马坊煤矿断层防水煤柱开采回收研究.pdf

1 分类号分类号密密级级 公公开开 U D CU D C 单位代码单位代码1042410424 工工 程程 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 马坊煤矿断层防水煤柱开采回收研究马坊煤矿断层防水煤柱开采回收研究 任智德任智德 申请学位级别申请学位级别工程硕士工程硕士领域领域名名称称矿业工程矿业工程 指导教师姓名指导教师姓名杨杨 永永 杰杰职职称称高级工程师高级工程师 副副指导教师姓名指导教师姓名王王 则则 才才职职称称高级工程师高级工程师 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零零六年五月二零零六年五月 2 论文题目论文题目 马坊煤矿断层防水煤柱开采回收研究马坊煤矿断层防水煤柱开采回收研究 作者姓名作者姓名 任智德任智德入学时间入学时间 2003 年年 9 月月 领域名称领域名称 采矿工程采矿工程研究方向研究方向矿山压力及其控制矿山压力及其控制 指导教师指导教师 杨永杰杨永杰职职称称 高级工程师高级工程师 副指导教师副指导教师王则才王则才职职称称 高级工程师高级工程师 论文提交日期论文提交日期2006 年年 5 月月 论文答辩日期论文答辩日期2006 年年 5 月月 授予学位日期授予学位日期 3 STUDY ON THE RECLIMANING OF FAULT WATERPROOF COAL PILLAR IN MAFANG MINE ADissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF ENGINEERING from Shandong University of Science and Technology by Ren Zhide Supervisor Professor Yang Yongjie College of Natural Resources and Environmental Engineering May 2006 4 声声明明 本人呈交给山东科技大学的这篇工程硕士学位论文，除了所列参考文献和本人呈交给山东科技大学的这篇工程硕士学位论文，除了所列参考文献和世世 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。交于其它任何学术机关作鉴定。 工程硕士生签名工程硕士生签名 日日期期 AFFIRMATION I declare that this dissertation, ted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Engineering in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been ted for qualification at any other academic institute. Signature Date 山东科技大学工程硕士学位论文摘要 1 摘摘 要要 为了延长矿井服务年限，更多的回收煤炭资源，课题组对山东省马坊煤矿进行了详 细调研、反复论证，理论分析，数值模拟等方面的研究，拟定对矿井的防水煤柱进行回 收。并利用 FCLC 浆液，注浆加固断层破碎带技术，改变 F251和 F东1断层的导水 性，并通过采取其它的安全技术措施，实现断层防水煤柱的安全开采。 现场调研表明，临近矿井对马坊煤矿的安全生产无直接影响，矿井的主要含水层为 五灰和奥陶系石灰岩，其威胁着九、十层煤的断层防水煤柱的回收，断层附近的断裂破 坏带的存在是影响底板突水的主要控制因素。 数值模拟表明， 随着煤层开采的不断推进， 破坏区主要集中在开挖煤层两侧及断层破裂带，且范围逐渐扩大并不断向断层带靠近。 分别对断层带注浆加固前、后两种情况的底板破坏情况进行模拟结果显示，注浆后比注 浆前可多回收 40 米煤柱。断层带注入的浆液可充填灰岩及其围岩岩溶裂隙，改变含水 层的富水性，封堵水源补给通道，堵塞导水裂隙，加固煤层底板隔水层。现场对注浆后 的断层防水煤柱进行回收，F251断层防水煤柱总量为 9.95 万吨，共回采出 4.52 万吨， 占防水煤柱总量的45.4；F东1断层， 共采出3.04万吨， 占防水煤柱3.49万吨的87.1。 本文的研究表明， 采用注浆法回收断层防水煤柱是一种技术先进、 工艺简单、 安全可靠、 效益显著的有效方法。 关键词关键词防水煤柱；断层破碎带；注浆加固；回收；数值模拟 山东科技大学工程硕士学位论文摘要 2 ABSTRACTABSTRACT For prolonging the service life of coal mine and reclaiming more coal resource,throughparticularsurvey,repeatingargumentation,academic analyses and numerical simulation, the project group decided to reclaim the waterproof coal pillar of Mafang coal mine in Shandong province. Using the technology of injecting FCL-C serous fluid into fracture zone of faults, the water transmissibility of F25-1and Feast-1faults can be changed. Using that and other security technology steps, the waterproof coal pillar in faults can be mined safely. The field survey indicates, neighboring mines have no direct impact to Mafang mine. The main aquifer of Mafang mine is Ordovician limestone, it threatens the reclaiming of fault waterproof coal pillar of nine and ten layer coal. And the fracture belt near the fault is the main control factor for extrusive water from ground. The numerical simulations indicate along with the mining of coal the main destruction region concentrates on the bilateral of mined coal and on fault fracture zones, those zones would becomebiggerandclosertofaults.Wesimulatedthegrounddamage conditions before and after