顶板周期来压和底板突水的关系研究.pdf

第 2 5卷 增刊 煤 田地质与勘探 5 1 一 嚣t ／ 7 顶褫周期来压和序瓶突水帕关系研究 张西民 王 秀辉 煤炭科学研 究总院西安分院 7 1 0 0 5 4 摘要从矿 山压力角度分析采堞工作面底板破坏带最大深度产生的时间和住i f- ， 进 而探讨预 徘 t ll i l 期 镄 7 - 预 板 来 压 盎 垂 垦 墨 垦 亚 丞 虐 丝 塞 垄 一 。 织 ， 中国图书资料分类法分类号T D7 4 2 ． 2 作者简介 张西民 男 3 3岁 工程师 水文地质工程地质 l 前盲 煤层 开采过 程 中， 老 地 ‘ r 层的周 期性 垮落失 稳 ， 是 采场矿 压显 现 的主要形 式 。这一过 程还会 波及 煤层底 板， 引起底板应力状态的剧烈变化 ， 从而对底板上部矿压破坏带的大小和形态产生影响。矿压破坏最大深度 及其发 生的 时间和位 置 ， 对 承压 开采具 有 至关重要 的意 义 。 本 文着重从 矿压 角度 分析顶板 周期 来 压对 矿压 破 坏带产 生 的影响 以及这种 影 响和底 板突水 的关 系。 2 老磺来压前后支承压力的变化及其对底板突水的作用 有关煤层底板应力特征的研究表明口 ] 采矿对煤层底板所产生的跗加应力升高区的范围， 主要和超前应 力集中系数、 应力集中区宽度有关 。 应力集中系数大 ， 集中区宽度大， 则附加应力 明显影响范围大 ， 相应的， 附 加应力对煤层底板的破坏深度也大 ， 反之亦然。 这一结论在承压开采中确定底板破坏深度峰值的时间和位置 时具有一定 的参考价值 。通过分折顶板来压前后支承压力的变化， 可以推知底板矿压破坏带的变化， 从而分 析底板 突水 和工作 面来 压之 间的关 系 。 初次来 压后 ， 上部 岩体可 能形成“ 结构 的老顶 岩层 ， 由煤 壁 、 支架 、 采 空区 冒落矸石 这三种 力学性 质 不 同 的支 承体所支撑 ， 如 图 1所示 。 随着 工作 面的推 进 ， 煤 壁支撑 体上 所支撑 的部 分重量将 不 断转移 到后方支 撑 体上 。 由于老 顶岩层 断裂 和 失稳的周期性 ， 导致了这一力的转移也是非均匀的， 亦即每一截深所形成的矿山压力并不是随着煤层的切割 而逐次 均匀 的转 移到后 方支 撑体 上 ， 而是 先集 中到 刚度 较大 的前方 煤壁 上 ， 从 而 导致前 方 支撑 压力 的增 高。 当此压力集 中到一定程度， 致使上覆老顶岩层断裂或岩体失去平衡后， 若干次截深所引起的矿压会一并转移 圈 1 老顶岩体的支撑体系 维普资讯 5 2 煤 田地 质 与勘探 第 2 5卷 到 采场 支架 、 采 空 区已 冒落 矸石 上 ， 形成周 期 来压 ， 而此 时煤壁前 方 支承压力 反而 减小 了。 从 变形 角度分 析 ， 来压 前工作 面前 方 煤壁变 形最 大 ， 而工作 面 顶板则 下沉 较 小 ； 来 压前 后 尽管 由于老顶 悬 露 岩块 的断裂 回转 ， 造成 了工作 面 顶板较 大 的下沉 ， 但 由于老顶 不存 在悬 顶 ， 工作 面前方 煤 壁 的支 承压力 反而变 小 ， 而使 其变形 量变 小 总之， 工作面来压前后， 由于支承压力的急剧变化将导致采煤工作面产生严重的矿压显现。对于承压开 采 的工作 面 ， 由于支承 压力 的变 化 ， 而导致 底 板应力 场 的急剧变 化 ， 这个过程 有可 能诱 发突水事 故 。 3 周期 来压对 煤层底 板 的破 坏作 用 由以上分 析可知 ， 来 压前 ， 采 空区压 力不 大 ， 处 于卸压膨 胀状 态 ， 而煤壁 支承压 力 的影响范 围则达 到最大 值 ， 煤壁下方岩体 内的压力也达到最大值； 来压后， 由于原来悬露岩体的断裂 ， 岩块中部和后部触矸 ， 从而引 起 采空 区应力 升高 ， 煤 壁支 承压力 减小 。 