开采煤层底板 四带 划分理论与实践.pdf

第3 4 卷第1 期 中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 4N o ．1 2 0 0 5 年i 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆．T e c h n o l o g yJ a n ．2 0 0 5 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 5 0 1 0 0 1 6 - 0 8 开采煤层底板“四带“ 划分理论与实践 施龙青，，韩进z ． 1 ．山东科技大学研究生教育学院，山东泰安2 7 1 0 1 9 ； 2 ．山东科技大学信息科学与工程学院，山东泰安2 7 1 0 1 9 ； 3 ．上海大学机电工程与自动化工程学院，上海2 0 0 0 7 2 摘要简述了国内外开采煤层底板突水机理的研究现状．基于损伤力学、断裂力学和矿山压力理 论，在开采煤层底板“三带”划分理论基础上，提出了开采煤层底板“四带”划分理论，即开采煤层 底板可以划分出I 矿压破坏带；Ⅱ新增损伤带；Ⅲ原始损伤带；I V 原始导高带．对比分析了上述2 种理论的共同点和不同点，推导出开采煤层底板“四带”理论中各带厚度的计算公式，给出了底板 突水判别方法．结合肥城煤田开采煤层底板探测实例，说明开采煤层底板“四带”存在的客观性． 关键词煤层底板；“四带”理论；底板突水；突水判别方法 中图分类号T D7 4 5文献标识码A T h e o r ya n dP r a c t i c eo fD i v i d i n gC o a l M i n i n gA r e aF l o o ri n t oF o u r Z o n e S H IL o n g q i n 9 1 。H A NJ i n 2 ’3 1 ．C o l l e g eo fP o s t g r a d u a t eE d u c a t i o n ，S 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 ， T a i a n ，S h a n d o n g2 7 1 0 1 9 ，C h i n a ； 2 ．C o l l e g eo fI n f o r m a t i o nS c i e n c eE n g i n e e r i n g ，S 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 ， T a i a n ，S h a n d o n g2 7 1 0 1 9 ，C h i n a ； 3 ．C o l l e g eo fM e c h a n i c a la n dE l e c t r o n i c a lE n g i n e e r i n g ＆．A u t o m a t i cE n g i n e e r i n g ， S h a n g h a iU n i v e r s i t y ，S h a n g h a i2 0 0 0 7 2 ，C h i n a A b s t r a c t T h ep r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no fw a t e r i n r u s hf r o mc o a lm i n i n ga r e af l o o rw a sb r i e f l y i n t r o d u c e d ．