水层的隔水性能，预测底板突水。在研究中得出一下结论 1 通过相似材料模拟实验，表明不同产状的断层受到采矿的扰动是 不一样的。当断层的倾向和工作面推进的方向相同时，断层受到煤层采动 的影响是张性的，利于突水，受扰动的导水断裂最先在含水段 深部 活 动，浅部受扰动较晚，反之则不易突水。 2 在底板采动破坏深度测试方面，采用应力．应变法这一新方法， T 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 通过在钻孔中用混凝土耦合填充方法埋设应变传感器，使混凝土的弹性模 量尽量和岩体弹性模量相近，利用混凝土的破坏时产生的极限应变作为判 断底板岩层破坏深度的依据，测试效果良好。 3 利用弹性力学对底板进行受力分析，将采空区底板隔水层视为矩 形板，通过边界条件求解采空区底板隔水层各应力分量，剪切应力t x y 造成 底板隔水层层间滑动主要作用力，而水平应力q ，q 是造成垂直层面裂隙、 产生底鼓及断裂的主要作用力。底板隔水层所受最大主应力与未被压实的 采空区的边长的平方成正比，与承压水水压成正比，与底板厚度的平方成 反比。 4 结合刘家梁煤矿51 2 4 工作面地质条件，利用F L A C 3 D 软件进行 数值模拟分析，采用莫尔．库仑 M o l a r ．C o u l o m b 屈月艮准则判断岩体的破坏， 岩体破坏后的残余强度变化通过应力应变软化模型表现。计算给定边界条 件和地下水影响下煤层回采对隔水层的影响，计算结果显示软岩在一定条 件下有抵抗变形的能力，尤其以软弱相间的岩性组合，抑制底板突水能力 强。认为底板导升不会形成贯穿性裂隙，有效厚度能抵抗承压水进行安全 回采，后期工作面安全回采也证明了突水预测的准确性。 关键词带压开采，底板突水，隐伏断层，递进导升，三软煤层 I I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 P R E D I C T I O NA N DS T U D YO N Ⅵ岫R ．I N R I7 S H F R O MF L O O RI N “T H R E E ．S O F T ’’C O A LS E A MM T H H I G HI N T R U S I O NI NL I UJ I A L I A N GC O A LN 咖 A BS T R A C T I nN o r t hC h i n aa r e a ，t h ef l o o ra q u i c l u d eo fc o a lm i n e sa r ef a c e dw i t hw a t e r i n r u s hd u et oO r d o v i c i a nh i g h p r e s s u r e w a t e rw i t l lt h ed e p t ho fm i n i n g i n c r e a s i n g ．T h eh i d d e nf r a c t u r ei nf l o o ra q u i c l u d es h o r t e nt h ee f f e c t i v et h i c k n e s s o fa q u i c l u d eU n d e rt h ec o n d i t i o n so f m i n i n g 谢也p r e s s u r e ，a n dt h en a t u r ew a t e r i n t r u s i o nf r a c t u r ed e v e l o p e dt ob et h ew a t e ri n r u s hc h a n n e la f f e c t e db yt h e c o m b i n a t i o no fw a t e rp r e s s u r ea n dm i n eg r o u n dp r e s s u r ed u r i n gc o a lm i n i n g ． T h e d e g r e e o fp r o g r e s s i v ei n t r u s i o nh i g h td i f f e r sd u et ot h e l i t h o l o g y c o m b i n a t i o no ff l o o ra q u i c l u d e ，S Oi ti sm e a n i n g f u lt os t u d yt h ee x t e n s i o no f h i d d e nf r a c t u r ei n “t h r e es o f t ’c o a lf o rw a t e r - i n r u s hp r e v e n t i o n ． I nt h i sp a p e r , t h ea u t h o ru s em a t e r i a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n tt oo b s e r v et h e c h a r a c t e r i s t i c so fs t r e s sd e f o r m a t i o na n df a i l u r eo ff l o o rd u r i n gc o a lm i n i n g w h e nh i d d e nf r a c t u r e se x i s ti nt h ef l o o ra q u i c l u d e ，a n ds t u d yt h em e c h a n i s mo f p r o g r e s s i v ei n t r u s i o nw a t e r - i n r u s h ．