grouting strengthening. The results declare 40 meters longer coal pillar would be reclaimed after grouting strengthening than before. The grout injected into faults can change the property of aquifer, stop up the channel to water source, clog water-guiding crack and strengthen the water-resisting layer of ground. In field, we reclaimed the groutingfaultwaterproofcoalpillar.ThetotalamountofF25-1fault waterproof coal pillar is 99.5 thousands ton, and 45.2 thousands ton was mined, 45.2 of the total amount. In Feast-1fault 30.4 thousands ton was mined, 87.1 of 34.9 thousands ton, the total amount. In general, for fault waterproof coal pillar, grouting is an advanced, simple in process, safety and effective . KeywordsKeywordswaterproofcoalpillar,faultfracturezone,grouting strengthening, reclaim, numerical simulation 山东科技大学工程硕士学位论文目录 i 目录目录 1绪论绪论.............................................................................................................1 1.1 课题提出∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙1 1.2 国内外研究现状∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙2 1.3 本文的研究内容及方法∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙7 2 矿井地质特征与水文地质条件矿井地质特征与水文地质条件...............................................................8 2.1 矿区概况∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙8 2.2 矿井地质特征∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙9 2.3 矿井水文地质情况∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙13 2.4 本章小结∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙16 3 工程概况及断层突水分析工程概况及断层突水分析.....................................................................17 3.1工程概况∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙17 3.2断层的基本要素及类型∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙17 3.3断层突水因素分析∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙18 4断层防水煤柱开采数值模拟研究断层防水煤柱开采数值模拟研究.......................................................23 4.1有限单元法∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙23 4.2ANSYS 数值模拟软件∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙24 4.3数值模拟模型的建立∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙25 4.4数值模拟结果及其分析∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙28 5 注浆加固断层破碎带工业试验研究注浆加固断层破碎带工业试验研究.....................................................33 5.1 注浆加固法∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙33 5.2 断层带注浆加固∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙34 5.3 注浆效果评价∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙42 6 断层防水煤柱回收实践断层防水煤柱回收实践.........................................................................44 6.1 断层防水煤柱回收∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙44 6.2 断层防水煤柱安全回采技术措施∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙45 6.3 经济效益和社会效益分析∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙46 7主要结论主要结论...................................................................................................48 参考文献参考文献.....................................................................................................50 致谢致谢.............................................................................................................54 