An e wt h e o r yo fd i v i d i n gc o a lm i n i n ga r e af l o o ri n t of o u r z o n ei sp u tf o r w a r d ，t h a ti s t h em i n i n ga r e af l o o rc a nb ed i v i d e di n t ob r o k e nz o n ec a u s e db yu n d e r g r o u n dp r e s s u r e ；n e w d a m a g e dz o n e ；o r i g i n a ld a m a g e dz o n ea n do r i g i n a lw a t e rf l o w i n gz o n e ．T h ef o r m u l at oc a l c u l a t et h e z o n ei si n d u c e da n dt h em e t h o dt oj u d g ew h e t h e rt h ew a t e r i n r u s hf r o mm i n i n ga r e af l o o rh a p p e no r n o ti si n t r o d u c e d ．T h ev a l i d i t yt od i v i d et h em i n i n ga r e af l o o ri n t of o u r z o n ei se x p r e s s e dw i t ha n e x a m p l et os u r v e yt h ef o u r z o n ei nm i n i n ga r e af l o o ri nF e i c h e n gc o a l f i e l d ． K e yw o r d s c o a lf l o o r ；f o u r z o n et h e o r y ；w a t e r i n r u s hf r o mf l o o r ；m e t h o dt oj u d g ew a t e ri n r u s h 底板突水机理研究可以追溯到2 0 世纪初，到 4 0 年代至5 0 年代，匈牙利韦格弗伦斯第一次提出 底板相对隔水层的概念．6 0 年代至7 0 年代，匈牙 利将相对隔水层厚度的概念列入矿业安全规程． 7 0 年代至8 0 年代末期，部分岩石力学工作者研究 了底板的破坏机理．我国在6 0 年代提出突水系数 概念．7 0 年代后期修改了原有的突水系数概念． 8 0 年代各具特色的理论应运而生，最具有代表性 的有开采煤层底板“三带”划分理论、原位张裂与零 位破坏理论、板模型理论、关键层理论‘1 | ． 收稿日期2 0 0 4 0 3 0 9 ， 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 3 7 4 0 4 4 ；留学回国人员基金项目 教外司留[ 2 0 0 3 3 4 0 6 作者简介施龙青 1 9 6 4 一 ，男，江苏省扬州市人，教授，工学博士，博士生导师，从事矿井水害防治及地质工程方面研究 万方数据 第1 期 施龙青等开采煤层底板“四带”划分理论与实践 以山东科技大学为代表所创建的开采煤层底 板“三带”划分理论，在指导矿井水害防治方面起到 了重要的作用心] ．然而，自该理论创建十余年来，一 直没有得到深入地发展，多数尚停留在对现象的解 释．阻碍这一理论发展和广泛应用的主要原因有 2 点一是该理论的一些基本概念尚未十分明确， 二是该理论对各带形成的力学本质揭示不够．为 此，笔者从现代损伤力学及断裂力学理论出发，提 出了开采煤层底板的“四带”划分理论，并用实例说 明其正确性． 1基本概念 开采煤层底板“三带”划分理论把底板划分 为[ 3 ] I 底板破坏带或“导水破坏带” 。 ；Ⅱ完整 岩层带或“阻水带” 而 ；Ⅲ承压水导高带或原始导 高带 。 ，如图1 所示．该理论的主要不足之处在 于一是基于弹性力学理论推导出底板破坏带的理 论计算公式，而弹性力学是建立在一些列基本假定 基础上的[ 4 ] ，所有这些假定是不适合岩体的力学特 征．