开采煤层底板“四带”划分理论与实践.pdf

第 3 4 卷 第 1 期 2 0 0 5年 1月 中国矿业大学学报 J o u r n a l o f C h i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g＆ ． T e c h n o l o g y Vo 1 ． 3 4 No ． 1 J a n ．2 0 0 5 文章编号 1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 5 O 1 0 0 l 6 - 0 8 开采煤层底板“ 四带“ 划分理论与实践 施龙青 ，韩进。 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； IV 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 D 7 4 5 文献标识码 A Th e o r y a n d Pr a c t i c e o f Di v i d i n g Co a l M i n i n g Ar e a Fl o o r i n t o Fo u r Z o n e S HI Lo n g q i n g ，HAN J i n ’ 。 1 ． Co l l e g e o f P o s t g r a d u a t e Ed u c a t i o n，Sh a n d o n g Uni v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y， Ta i a n，Sh a n d o n g 2 7 1 0 1 9，Ch i n a ； 2 ． Co l l e g e o f I n f o r m a t i o n S c i e n c e En g i n e e r i n g．Sh a n d o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y， Ta i a n，Sh a n d o n g 2 7 1 0 1 9，Ch i n a ； 3 ．Co l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d El e c t r o n i c a l En g i n e e r i n g＆ Au t o ma t i c En g i n e e r i n g， S h a n g h a i Un i v e r s i t y，S h a n g h a i 2 0 0 0 7 2 ，Ch i n a Ab s t r a c t Th e p r e s e n t r e s e a r c h s i t u a t i o n o f wa t e r i n r u s h f r o m c o a l mi n i n g a r e a f l o o r wa s b r i e f l y i n t r o d u c e d ． A n e w t h e o r y o f d i v i d i n g c o a l mi n i n g a r e a f l oo r i n t o f o u r z o n e i s p u t f o r wa r d，t h a t i s t h e mi n i n g a r e a f l oo r c a n b e d i v i d e d i n t o b r o k e n z o n e c a u s e d b y u n d e r g r o u n d p r e s s u r e； n e w d a ma g e d z o n e ；o r i g i n a l d a ma g e d z o n e a n d o r i g i n a l wa t e r f l o wi n g z o n e ．Th e f o r mu l a t o c a l c u l a t e t h e z o n e i s i n d u c e d a n d t h e me t h od t o j u d g e wh e t h e r t h e wa t e r i n r u s h f r o m mi n i n g a r e a f l o o r h a p p e n o r n o t i S i n t r od u c e d ．Th e v a l i d i t y t o d i v i d e t h e mi n i n g a r e a f l o o r i n t o f o u r z o n e i S e x p r e s s e d wi t h a n e x a mp l e t o s u r v e y t h e f o u r z o n e i n mi n i n g a r e a f l o o r i n Fe i c h e n g c o a l f i e l d ． Ke y wo r d s c o a l f l oor ；f o u r z o n e t h e o r y ； wa t e r i n r u s h f r o m f l oor ； me t h od t o j u d g e wa t e r i n r u s h 底板 突水机 理研究 可 以追 溯到 2 O世纪初 ， 到 4 O年代至 5 O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 O年代至 7 O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 O年代至 8 O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 O年代提出突水系数 概念．7 o年代后期修改了原有 的突水 系数概念． 8 O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Ⅲ． 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1[ 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 维普资讯 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 ． 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 I 底板破坏带或“ 导水破坏带” ； Ⅱ完整 岩层带或“ 阻水带” Jll ； 11I 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l ， 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． 一一 阻水带 一 ，／ 导 升 带 7 ， 1 图 1 开 采煤 层 底板 “ 三带 ” 划 分模 型 F i g ． 1 Th e t h r e e z o n e m o d e l o f d i v i d i n g c o a l m i n i n g a r e a f 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； Ⅳ原始导高带． ‘ 采空Ⅸ 煤层 x x x x | 、 一 t ＼八t f』 ＼ 图 2 开采煤层底板“ 四带” 划分模型 Fi g ． 