T h e nc o m b i n et h ei n i t i a ls t r e s sc o n d i t i o na n d p r i n c i p l eo fr o c kd a m a g e ，s t u d yt h es t r e s sd e f o r m a t i o na n df a i l u r eo ff l o o ra n d c a l c u l a t et h ef l o o rd a m a g ed e p t hu n d e rm i n i n ga n dt h ep r o g r e s s i v ei n t r u s i o n h i g h t o fp r e s s u r ew a t e rb y t a k i n g t h em o d e lo fp r o g r e s s i v ei n t r u s i o n w a t e r i n r u s hf o ra ne x a m p l e ．F i n a l l y , t h ea u t h o re v a l u a t et h ew a t e r r e s i s t t i n g p e r f o r m a n c eo ff l o o ra q u i c l u d ea n dp r e d i c tw a t e ri n r u s ht h r o u g hn u m e r i c a l s i m u l a t i o na c c o r d i n gt ot h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n so f w o r k i n gf a c e512 4i nL i u I l l 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 J i a l i a n gc o a l m i n eu n e rp r e s s u r em i n i n gb yd e t e c t i n g t h ei n i t i a li n t r u s i o n h i g h t ，t h eo r i g i n a l r o c ks t r e s st e s t ，t h ef l o o rd a m a g ed e p t hu n d e rm i n i n g ． F o l l o w i n gc o n c l u s i o n sa r ed r a w n i nt h es t u d y 1 I ti s i n d i c a t e dt h a tf r a c t u r e so fd i f f e r e n to c c u r r e n c ea r ee f f e c t e di n d i f f e r e n td e g r e ei nt h em a t e r i a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ．T h ef r a c t u r ep r e s e n tt ob e s t a t eo ft e n s i o nw h e nt h et e n d e n c yo ft h ef a u l ti sc o n s i s t e n tw i t ht h ea d v a n c i n g d i r e c t i o no fw o r k i n gf a c e ，i nt h i sc o n d i t i o n ，i tc o n t r i b u t e st ow a t e r - i n r u s h ，a n d t h ef r a c t u r ei se f f e c t e di nt h ed e e pa r e ac o n t a i n i n gw a t e ra tf i r s t ，w h i l et h e f r a c t u r ei ns h a l l o wa r e ai se f f e c t e dl a t t e r ，o t h e r w i s e ，t h ew a t e r - i n r u s hp o s s i b i l i t y i S1 0 W ． 2 S t r e s s - s t r a i nt e s ti su s e d t od e t e c tt h ef l o o rd a m a g ed e p t hd u r i n gm i n i n g a san e ww a y , b yc o u p l i n gf i l l i n gt h es t r a i ns e n s o r sw i t hc o n c r e t ei nt h ed r i l l h o l e s ，m a k es u r et h a tt h ee l a s t i c i t ym o d u l u so fc o n c r e t ei sc o n s i s t e n tw i t hr o c k i nm e a s u r i n g ，a n dt a k et h eu l t i m a t es t r a i no fc o n c r e t ew h e ni ti sb r o k e na st h e s t a n d a r dt oe v a l u a t et h ef l o o rd a m a g ed e p t h ，g o o dr e s u l t sh a v e b e e na c h i e v e d ． 3 U s ee l a s t i cm e c h a n i c st oa n a l y s i st h es t r e s sd i s t r i b u t i o n ，a n dt a k et h e f l o o ra q u i c l u d ei ng o a fa sr e c t a n g u l a rp l a t e ．