二是“三带”理论没有考虑承压水对底板岩层的 破坏作用． 图1开采煤层底板“三带”划分模型 F i g ．1 T h et h r e e z o n em o d e lo fd i v i d i n g c o a lm i n i n ga r e af l o o r 图2 所示，为开采煤层底板“四带”划分理论的 模型，即将开采煤层底板自开采煤层底板的顶到含 水层之间的岩层划分出4 个组成带I 矿压破坏 带；Ⅱ新增损伤带；Ⅲ原始损伤带；I V 原始导高带． 采空区煤层 挺醛嗡囝赵金兮睽峪g 吱x 爻x 爻吱姣x 爻x 爻姣吱≤． ／、／＼／、／、／、／蛹 Z ．人 ．八，记／＼0 ≤ 恰水剧 图2 开采煤层底板“四带”划分模型 F i g ．2 T h ef o u r z o n em o d e lo fd i v i d i n g c o a lm i n i n ga r e af l o o r 下面从力学性质和隔水能力方面阐明各带的基本 特征． 1 第1 带 h i ，“矿压破坏带”是指矿山压力 对底板的破坏作用显著，底板岩石的弹性性能遭到 明显伤失的层带．其特点为岩石处于黏弹性状态； 各种裂隙不仅交织成网，而且惯通性好、导水性能 很强；岩层的连续性彻底破坏，完全失去了隔水能 力；承压水沿该带突出所消耗的能量仅仅用于克服 突水通道中的沿程阻力． 2 第Ⅱ带 。 ，“新增损伤带”是指受矿山压 力破坏的影响作用明显，岩石弹性性能发生了明显 改变的层带．其特点为底板岩层的原有抗压强度 明显降低，但岩层的弹性性能尚未完全失去，即岩 石仍处于弹性状态；岩层的原有裂隙得到了明显地 扩展，但尚未相互贯通；岩层具有一定的连续性和 隔水能力；承压水要沿该带突出，其消耗的能量主 要用于贯通裂隙． 3 第Ⅲ带 。 ，“原始损伤带”是指不受矿山 压力破坏作用的影响或影响甚微，岩石弹性性能保 持不变的层带．其特点为岩石保持原有弹性性能； 岩层内的裂隙保持原先的非相互贯通状态；岩层的 连续性和隔水能力良好；底板水要沿该带突出，其 消耗的能量主要用于破坏岩石及贯通裂隙． 4 第1 V 带 。 ，“原始导高带”是指不受矿山 压力作用的影响，并发育有承压水的原始导高的层 带．其特点为因水化学作用，岩石处于弹塑性、塑 性状态；裂隙发育差参不齐，并已成为突水通道；岩 层的连续性差；底板水从该带突出只需克服沿程阻 力． 2 各带厚度的确定 2 ．1 矿压破坏带 矿压破坏带形成的实质是原始损伤底板中的 裂隙，在矿山压力作用下扩展并相互贯通．从力学 角度来分析，能使底板裂隙相互贯通的矿山压力所 达到的最大深度即为矿压对底板岩层破坏带的深 度 厚度 ．因此，计算出矿山压力使得开采煤层底 板原始裂隙相互沟通的最大深度就得出了矿压破 坏带的厚度． 岩石中裂隙相互贯通方式有3 种模式口] 岩桥 张拉型破坏、岩桥剪切型破坏、岩桥拉剪复合型破 坏．以下推导底板裂隙不同贯穿模式下所需的最大 主应力，然后，根据矿山压力对底板岩层破坏的特 点，从这3 种模式中确定出用于底板最大破坏深度 的计算． 万方数据 1 8中国矿业大学学报第3 4 卷 1 岩桥张拉型破坏 若岩桥是由张性翼裂纹扩展而贯通 如图3 ， 且分支翼裂纹沿主压应力盯。方向扩展，设二雁型 裂纹的垂直间距为h 。，则翼裂纹贯通时，分支裂纹 的扩展长度l 为 Z h o ／c O sp ． 1 。 图3 君轿张拉型硬孙模型 F i g ．3 T h et e n s i o nf r a c t u r em o d e lo fr o c kb r i d g e 根据断裂力学理论嘲，分支裂纹尖端的应力强 度因子K ，为 ．石鬲．F K 严刁亏i 了再i 亍葫 j 冬 ％ 六． r x x 一丽b 忆砜L ] [ 0 ．4 岗州等等] ， ㈤ 式中L Z 盘；以为节理的半长；F 为裂纹间相互的 影响因子；9 为裂纹与水平方向夹角；六为岩石的 摩擦系数． 