山东科技大学工程硕士学位论文目录 ii Contents 1 Introduction.1 1.1 Raise of problem..1 1.2 Present situation...2 1.3 Contents and s studied in this paper.....7 2 Geological feature of mine and hydro geological conditions....9 2.1 General situation of mining area......9 2.2 Geological feature of mine.....10 2.3 Hydro geological conditions of mine.14 2.4 Conclusion of this chapter..16 3 General condition and analysis of fault water.....17 3.1 General situation of engineering....17 3.2 Basic element factors and types of fault....17 3.3Analysis of factors of fault water...18 4 Numerical simulation of mined fault waterproof coal pillar.........23 4.1 Finite element ...23 4.2 Software ofANSYS..24 4.3 Numerical simulation model.25 4.4 Numerical simulation model.28 5 Commercial test study of grouting fault fracture belt....33 5.1 Grouting ....33 5.2 Grouting in fault belts....34 5.3 uation of grouting...42 6 Experience of reclaiming fault waterproof coal pillar44 6.1 Reclaim of fault waterproof coal pillar......44 6.2 Safety technology for reclaiming fault waterproof coal pillar...45 6.3Analysis of economic and social benefit....46 7 Main conclusions....48 Reference....50 Thanks....54 山东科技大学工程硕士学位论文1 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 课题提出课题提出 我国许多煤田的水文地质条件十分复杂， 在部分煤层开采过程中会受到矿井突水的 威胁，防治水问题一直是煤矿生产及科研中的一大技术难题。据统计[14]，我国煤矿受 水害的面积和严重程度均居世界各主要采煤国家的首位， 有 60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 230 多个，造成左右的40 煤炭资源不能正常开采[5152]。从近年的开采情况看，每年采出受水害威胁的煤炭还不到 总量的。 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10 的问题。随着矿井向深部延伸，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。如果不及时解决受承压水威胁煤层的开采问题，一些矿区将 处于逐步减产甚至停产的状态。 山东省马坊煤矿所在的肥城矿区是一个大水矿区，肥城矿区水文地质条件复杂，五 灰、奥灰承压水对矿井安全生产危害性极大，太原组九、十层煤和部分七、八层煤受岩 溶水的严重威胁。根据统计 19651989 年间，开采 8、9、10 层过程中，发生底板裂隙 渗水和大型突水 120 余次，其中突水量大于 60m3/h 的 19 次，大于 1000m3/h 的 5 次， 最大突水量达 17940m3/h，造成淹矿一次，淹井一次，淹采区 2 次。截止到 1989 年末 肥城矿区可采储量 3.96 亿吨， 其中受水威胁的储量就达 2.49 亿吨， 占可采储量的 63。 随着生产的发展， 肥城矿区内的生产矿井相续进入严重受水威胁煤层的开采阶段。 因此， 矿井治水工作成为关系肥城矿区当前和长远发展的十分重要而迫切的问题。 马坊煤矿位于肥城煤田西南端的浅部，属水文地质条件极复杂的大水矿井，井田内 太原组 9、10 层煤及部分 8 层煤受五灰、奥灰承压水的严重威胁。在开采 8 层煤时曾发 生三次底板突水，最大突水为 8407 工作面底板发生的 845.8m3/h 的大型突水。为确保 矿井的安全生产，1989 年马坊矿在回采三采区八层煤时对 F251断层留设 60m 的煤柱； 1990 年进行矿井改造时，对三采区 F东1、F251两断层分别在九、十11层留设 44m 和 70m 的断层防水煤柱。目前，该矿井剩余可采储量仅有 190.1 万吨（包括 92.1 万吨村下 压煤量） ，服务年限只有 67 年，已进入矿井开采的末期，为了延长矿井服务年限，更 多的回收煤炭资源，经过详细调研，反复论证，拟决定采用 FCLC 浆液，应用注浆改 造技术对断层破碎带进行加固改造，从而改变 F251和 F东1断层的导水性，并通过采 山东科技大学工程硕士学位论文1 绪论 2 取其它的安全技术措施，达到安全开采断层防水煤柱的目的。 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， 绝大多数是与断层等 地质构造有着直接关系的。因此，研究矿山压力下断层的突水机制、断层突水的影响因 素、断层注浆加固后煤柱的合理留设等将是开采受承压水威胁煤层的重要而基础工作。 本文的研究不仅要为马坊煤矿解放受水威胁煤层，稳定矿井产量，找出较为可靠的技术 途径，而且为类似矿井防治水技术的进一步发展提供实践经验。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 国外学者的研究成果国外学者的研究成果 世界上许多国家如原苏联、匈牙利、南斯拉夫、西班牙等，在煤矿开采中都不同程 度地受到底板岩溶水的影响[6]。 在国外， 对煤矿底板岩溶水的研究已有 100 多年的历史， 在底板岩体结构的研究、探测技术及防治水措施等方面，积累了丰富的经验。 在早期，原苏联学者 AABOPNCOB 采用相似材料三维模型对每层开采后底板岩 层的变形过程进行了研究[5]。20 世纪年代至年代，以静力学理论为基础研究了煤4050 层底板在承压水作用下的破坏机制。其代表性成果是原苏联学者 B斯列萨列夫将煤层 底板视作两端固定的承压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[4、6]，即 （1.1）hLhKP p  22 0 /2 式中底板所能承受的理论安全水压值，； 0 PMPa 隔水层的抗张强度，； p KMPa 底板隔水层厚度，；hm 工作面最大控顶距或巷道宽度，；Lm 底板隔水层平均容重，。 