C a l c u l a t et h ec o m p o n e n to fs t r e s s a c c o r d i n gt ot h eb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，i ti si n d i c a t e dt h a ts h e a rs t r e s s “ C x y i st h e m a i nf o r c et oc a u s ei n t e r f o r m a t i o n a ls l i d i n gi nf l o o ra q u i c l u d e ，w h i l eh o r i z o n t a l s t r e s so x ，qi st h em a i nf o r c et oc a u s ev e r t i c a lc r a c k s ，h e a v i n gf l o o ra n dt h e r a p t u r e ．T h em a x i m u m m a i ns t r e s so ff l o o ri sp r o p o r t i o n a lt ot h es q u a r es i d e l e n 砷o fg o a f a r e aa n dc o n f m e dw a t e rp r e s s u r e ，w h i l e i ti s i n v e r s e l y p r o p o r t i o n a lt ot h et h i c k n e s so f f l o o ra q u i c l u d e ． 4 U s eF L A C 3 Ds o f t w a r et os i m u l a t et h ep r o c e s so f c o a lm i n i n ga c c o r d i n g t ot h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n so fw o k i n g f a c e512 4i nL i uJ i a l i a n gc o a l m i n e ．T a k e M o h r - C o u l o m bt h e o r ya st h ep r i n c i p l et oj u d g et h ed e s t r u c t i o no fr o c k ，t h e r e s i d u a ls t r e n g t ha f t e rt h er o c ki sb r o k e ni ss h o w nb ys t r e s s - s t r a i ns o f t e n i n g m o d e l ．C a l c u l a t et h ei n f l u e n c eo fc o a lm i n i n ga c c o r d i n gt ot h eg i v e nb o u n d a r y 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 c o n d i t i o n sa n dg r o u n d w a t e rp r e s s u r e ，i ts h o w st h a ts o f tr o c kh a st h ea b i l i t yt o r e s i s td e f o r m a t i o n ，e s p i c a l l y , t h er o c km a s sm a d eu pw i t hs o f ta n dh a r dl i t h o l o g y h a sas t r o n g e rw a t e r - r e s i s t i n ga b i l i t y ．T h ep r o g r e s s i v ei n t r u s i o n 仔a c t u r ec o u l d n o tr u nt h r o u g ht h ew h o l ef l o o r ，a n dt h ee f f e c t i v et h i c k n e s sC a nr e s i s tw a t e r p r e s s u r ef r o mc o n f i n e dw a t e r ，i nt h ee n d ，t h ew o r k i n gf a c ea d v a n c e ds a f e l y , w h i c hp r o v e dt h ep r e d i c t i o ni sr i g h t ． K E Y W O R D S m i n i n g w i t hp r e s s u r e ，w a t e r - i n r u s hf r o mf l o o r , h i d d e nf h c 眦， p r o g r e s s i v ei n t r u s i o n ，‘‘t h r e es o f t ’’c o a l V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 V I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 目录 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 研究意义和背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 国内外底板防治水研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．3 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．