则由断裂力学理论知，岩桥的贯通强度为 f 墨丝巫笪旺至王画 ∞一1 F ．石． 0 ．4 厶i n 妒 等 仃。『- 当 G _ s i n - 2 9 0 c ．A c 刊 吼l 瓦再lT ∞矿咧x ，一丽b z ．5 L ] } ／ [ 3 C “ f s i n Z P - 譬s i n2 V ，一丽b ] ’ ㈦ 式中C 。，C 分别为传压、传剪系数． 2 岩桥剪切型破坏 当岩桥的最终破坏属于剪切型 如图4 时，岩 桥的临界强度可按M o h r C O U 】o m b 准则求得 丢 盯。一s i n2 a 六 盯1 s i n 2 口 0 “ 3 C O S 2 d C ，一0 ． 4 图4 岩桥剪切破坏型 F i g ．4 T h es h e e rf r a c t u r em o d e lo fr o c kb r i d g e 由断裂力学理论知[ 6 | ，岩桥贯通强度盯。为 s i n2 a 2 Z o o s 2 口 2 C ，。 口l 一2 f ，s i n Z a - s i n2 a 盯3 一2 f , s i n Z a - s i n2 a ’ 5 式中a 为岩桥倾角；G 为岩石黏结力． 3 岩桥拉剪复合型破坏 岩桥的拉剪复合破坏 如图5 是由于岩桥中 部首先产生的张拉裂纹E F 和原生裂纹A B ，C D 扩展出来的剪切裂纹A F ，C E 连通而引起的． 图5 岩桥拉剪复合破坏模型 F i g ．5 T h et e n s i o n s h e e rf r a c t u r em o d e lo fr o c kb r i d g e 岩桥的贯通强度按下面的假定估算 a 张拉裂纹E F 沿方向仃。，且E F 表面点的法 向应力均达到材料的抗拉强度0 “ t ； b 节理面上的点的应力状态满足M o h r C o u l o m b 准则． 由力的平衡条件得 ∑F ，一0 ， ∑F ，一0 ， h 1 0 “ t 4 a s i n 妒o 4 a c o sP 0 “ j 4 l s i n 口r ，一1 4 l c o 妒s ．a r 。，0 “ 一r - 0 “ s P 4 a ．‘c o s9 0 ．4 l c o 口s ．a 4 a c o s 4 s i n 0 “ j 4 l C O S r r 一。’} c 6 ，妒‘0 一P ’ 。 口。一 4 Z s i n 口0 “ r 盯1 4 a s i nP 4 l s i n 口 一0 ．J 万方数据 第1 期 施龙青等开采煤层底板“四带”划分理论与实践 由式 6 及靠 C ， o 一0 得 h i O “ t s i nd f r c o sd 4 a l - f r s i n 々o 一口 c o s a 一咖] r ， 4 a l - f r C O S O f 一力 s i n a 一咖] 口i 一4 z C ，一盯3 4 a c o sP 4 1 C O Sa s i nO ／ f r c o sa d 1 4 a s i nP 4 ／s i n 口 一f f s i n 口 C O Sa 一0 ， 7 根据断裂力学理论[ 6 1 及式 7 得岩桥的贯通强度为 玎。一纽鱼型互堕竽型』生垫， 8 玎1 ■一．‘K 】 式中吼为岩石的单轴抗拉强度；C ，为岩石的黏结 力； 岩石的摩擦系数． A 一一 4 a s i n9 4 ／s i nd 一f ，．s i n 口 C O Sd 2 a C , s i n2 P [ 一f ，s i n a 一访 C O S O r 一咖] 一 4 a C 。s i n 2 P F f r C O S 口一访 s i n 口一咖] ； B 一一 4 a c o sP 4 ／c o sd s i nd f r C O Sd 2 a C 。s i n2 P [ 一f ，．s i n a 一砂 c o s a - 咖] 4 a C 。