相 应 的 ， 远 离工作 面的部 分采 空区被 重新压 实 ， 而煤壁 附近底 板则急 剧卸压 ， 从而在煤壁附近底板岩层内， 产生最大的采动裂隙带深度 。因此， 工作面来压期间， 容易在煤壁附近 底 扳产 生突水点 ， 当工作 面在构造 破坏带 附 近来压 时 ， 突水 的可 能性 最大 。 综上所述， 随着采煤工作面的推进， 煤层底板岩体要产生如下的变形过程 初次来压后， 新增采空区范围 内的底板 岩层 处 于长期 的卸 压膨胀 状态 ， 而煤壁 下 面岩层 则得 以逐 步压缩 ， 直到 第一 次周 期来 压前 夕 ， 新采 空区受力状态不变 ， 而煤壁下面岩体承受的压力达到最大值； 第一次来压后 ， 新增采空区的绝大部分底板受 到 压缩 ， 煤 壁 附近采空 区仍处 于卸 压状态 ， 煤壁 下 面岩体则处 于受 压状 态 。之 后 ， 随工作 面的进一 步 开采 ， 底 板 重复上 述受力 变形过 程 ， 直到第 2 、 第 3 、 ⋯⋯ 第 n次周期 来压 。 从防 治底板 承压水 的角 度来看 ， 上述受 力过 程 中的“ 急剧 卸压状 态 ” 是重点关 心 的问题 。两次来 压期 间 ， 新 增采 空区 长期处 于“ 卸压 膨胀状 态 ” ， 这 时底板 岩层 只承 受 冒落直 接顶板 岩 石所 产生 的 自重 应 力和 很小 的 通 过矸石传 递而来 的老顶 荷载 ， 这种 荷载 由老顶 的缓 慢下沉 而引起 。由于老顶 岩层 的 自身 稳定性 ， 这个荷 载 不 大。 这 时 ， 如 果承 压水压 力大 ， 隔水层 较薄 则极易 产生 底板 突水 。 因此 ， 顶板来 压前夕 ， 极 易产生 采空 区突 水 ， 因为底板 岩层 长期 工作 面附近底 板 的卸压膨 胀状 态 ， 为底 板 承压水 涌入采 掘空 间产 生了 良好 的力学 条 件 。来压期 间 ， 煤 壁底部 岩层 要产 生应 力“ 突变 ” ， 底板 应力急 剧减小 ， 处 于“ 急剧 卸压状 态 ” 。这时 ， 大部分 压 力将向后方转移， 使原来处于。 卸压膨胀状态” 的采空区底板受到压实， 而煤壁附近则处于相对减压的小应力 状态 。 由于来 压过 程 中煤 壁 支承压力 变化 幅度很 大 ， 与此相对应 ， 底板 应力 变化很 大 ， 所 以在 煤壁附 近将产生 较 大的矿 压破坏裂 隙带 。 这表 明裂 隙带有可 能成 为承压 水突人 工作 面 的通 道 ， 这 就是来 压期 间易产 生突水 的 原 因 。 4非来压期间支承压力的演化过程厦作用 非老 顶来 压期 间 ， 支承压 力 的 演化 过 程可 用 图 2表示 。 结合 带压开 采分析 该过 程 ， 可 得以下几 点认 识 a ．采空 区 指 未 被压 实 的新 增 部 分 底 板岩 层 在 两次来 压期 间处 于 长期 的卸 压状 态 ， 因此 在 隔水 层上 部形成 张性破 坏带 ， 亦 即导 水裂 隙。 承压水 的压 力 加 大 了该 裂 隙 带 的 深度 ， 当 隔水 层 厚度 ， 强度 低 时， 导水裂隙带有可能向隔水层底部延伸。 当裂隙带 穿过 有效 隔水 层 和原 始 导升 带勾 通 时 ， 承压 水将 沿 这个通 道导入 采空 区， 涌入采 掘 空间 ， 形 成采空 区突 水 。采空 区突水一 般发生在 两次 来压 期间 ， 而且 从 K “／H m ．r 三三主 哑 圈 主 至 趸 薹 鎏 逸 盈 Ⅱ 皿 卫 L 址 y 孟至豆蒌蕊 皿 图 2 非来压期问支撑压力的演化 过程 口 覆岩荷 载F 】 ～托 应力集 中系数| 岩层 密度{ 日 岩层 厚度 f m ～mt 采空区应力俄复系数 ● 维普资讯 ● 增刊 张西民， 王秀辉 顶板周期来压和底板突水 的关系研究 5 3 时间上讲 ， 更靠 近后次来 压 ， 因为 承压水 的突 出有个 发展过 程 。 