4 研究方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．4 ．1 研究思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．4 ．2 研究流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 第二章带压开采煤层底板突水影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．1 地质构造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 2 ．2 含水层的富水性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．3 承压水水压⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．4 矿山压力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．5 底板隔水层厚度及岩性组合⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13 第三章底板导升突水机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 ．1 承压水沿煤层底板自然导升的条件及规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 ．1 ．1 底板导升与隐伏构造的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 3 ．1 ．2 自然导升与隐伏陷落柱的关系。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．1 1 3 自然导升与富水区的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 3 ．1 ．4 承压水的递进导升及其意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 3 ．2 导升突水的相似模拟实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．2 ．1 实验目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 3 ．2 ．2 实验设备和方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 3 ．2 - 3 实验结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 3 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3l 第四章煤层底板受力状态分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．1 煤层底板初始受力状态⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．2 采动条件下底板受力状态⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．3 回采过程中煤层底板岩体破坏特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．3 ．1 岩石的破坏类型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 4 ．3 ．2 岩石的破坏准则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 第五章刘家梁煤矿“三软”高导升底板水害探测与评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 5 ．15 1 2 4 工作面水文地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 5 ．2 工作面初始导升高度探测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．2 ．15 1 2 4 工作面直流电法探查⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．2 ．25 1 2 4 工作面瞬变电测探查⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．2 ．3 初始导升高度探查⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．3 煤底板地应力水压致裂测试⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 V n 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 ．3 ．1 原岩应力及其测试方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 5 ．3 ．2 水压测试原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 5 ．3 ．3 测试工程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 5 ．3 ．4 测试结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 6 5 ．4 煤层底板破坏深度探测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．4 ．