C O S 2 P E L c o s d 一咖 s i n a 一咖] ． 根据矿山压力控制理论‘6 。] ，煤体支承压力 以 随开采煤层底板垂距 2 衰减的规律为 O “ z K m ；y H e _ 00 1 6 7 z ， 9 式中K 。。为矿山压力最大集中系数；7 为上覆岩 层容重；H 为采深． 将以一盯。代入式 9 ，得矿山压力对开采煤层 底板破坏深度 J l z ， 的理论计算公式为 h ，一5 9 ．8 8 l n 坠趔． 1 0 O - 1 大量的研究证明[ 8 _ 1 4 ] ，矿山压力对底板的破坏 是通过拉剪力复合作用实现的，即矿山压力造成 底板岩层的原始裂隙扩展贯通的模式取第三种更 符合实际．因此取式 8 盯，用于式 1 0 的计算．由 式 1 0 知，矿山压力对开采煤层底板的破坏深度 h 。同采深及岩层的比重 ，成正相关关系，而同底 板原始裂隙扩展相互贯通所需的最大主应力盯，成 负相关关系．由式 8 知，最大主应力d 。同图5 中 的h 。，吼，C ，，厂r ，z ，O ／及盯。成正相关关系．因此，底板 破坏深度也同这些参数成负相关关系． 2 ．2 新增损伤带 2 矿山压力对底板的损伤与破坏作用是从原始 裂纹尖端起裂开始的，开裂的裂纹进一步地增长， 最终实现对岩石的破坏．因此，用能够使原始裂纹 起裂的矿山压力所达到的最大深度，减去其破坏深 度即为新增损伤带的厚度．原始裂隙受矿山压力的 影响，在其尖端的拉应变区产生断裂，应用最大拉 应力理论分析断续裂隙岩体的初裂强度．考虑2 种 情况 图6 E5 | 一是有水平构造压应力存在，如向 斜部位，选用双向压缩载荷模式；二是有水平构造 拉应力存在，如背斜部位，选用拉压缩载荷模式． o 代表拉应变区 e 代表压应变区 图6 节理初裂强度分析示意图 F i g ．6 S k e t c hd i a g r a ms h o w i n gt h ej o i n t i n i t i a lb r e a ki n t e n s i t y 1 双向压缩载荷作用 根据断裂力学理论， K ，一兰 啦， 六％ √丌口F ， 1 1 √3 ％ G ．生≯s i n z P ， O z x C 。 盯l s i n 2 妒 G 3 C O S 2 访， 式中C 。，C f 分别为传压，传剪系数；F 为裂纹间相 互作用的影响因子． 若％ o ，则有 F k 一，十[ 螳掣 揣 蜓鲁号竽学] ／2 ，一e 2 r o 1 2 [ 1 一 1 一户。 2 ] 2j ／。、1 、1 。7 式中A 为裂纹长度 2 以 及两裂纹中心距 z 的函 数，即 z 一口／Z f P c } ． 若％ 0 时，式 1 1 成为 K 产要石．。o 。要 [ 蜥n 汐 詈％⋯s 2 甜F ． ⋯， 开裂角0 。及初始断裂强度由下式求得 吒，．t a n P 譬 ％f2 t a n z 譬一1 _ o ， r 91 ％一tK l c 亏’i 意一 LZ 1 [ 吉c ，s i n2 ，， 号c c ，s 21 鲁s i n 2 ，，c 。] c r s } ／ J [ 一号G s i n2 9 号c n C O S 2 虿0 0 s i n 2 司． 1 7 将O I C 带人式 1 0 ，即得矿山压力能够引起底 板原始裂隙扩展的深度 z 为 z 一5 9 ．8 8 l n 型． 1 8 G I C 显然，z 包含了底板裂隙扩展并连通的部分， 又包含虽扩展但没有连通的部分，即是矿压破坏带 和新增损伤带之和．因此新增损伤带h 。的厚度为 2 Z h 1 5 9 ．8 8 1 na 1 _ 丝c ． 1 9 0 1 如果有水平构造压应力存在，式 1 9 中{ T I C 的 取式 1 5 的结果．如果有水平构造拉应力存在，取 式 1 7 的结果． 2 ．3 原始损伤带 矗3 原始损伤带的确定有多种方法，如物探法、钻 孔注水法．