3 /mKg 20 世纪年代至年代，仍以静力学理论为基础，并结合地质因素，主要是考虑6070 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。 20 世纪年代至年代末期， 很多国家的岩石力学工作者在研究矿柱的稳定性时7080 研究了底板的破坏机理[2、5]。其中最有代表性的人物是 CFSantos桑托斯、 山东科技大学工程硕士学位论文1 绪论 3 ZTBieniawski宾夕威斯基。他们基于改进的 HoekBrown 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已破裂的程度和与岩体 指标 BMR 相关的无量纲参数和 ，分析了底板的承载能力。由于该理论从底板的承ms 载能力出发，既不需要考虑水压的影响，也不需要考虑隔水层、采面条件等。因此，其 研究成果仅对采动底板破坏机理研究具有参考价值。 随着电子工业的发展，国外岩溶探测技术有了很大进步，尤其是 20 世纪 80 年代以 后，出现了多种类型的探测仪器[7]，如美国 GI 公司的 Petrosonde 地电探测仪，GD 公 司的 Es1225、Es2401 型多道信息增强型地震仪，美国军工的地质雷达，德国的 SEAMEX85 型槽波地震仪， 日本 VIC 公司的 GR810 型全自动地下勘探仪等等。 此外， 偶极电阻率法，激发极化法等也在匈牙利、南斯拉夫等国用于探测地下含水岩层。 1.2.2 国内学者的研究成果国内学者的研究成果 我国学者在 20 世纪年代就开始了对煤矿承压底板突水破坏规律的研究。 进入 2060 世纪年代，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80 重，人们对采场底板突水机理的研究也越来越深入，并取得了一系列研究成果。 （1）突水系数法[9] 我国一些煤矿，早在年就开始采用突水系数法作为预测煤层底板突水与否的1964 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。突水系数就是水压力与极限隔水层厚度的比值， 即 （1.2）hpK/ 式中突水系数；K 含水层水压，；pMPa 隔水层厚度，。hm 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，20 世纪～年代，煤炭科学研究总院7080 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 山东科技大学工程硕士学位论文1 绪论 4 （1.3）T s   pii hah p 式中隔水层第 分层厚度，；h i im 隔水层第 分层等效厚度的换算系数；a i i 矿压对底板的破坏深度，。h p m （2） “下三带”理论[10、12、14 ] 山东矿业学院、峰峰矿务局、井隆矿务局的科研人员于 20 世纪 80 年代初期提出 了“下三带”观点[59]，后由山东矿院的李白英、高延法等人，经过几年综合观测、结合 相似材料模拟、 有限元分析等方面的研究工作后上升为理论的高度， 即 “下三带” 理论。 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致。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）原位张裂与零位破坏理论[ 1820] 王作宇等提出了底板移动的原位张裂和零位破坏理论。 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。 山东科技大学工程硕士学位论文1 绪论 5 （4）岩水应力关系理论 西安分院水文所提出岩水应力关系突水预测理论， 该理论把复杂的底板突水问题 归纳为岩（底板隔水层岩体）水（底板承压水）应力（采动应力和构造应力） ，即把煤 层底板的突水解释为如下过程 底板突水是由采动矿压和底板承压水的水压共同作用的 结果，采动矿压使底板隔水层出现一定深度的导水破裂缝，降低了岩体强度，削弱了隔 水性能，造成了底板渗流场的重新分布，当承压水沿导水破裂缝进一步渗入时，岩体则 因受渗水软化而导致导水破裂缝继续扩展， 直至二者相互作用的结果使得底板隔水层岩 体的最小主应力小于承压水水压时，便产生压裂扩容而产生突水。 （5）板模型理论[4、13、1617] 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。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 cou1ombMohr 强度理论和 Griffith 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[15、2930、32] 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 层理论。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。 （7）强渗通道理论[7] 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，造成突水事故；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 山东科技大学工程硕士学位论文1 绪论 6 构造（包括断层和节理）这一薄弱面对突水的影响，但对采动矿压和水对其产生的影响 作用缺乏深入研究。 另外，施龙青[2124]、魏久传[8、36]、靳德武[27、28、31 ]、高延法[11、25、26]、张文泉[38]、 王连国[37]等在矿井突水理论研究方面也做了大量的研究工作。 在理论研究的同时，我国也重视了水害防治的探测技术研究。 “七五”期间，煤科 总院、西安分院、重庆分院、唐山分院等单位先后引进、研制出多种物探仪器[3940]，如 EM1 型磁偶源频测仪，DYSD1 型槽波数字地震仪，矿井地质雷达，水位遥测仪，声 波测深仪，坑透仪等。近年来，我国在矿井物探仪器研制和试验开发方面取得了重大进 展。 1.2.3 断层突水的研究断层突水的研究 黎良杰、 钱鸣高等[33]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。 白峰青[34]基与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[35]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 （1.4） ypb WWWW 式中为断层裂隙带宽度； b W 为弹性核宽度； p W 为屈服带宽度。 y W 施龙青[21]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。 山东科技大学工程硕士学位论文1 绪论 7 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