从 空 间位置上讲 ， 一般 发生 在煤壁 附近 的采空 区内 ， 因为随采 面的推进 ， 煤壁 后方 采空 区逐步 被压 实 ， 而煤壁 附 近采空 区则一 直处 于裸 露状态 。这说 明 ， 相 临 两次来压 期 间． 煤壁附 近采 空区最 易产生底 板 突水 。 b 来 压 过程实 际上是支 承压 力重 新分布 的动 态过 程 ， 通 过来 压 ， 部 分采 空 区进一 步被 压 实 ， 煤 壁下 方底 板 岩层 产生卸 压作用 ， 这个 过程 显然有 利于 防止采 空区 突水 。 因为前 次来压 所产 生裂 隙可通 过增压 过程 而得 以压 实 闭合 ， 但 来压 过程也 同时 引起 了煤壁 附近裸露 底板 应力状 态 的急剧 变化 ， 加 深 了该处 导水裂 隙带 的深 度 ， 因此从防治水的角度讲 ， 老顶来压过程有利于采空区防突水 ， 而同时又产生了新的突水危险性。 c 无论 如何 ， 构造 破坏 带是最 易产 生 突水 的地点 。非来压 期 间， 当采 空 区卸压 带 内存 在 构造 破坏 带时 ， 承压 水会 首先通 过 已受超 前 集 中压力 破坏 的构造 裂 晾带而形 成突水 事故 。 同样 来压期 间 ， 如果煤 壁附近存 在 构造破 坏带 时则来 压加剧 了构 造影 响区 的再 次破坏 ， 进 一步减 弱其 阻水能 力 ， 使 构造影 响 区成 为 突水危 险性 最大的区域。这一结论已被实例所证实一 。 5 结论 从 矿压 角度 分析 承压开采 的工作面 ， 周期来 压会诱 发底 板突 水 。因周 期 来压过 程而 引发 的底板 突水 ， 一 般 发生 在靠 近煤 壁的采 空区 内 。 非来 压期 间 ， 因为煤层 底板 应力状 态的渐 变 ， 也 可能 产生采 空区 突水 ， 突水位 置一般 远离煤 壁 。如果老 顶在 构造 破坏带来 压 ， 则突水 危险性 更大 。 参考文献 1 王焕文等主编 ．锚喷支护 ．j 七 京 煤撮 工业 出版杜 ． 1 9 8 9 2 煤撮科学研究总院西安分院 ．栗煤工作面底板突水预测预报配套技术 ．煤炭科学研究总院西安分 院科研报告 ． 水 1 0 0 ， 1 9 9 5 收 稿 日期 1 9 9 7 --0 9 --0 1 ● THE RELAT1 0NS H I P 0F C0AL R00F PRES S URE AND W ATER I RRUPT1 0N FR0M FLooR Z h a n g Xi ml n g W a n g Xi u h u i Xi ’ a n Br a n c h， CC RI Ab s t r a c t Th e p a p e r a n a l y s e d t h e ma x i mu m d a ma g e d e p t h o f t h e wo r k i n g f a c e f l o o r ． B a s e d o n t h e r e s u l t ． t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n r o o f p r e s s u r e a n d w t e r i r r u p t i o n f r o m f l o o r a r e d i s c u s s e d ． Ke y w o r d s r o o f p r e s s u r e c o a l flo o r ， wa t e r i r r u p t i o n ． 维普资讯