其中通过采前和采后同一个底板位置钻 孔注水漏失量的比较是确定开采煤层底板采后原 始损伤带是否继续存在及其厚度的最直接方法．此 外，在已知原始导高带的前提下，可以用以下公式 求h 。 h 3 一h 一 l h 2 h 4 ， 2 0 式中h 为底板厚度，即煤层底板至含水层顶部的 厚度 参见图2 ． 岩层的原始损伤与煤田内构造发育密切相关． 特别是滑动构造发育的煤田，岩层的原始损伤要比 没有滑动构造发育的煤田显著．例如，山东肥城煤 田因滑动构造的影响，整个煤田绝大部分区域的煤 层底板岩层都遭受不同程度的原始破坏，形成损伤 度较大的原始损伤底板，这是肥城煤田开采下组煤 是经常发生底板突水的重要原因之一． 2 ．4 原始导高带 4 在生产实践中，原始导高带厚度确定是根据以 下方式来进行的钻孔尚为达到含水层就有一定量 的涌水，此时涌水点到含水层的距离即为导高带的 厚度．导高形成的基础是构造裂隙，发展和升高的 动力是水的楔劈作用和应力溶蚀作用口6 | ．在华北 煤田强迳流带上都发育不同标度的导高，其上界参 差不齐，大小不一，有的矿区或部位也许无原始高 带存在．如肥城煤田9 煤层的底板，有的部位原始 导高带最大高度可达2 01 T l ，而有的部位则没有原 始导高． 3回采底板破坏型突水条件 根据矿山压力在采场及巷道的分布特点，底板 的突水类型可划分为以下几种类型[ 1 ] 煤矿底 板突水 f 掘进沟通 A 掘进沟通I断层型突水 断层、陷落柱 型I 掘进沟通 l 陷落柱型突水 B 回采影响断层型突水 C 回采底板f 裂隙通道型突水 破坏型突水I 陷落柱通道型突水 根据开采煤层底板“四带”划分理论，一般情 况下回采底板破坏型突水底板突水与否的判断依 据为 1 若h 。≠0 ，则不突水； 2 若h 3 0 ，h z ≠0 ，且户 盯 1 一D ，则突水； 4 若h 。 0 ，h z 一0 ，则突水． 4 实例分析 4 ．1 设计方案 为了证明开采煤层底板“四带”划分的正确性， 选择肥城煤田曹庄煤矿8 8 1 2 工作面和9 6 0 4 工作 面，采用“钻孔双端封堵测漏监测仪” 如图7 所示 沿钻孔进行分段封堵注水进行验证．验证分两步 走采前验证煤层底板存在裂隙，即存在“原始损 伤”和“原始导高”；采后煤层底板存在“矿压破坏 带”和“新增损伤带”． 8 8 1 2 工作面8 煤平均1 ．9 7r f l ，煤层倾角平均 2 0 。，工作面标高以一3 3 0 ．8m 为工作面下限，工作 面斜长1 2 0 ～1 3 0i n ，下距五灰平均厚度为3 6 ．4 1 m ，底板为黏土岩、粉砂岩、煤层及薄层灰岩组成． 9 6 0 4 工作面9 煤平均1 ．3 5I T I ，煤层倾角平均1 7 。， 工作面标高一1 8 5 4 2 2 5m 为工作面下限，工作面 万方数据 第1 期施龙青等开采煤层底板“四带”划分理论与实践 图7 双端封堵测漏监测仪装置 F i g ．7 T h ei n s t a l l a t i o no fd o u b l ee n d s s e a l e dw a t e r l o s sm o n i t o r 斜长1 2 0 ～1 3 0i n ，下距五灰平均厚度为2 3 ．3 5 m ， 上距8 煤平均1 2 ．4 3m ，底板为炭质页岩、粉砂岩． 钻探工程利用现有的钻机硐室设计钻孔，共设计4 个钻机硐室8 8 1 2 工作面布置2 个钻机硐室，设计 钻孔5 个，终孔位置距五灰5i n ；9 6 0 4 工作面布置 2 个钻机硐室，设计钻孔4 个，终孔位置距五灰顶3 i n ；每个钻机硐室的各钻孔的孔口位置可错开一定 的距离，并选择不同的倾角，以防孔间的相互影响． 钻孔设计具体参数见表1 ． 表1 监测钻孔设计 T a b l e1T h ed e s i g no fm o n i t o r e dd r i l l s 地点硐室孔号方等尹7 嘤写7 孔m 深7 孔m 径m 7 备注 钻窝3 9 6 0 4 工作面钻窝4 工8 1 作0 0 面2 钻窝58 61 6 。