2 Th e f o u r z o n e mod e l o f d i v i d i n g 。 l m i n i “g a r e ● a f l o 0 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 ， “ 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 11I 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 1V 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 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． 维普资讯 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 0- 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 z 为 l h n ／ c o s ． 1 图 3看 移F 张 诬 型 饭 环 俣 型 Fi g ． 3 Th e t e n s i o n f r a c t u r e mo de l o f r o c k b 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 一 等 2 L co s √ 1 L √ 1 L l j ． L5 、 ／ 3 一 5 a sL ] [ 叫 ] ， 式中 LZ ； a为节理的半长； F为裂纹间相互的 影响因子； 为裂纹与水平方向夹角 ； 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 旺互王画 F ． 0 ． 4 n 『- C ,s in 2 p c ．A c 。 s z l ， ∞ x 一 5 L ] } ／ [ sin 。 一 2 一 ] ， ㈥ 式中 ， 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 Mo h r C O U l o mb准 则求得 吉 。 一 s in 2 a 1 s i n a 0 “ 3 C O S 2 C 一 0 ． 4 图 4 岩桥剪切破坏型 Fi g ． 4 Th e s h e e r f r a c t u r e mod e l o f r oc k b r i dg e 由断裂力学理论知[ 6 ] ， 岩桥贯通强度 为 s i n 2 a 2 f , c o s 。 口 2 C ⋯ 1 2 f ss i n Z a-s i n 2 a a s 一 2 f ss i nZ a - s i n 2 a’ 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 Fi g． 5 Th e t e n s i o n s h e e r f r a c t u r e m od e l o f r oc k b 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 0- ， 且 E F表面点的法 向应力均达到材料的抗拉强度 ； b 节理 面上 的点 的应 力状 态满足 Mo h r C o u l o mb准则． 由力的平衡条件得 ∑F 0 ， ∑F 0 ， hl a , 4 a s i n 4 a c o s 0- j 4 l s i n 口 r r 一 4 l c o s口a r 一 3 4 a C O S 4 l c o s口 一 0， 4 a c o s 4 s i n 0- j 4 l C O S口r r 一 4 Zs i n 0- r 0- 1 4 a s i n 4 l s i n口 0 ． 6 维普资讯 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 o r f r c ， r ， 一0得 h i O “t s i n口Lc o s口 4 a l- f r s i n 一 口 c o s a 一 ] 4 a l - f r c o s a s i n a 一 ] 一4 z C 一 3 4 a c o s 4 l C O S口 s i n口f r c o s口 1 4 a s i n 4 ／ s i n口 一 f r s i n口 C O S口 一 0 ， 7 根据断裂力学理论 及式 7 得岩桥的贯通强度为 h i O “ t s i n口Lc o s口 一 4 l C ， B a 3 1一 一 ， 8 式中 G t 为岩石的单轴抗拉强度 ； C ， 为岩石的黏结 力 ； 厂 r 岩石的摩擦系数． A 一 一 4 s i n 4 ／ s i n口 一 f s i n口C O S口 2 0 Gs i n 2 [ 一f s i n 口 一 C O S 一 ]一 4 口 C s i n E Lc o s , 一 s i n a 一 ] ； B 一 一 4 a c o s 4 ／ c o s口 s i n口 厂 ， C O S口 2 口 C s i n 2 [ 一f s i n a一 c o s a 一 ] 4 a C C O S E Lc o s , 一 s i n a 一 ] ． 根据矿山压力控制 理论[ 。 ] ， 煤体 支承压力 随开采煤层底板垂距 z 衰减的规律为 一 K H e _ 。 0 1 6 7 z ， 9 式 中 K 为矿 山压 力最 大集 中系数 ； 为上 覆 岩 层容 重 ； H 为采深． 将 O z 代入式 9 ， 得矿山压力对开采煤层 底板破坏深度 。 的理论计算公式为 h 一 5 9 ． 8 8 l n ． 1 0 D 1 大量的研究证 日月[ 。 ， 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 。 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 。 成 负相关关系． 由式 8 知， 最大主应力 。 同图 5中 的 h ， ， C ， ， 厂 r ， z ， a及 。 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 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 [ 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． 0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 h d i a g r a m s h o wi n g t h e j o i n t i n i t i a l b r e a k i 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， n K ■z G x Y f s G x x √兀 口 F， 1 1 O “ x 一 ． s i nZ o ， 一 C 盯 1 s i n O 3 C O S ， 式 中 C ， G 分 别为传 压 ， 传剪 系数 ； F为裂 纹 间相 互作用的影响因子． 若 a x x O ， 则有 F 一 [ ] ／ 2 1 2 1 P [ 1 一 一 ] ．J／ 厶 “ 式 中 为裂纹 长度 2 n 及两裂纹 中心距 z 的函 数 ， 即 z一 口 ／ 2 若 a x x 0 ， 则有 F 一1 ． 