1 煤层底板岩层变形破坏机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 5 ．4 ．2 探测方法及方案布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 5 ．4 ．3 观测结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 5 ．5F L A C 3 D 数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 5 ．5 ．1 煤层底板导升机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 5 ．5 ．2 导升数值模拟计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 5 ．6 水害评价及防治水工程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 5 ．7 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 第六章主要结论及展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 6 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 6 ．2 存在问题及展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 5 致j 射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 9 附录A 攻读学位期间发表的学术论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1 附录B ．参与的科研项目⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1 Ⅷ 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．1 研究意义和背景 第一章绪论 随着经济发展对能源供应需求加大，煤炭资源开采强度日益加大，造成华北石炭二 叠系煤田的许多矿井开采深度日益增加，使得煤层底板受石炭、奥陶纪灰岩高承压水威 胁日益加剧，解决带压开采所面临的安全问题己成为一项重要工作任务。据统计，在我 国华北有6 0 ％，约2 3 0 个矿井不同程度地受到底板岩溶奥灰水的威胁，导致数百亿吨煤 炭资源无法安全回采。根据历史统计资料，在过往的五十年间，全国煤矿突水事故高达 1 7 0 0 余次，造成淹井事故2 4 0 多次，死亡人数超过2 0 0 0 人，造成数百亿元经济损失。 但随着国家对煤矿安全生产的重视程度不断提高，科学研究和防治水工程投入的不断增 大，近几年效果显现，突水事故发生频率明显降低，在近几年间突水事故统计见表1 ．1 源 于煤矿安监局统计资料 。 表1 ．12 0 0 5 ．2 0 1 3 年全国重大煤矿突水事故统计 T a b l e1 - 1T h el i s to ft h eh e a v yw a t e r - i n r u s hh a z a r d s i I lc o a lm i n e sf r o m2 0 0 5t o2 0 1 3 尽管煤矿突水事故率有所下降，但随着近些年煤矿开采深度和强度的增加以及下组 煤的大规模开发，开采条件日趋复杂，华北地区大多数矿井奥灰水压高达3 “ - 7 M P a ，面 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 临薄隔水层高承压水上开采的困难局面，矿井水灾害问题将更加突出，加强对底板突水 防治将成为一项重要任务。本论文所研究的同煤集团轩岗矿区此类问题较为突出。 轩岗矿区位于山西省原平市，属于华北型煤田，因煤层顶、底板和煤层松软 俗称 “三软” 、广大的奥陶系灰岩补给区和充沛的补给量、良好的径流条件、高度发育的 导水通道使得矿区的水文地质条件变得更为复杂。上世纪8 0 年代，该矿区的刘家梁煤 矿在掘进9 6 5 水平西运输大巷时，共发生6 次突水事故，单点涌水量在1 0 5 , - - - 3 4 8 ．5 5 m 3 ／h ， 水量在经历3 0 年排泄后，衰减不显著。目前因为开采方法由分层开采变为综放开采， 使得突水的危险性大为增加，上述三种因素已经成为威胁矿井安全的重要因素。研究三 种因素影响下底板突水的评价方法，对大同矿区，乃至西北矿区的防治水具有很大的理 论意义。对于采取合理的防治水措施，防止重大水害的发生，保障高产高效具有很大的 现实价值。 1 ．2 国内外底板防治水研究现状 俄罗斯、波兰、匈牙利、南斯拉夫以及部分东欧的其他国家以前存在带压开采水害 防治问题，尤其是在匈牙利，灰岩强含水层对矿井安全生产的威胁程度比中国更为严重， 这些国家在煤层底板突水水害防治方面进行了早期的研究。二十世纪四十年代匈牙利的 韦格弗伦斯首次提出“底板隔水保护层”理论，同时提出相对系数的概念 相对系数为 隔水层厚度与水压力之比 ，把相对系数1 ．5 m ／a t m 做为突水判断标准。1 9 7 4 年，匈牙利 国家矿山技术鉴定委员会己将相对隔水层厚度的概念列入矿业安全规程，并对不同 矿井条件作了规定和说明。8 0 年代，匈牙利特别注意到煤层底板的应力状态以及底板的 完整性，采用了原位地应力测试和数值计算的方法评价底板的稳定性【2 。1 。随着计算机 科学的发展，一些能够运行大型计算软件的开发，如F L A C ，A N S Y S 等软件在模拟底 板突水方面得到运用。 我国在上世纪六十年代开始对煤层底板突水变形进行研究，煤炭科学西安研究院和 山东科技大学借鉴“底板隔水保护层”理论，于1 9 6 5 年正式提出突水系数的概念，并 以此作为评价底板稳定性的经验标准。