一3 83 7 巾8 9 备用孔 原J 3 孔 原Z 2 5 4 孔 总计51 05 0 1 钻孔结构开孔十1 2 7 m m ，下 1 0 8 m m 孔口管，终孔直径8 9 4 ．2 现场实测 在2 0 0 2 年1 1 月7 日和8 日分别对8 8 1 2 工作 面8 4 孔和8 - 5 孔和9 6 0 4 2 工作面9 1 孔，9 - 2 孔， 9 3 孔和9 4 孔进行采前观测．8 1 孔，8 - 2 孔及8 3 孔因为现场不具备观测条件，没有进行采前观测． 采前观测数据见表2 ． 表2 采前各钻孔监测数据漏失量单位l ／m i n ；长度单位m T a b l e2T h em o n i t o rd a t ab e f o r em i n i n gc o a ls e a m 分析采前各孔的观测数据可知，采前8 - 5 孔， 9 2 孔底板岩层原始裂隙不发育，底板岩层完整性 较好．8 4 孔在孔深2 2 ．7 8i n 以下均有5L ／m i n 的 漏失量，说明原始裂隙发育，但裂隙的连通性不是 很好．9 1 孔在孔深4 6 ．2 7I n 以下出现较大的漏失 量，最大值达1 2L ／m i n ，说明原始裂隙发育．9 - 3 孔 侣侣帖侣幅媚侣帖侣 6 4 O O 5 ．0 ．9瑙叫亏三棚瑙叫1圳 1 2 窝 窝 钻 锚 2 面趴作 8 工 万方数据 中国矿业大学学报第3 4 卷 和9 4 孔一直有涌水现象，特别是9 - 3 孔，底板裂以上数据分析表明能够反映两点事实一是煤 隙特别发育，全孔漏水，漏失量大，达1 8L ／m i n ，说层的底板并不是一个完整的岩层，而是存在裂隙的 明9 煤底板的原始导高已经高达9 煤层与五灰之“原始损伤体”；二是煤层底板的确存在“原始导高 间的层间距，平均值为2 3 ．3 5 m ．2 0 0 3 年7 月2 9带”． 日，对8 1 0 0 2 工作面8 6 孔进行采前观测，发现煤曹庄煤矿于2 0 0 2 年1 1 月对9 6 0 4 工作面和 层底板岩层裂隙比较发育，特别是在孔深1 9 ．5 ～8 8 1 2 工作面进行回采．采后三个月左右，对9 6 0 4 2 7 ．5m 之间，原始裂隙相当发育，最大漏失量达 工作面9 1 孔、9 - 2 孔进行采后观测，采后观测数据 1 2L ／m i n ． 见表3 ． 表3 采后备钻孔观测数据漏失量单位L ／m i n ；长度单位m T a b l e3 T h em o n i t o rd a t aa f t e rm i n i n gc o a ls e a m 9 1 孔92孔8-4孔85孔8-6孔 漏失量孔深 2 5 2 7 2 9 3 1 3 3 3 5 3 7 3 8 4 0 4 2 4 4 4 6 4 8 6 6 1 5 1 4 ．4 3 ．4 1 ．6 5 ．8 1 1 2m i n 3 0S 后无漏失 1 3 2m i n 后无漏失 0 0 1 1 9 孔口一直 孔口一直 有涌水．有涌水． 水量钻孔严重 1 2 0 ～1 6 0L ／m i n ， 变形． 水压1 ．8M P a ．扫孔后只 能下7 7 3 钻头． 孔深漏失量 1 20 1 48 1 6 0 1 88 2 05 ．8 2 28 2 47 2 68 2 88 3 08 3 28 3 40 对比各孔观测结果可知，9 1 孔和9 2 孔采后 底板明显产生破坏，最大漏失量达5L ／m i n ．9 - 1 孔 最大破坏深度在孔深的4 4m 处，相当于1 2 ．1m 的“矿压破坏带”．比较该孑L 采前和采后在孔深4 6 ～4 8r n 之间的漏失量的特征，可以肯定该深度之 间的岩层裂隙有所扩展，但最终没有同孔深4 4m 处的裂隙沟通，因此，该范围便是“四带”理论中的 “新增损伤带”．9 2 孔破坏深度在孔深的4 0m 处， 相当于1 4 ．2I n 的破坏深度．9 4 号孔采后变形剧 烈，扫孔时掉钻，无法进行进一步观测．9 - 3 号孔一 直在涌水，而且水量较大，无须进行进一步观测． 因8 8 1 2 工作面采后各钻孔涌水量较大，造成 观测巷道积水太深，经多日排水后，于2 0 0 3 年4 月 2 6 日对8 8 1 2 工作面进行采后观测．8 4 孔孑L 口一 直涌水，水量1 2 0 ～1 6 0L ／r a i n ，即7 ．2 ～9 ．6I T l 3 ／h ， 水压1 ．8M P a ，这个水压是五灰水一般情况的压 力，说明裂隙已发育到五灰，即底板破坏深度已达 到五灰顶界，相当于3 6 ．5n 1 ．8 - 5 孔全孔严重变形， 多次扫孔后，也只能下夺7 3 钻头，且孔口有涌水，也 说明裂隙已发育到五灰，即底板破坏深度已达到五 灰顶界，相当于3 4 ．0m ．另外，五一1 3 3 孔与8 4 孔， 8 - 5 孔相距很近，其采前涌水量为1 5I 。／r a i n ，采后 涌水量增加到3 0L ／r a i n ，也充分说明底板破坏深 度已达五灰．值得注意的是在观测孔附近，巷道底 臌严重，采后底板上升0 ．5m ，说明底板破坏非常 严重．2 0 0 3 年1 1 月1 日，对8 - 6 孔进行采后观测， 发现从孔深1 8m 一直到孔深3 2m ，出现连续漏 水，说明开采煤层底板破坏深度至少达孔深3 2m ， 相当于距8 煤层底板2 1 ．8I n ． 采后的观测数据表明，开采煤层底板在遭受到 量一 o i，；；等Ⅲ|；葛蛐铋 深一3 4 6 8 o 2 4 6 8 孔一3 3 3 3 4 4 4 4 4 ，，卯暂卯胛卯押押胛卯押 4 5豫强弧豫陬弦强帆锨m 万方数据 第1 期施龙青等开采煤层底板“四带”划分理论与实践 矿山压力破坏后，除了出现“矿压破坏带”外，还可 以形成“新增损伤带”． 以上的实测资料证明，开采煤层底板的确存在 矿压破坏带、新增损伤带、原始损伤带、原始导高 带，但并不是处处都出现完整的“四带”，例如在本 次实测中，仅仅在9 1 孔探测到了“新增损伤带”． 5 结论 1 开采煤层底板可划分出“四带”I 矿压破 坏带；Ⅱ新增损伤带；U l 原始损伤带；N 原始导高 带． 2 开采煤层底板岩层不是一个完整的岩体， 而是一个受到各种地质营力作用以后所形成的损 伤体，运用现损伤力学和断裂力学分析方法能够推 导出矿压破坏带和新增损伤带的理论计算公式． 3 实践证明，开采煤层底板除了存在“三带” 理论中的底板破坏带、阻水带、承压水导高带外，还 存在“四带”理论中的“新增损伤带”． 4 根据开采煤层底板“四带”划分理论建立的 无断层影响下的回采底板破坏型底板突水判别条 件，反映了“新增损伤带”在判断底板突水中的意 义，即尽管新增损伤带具有阻水的作用，但是当承 压水压力达到一定程度时，新增损伤带就会失去隔 水能力．因此在只存在新增损伤带而不存在“原始 损伤带”的开采煤层底板中，可以通过新增损伤带 阻抗承压水压力的能力来判断开采煤层底板是否 会突水． 参考文献 [ 1 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ep r o p a g a t i o n [ J ] ．I n tJ R o c kM e e hM i nS i c G e o m e c h ，1 9 9 3 ，3 0 7 8 6 1 8 6 7 ． [ 1 1 ] H u a n gL ，W a n gZ Y ，Z h a oYH ．T h eD e v e l o p m e n t o fr o c kf r a c t u r em i c r o f r a c t u “n gt om a i nf r a c t u r e f o r m a t i o n [ J ] ．I n tJR o c kM e c hM i nS i c ＆G e o m e c h ， 1 9 9 3 ，3 0 7 9 2 5 9 2 8 ． [ 1