1 9 7 2 年煤炭科学西安研究院在河北邯郸王凤煤矿 进行了大量的底板观测试验，结果显示在底板隔水层下部存在承压水向上递进扩展的现 象【5 】，将突水系数由原来的判别式T P ／M P 为水压M P a ，M 为底板隔水层厚度m 修 2 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 改为T P ／ M ．H ．C ， 式中H 为承压水的导升高度，C 为底板的破坏深度 。自二十世 纪9 0 年代，随着我国矿井煤层开采深度的不断增大，带压开采条件下煤层底板突水灾 害日趋严重。我国一些学者及生产技术人员对突水事故资料进行汇总，对突水原因进行 分析研究，不断总结突水机理和规律，其中煤炭科学西安研究院、北京研究院、中国矿 业大学、安徽理工大学、太原理工大学、中国科学院地质研究所、西安科技大学、山东 科技大学等科研院所都做了大量现场实验研究工作，并取得了显著的成果。针对底板突 水提出的主要理论如下 1 “下三带”理论该理论由现山东科技大学李白英、荆自刚等人提址i t 6 j 。该理论 认为煤层底板隔水层正如顶板覆岩一样，由上至下存在着“三带“ ，即底板导水破坏带， 有效保护层带和承压水导升带，这样就使得位于底板隔水层中部的完整岩层成为抵抗底 板突水的最主要保护层。该理论认为，底板隔水层的“下三带”是在矿山压力和底板承 压水水压共同作用的结果，同时“下三带”的范围也受隔水层的岩性组合及地质构造的 影响，当底板隔水层下部为软岩，且无原生导水裂隙时，底板导升高度带有可能为零。 一般情况下，当承压水导升带和底板采动破坏带贯通时，下伏承压含水体就会涌入工作 面。在评价底板隔水能力时，根据有效保护层单位厚度所承载承压水水压判断突水与否， 本质上讲，这跟突水系数一致。 2 “原位张裂与零位破坏”理论该理论由煤炭科学院北京开采所王作宇、刘鸿 泉于1 9 9 2 年提出f 7 1 。该理论根据矿压和承压水水压联合作用下采场底板岩体变化特征， 沿采场推进方向将底板岩体分为超前压力压缩段、采后膨胀段和后期压缩稳定段三个变 化阶段。底板结构岩体在超前支承压力和承压水压力共同作用下，呈现上部受水平挤 压、下部受水平引张的力学性态。下部岩体沿物性层面滑移，原岩节理、裂隙等不连续 结构面引张开裂形成张裂隙。承压水在水的压力作用下，克服结构面阻力开始顶托运移。 承压水进入裂隙形成的超裂隙水压力在张裂结构面上降低了法向应力，张裂面上抗张强 度降低，在底板附加应力作用下张裂隙扩大并继续向上延展。承压水沿原位裂隙扩展到 一定高度和底板采动破坏带接通后发生突水。 3 板壳理论该理论由煤炭科学院北京分院刘天泉、张金才于1 9 9 7 年提k b l 8 q 2 1 。 他们结合相似模拟实验，运用弹性力学、塑性力学探讨底板突水机理。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、G r i f f i t h 强度理论 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 和塑性力学中滑移线场理论计算底板中塑性区的深度。在此基础上，将底板隔水层的受 力状态转化为四周固支、底面受向上方向的均布荷载作用的薄板，结合弹性力学和塑性 力学计算出底板突水的临界水压。这种利用板结构通过理论计算分析底板突水受力变形 尚属首例，为底板突水理论的研究起到了积极作用。 4 关键层理论该理论由中国矿业大学黎良杰、钱鸣高于1 9 9 6 年提出1 1 3 ，1 4 1 ，在煤 层回采过程中，底板隔水层上、下部岩层都发生一定程度的破坏，而作为底板隔水层中 承载能力最强的岩层成为阻水能力的关键层，一旦关键层的破裂，就会发生底板突水。 通过把关键层作为薄板进行简化，建立薄板力学模型，分析带压开采底板变形破坏特征。 事实上，大量现场观测实验表明，软弱相间的岩性组合往往能承受一定的塑性变形，抑 制底板突水。 5 “递进导升”理论该理论由煤炭科学院西安研究院王经明于1 9 9 4 年在进行煤 层底板观测实验中提出I ] 5 q 7 ] 。在观测实验中发现底板深部岩体破坏早于浅部岩体破坏， 认为承压水在采动矿压和水压联合作用下，承压水沿其上覆隔水层裂隙向上扩展，当后 生扩展裂隙与底板采动破坏带沟通时发生突水。由矿压诱发动水压力是裂隙向上扩展的 动力条件，煤层回采过程中工作面发生突水得到了形象的解释。 6 岩一水应力关系法该理论是煤炭科学西安研究院提1 1 5 , 1 9 1 ，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①存在贯通的原生构造 裂隙带；②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，隔水层受到下伏承压水项托作用，尤其在冲击矿压所造成的动水 压力下，突破底板岩层裂隙带最小水平应力的约束，突破隔水层破裂带形成突水。岩一 水应力关系法建立的突水临界指数为 D l 一1 - W 1 1 0 2 。 式中P w 一底板隔水层承受的水压，M P a 0 2 一隔水层最小水平主应力，M P a 当指数I 1 时，底板发生突水，反之则不发生突水。该学说结合水压、地应力及岩体物 理力学性质，对突水机理进行动态分析，但对导水裂隙扩展与岩体抗张强度之间的关系 并未得出定量分析结果。 4 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 目前学术界对宏观突水影响因素的研究取得了较为一致的认识，而突水机理和底板 稳定性的评价方法却不能有统一意见。尽管涉及到开采深度、采高、工作面宽度、地质 构造作用、底板岩性组合、导升高度等关键影响底板破坏因素和突水因素在底板安全性 评价中的重要性被学界广泛认识，但仅突水系数作为官方要求使用的唯一评价参数，而 此参数也经历了多次变化。2 0 0 9 年以前在国家矿井水文地质规程和煤矿防治水条 例规定的计算公式 T P ／ M ．H ．C 于2 0 0 9 年被国家煤矿防治水规定修正为最 初的形式 T P ／M 。不再考虑底板的破坏深度和导升高度，水压的计算点也变为底板 下伏含水层的顶界面。这就意味着底板突水的危险性评价不再考虑开采深度、开采高度、 工作