由 决定的影响因子 F 为 F 一 1 P 1 P ， 一 [ 一 一1 ] ’ F F F F ． 1 4 可得断续节理岩体的初裂强度为 粤 r 2 L c o s 2 C ． C ,s in 2 一 ～ 5 2 拉压载荷作用 维普资讯 2 0 中国矿业大学学报 第 3 4卷 满足 口 一口 3 C O S l s i n O时， 式 1 1 成为 K ， 一要 c o s 詈 in C O S 2 导 ] 开裂角 及初始断裂强度 由下式求得 T x x．t a n p O o 2 ta n O o 一 1 一 o ， r 9 1 T I C t K lc 专 ’ 一 Z 、 [ 吉 c rSin 2 号 c 。 s 譬 s in ] }／ [ 一 吉 c sin 2 詈 c。 s 譬 s in ． 7 将 T I C 带入式 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 nKm x H ． 1 8 O1 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 h 2一 Z h 1 5 9 ． 8 8 1 n a l C ． 1 9 O“ 1 如果有水平构造压应力存在。 式 1 9 中 T IC 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 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 1 h 2 h 4 ， 2 O 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 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 引 ． 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 0 m，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Ⅲ 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 l 掘进沟通 【 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 【 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 。 ≠o ， 则不突水； 2 若 h 。 0 ， h 2 ≠0 ， 且 1 一 D ， 则突水 ； 4 若 h 。 0 ， h 2 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 7 m， 煤层倾角平均 2 O 。 ， 工作面标高以一3 3 0 ． 8 m 为工作面下限， 工作 面斜长 1 2 0 “- -- 1 3 0 r n ， 下距五灰平均厚度为 3 6 ． 4 1 r n ， 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 5 r n ， 煤层倾角平均 1 7 。 ， 工作面标高一1 8 5 ～一2 2 5 m 为工作面下限， 工作面 维普资讯 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 Fi g ． 7 Th e i n s t a l l a t i o n o f d o u b l e e n d s ．s e a l e d wa t e r l o s s mo n i t o r 斜长 1 2 0 ～1 3 0 m， 下距五灰平均厚度为 2 3 ． 3 5 m， 上距 8煤平均 1 2 ． 4 3 m， 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 5 m； 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 m； 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 e 1 T h e d e s i g n o f mo n i t o r e d d r i l l s 地 点硐 室孔 号 方 写 备 注 钻窝1 8 81 2 工作面 钻窝2 钻窝3 9 6 0 4 工作面 钻窝 4 工 8 1 作 0 0 面 2 钻窝5 8 6 1 6 。 一 3 8 3 7 9 备用孔 原J 3 孔 原 Z 2 5 4孔 总计 5 l 0 5 0 1 钻孔结构 开孔 1 2 7 m m ， 下 1 0 8 m m孔口 管， 终孔直径怊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 ／ mi n ； 长度单位 m Ta b l e 2 Th e mo n i t o r d a t a b e f o r e mi n i n g c o a l s 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 8 m 以下均有 5 L ／ min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 7 m 以下出现较大的漏失 量 ， 最大值达 1 2 L ／ rai n ， 说明原始裂隙发育． 9 - 3孔 怊幅幅 幅幅怊 4 6 6 4 3 7 5 6 1 5 3 6 4 0 O 5 _ ． 9 儿卯 够∞铝 ∞ ∞ 1 2 3 4 Cu 1 2 3 4 o b o b o b o b o b 维普资讯 中国矿业大学学报 第 3 4 卷 和 9 4孑 L 一直有涌水现象， 特别是 9 - 3 孑 L ， 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， 全孑 L 漏水， 漏失量大， 达 1 8 L ／ 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g a -N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孑 L 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 ． 5 m之间， 原始裂隙相 当发育， 最大漏失量达 工作面 9 - 1 孑 L 、 9 - 2 孔进行采后观测 ， 采后观测数据 1 2 L／ mi n ． 见表 3 ． 表 3 采后各钻孔观测数据 漏失量单位 L ／ rai n ； 长度单位 m Ta b l e 3 Th e mo n i t o r d a t a a f t e r mi n i n g c o a l s e a m 9 1 孔 9 - 2 孔 8 4孔8 - 5 孔 ．8 - 6孔 漏失量 孔深 2 5 2 7 2 9 31 3 3 3 5 37 3 8 4 0 4 2 4 4 4 6 4 8 4 9 5 0 5 2 ． 27 5 4 ． 27 5 6． 27 5 8 ． 2 7 6 0 ． 2 7 6 2． 27 6 4 ． 27 6 6 ． 2 7 6 8 ． 2 7 7 0 ． 27 6 6 1 5 1 4 ． 4 3 ． 4 1 ． 6 5 ． 8 1 1 2rai n 3 0 s后无 漏失 1 3 2 rai 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 0 L ／ ra i n ， 变形． 水压 1 ． 8MP a ． 扫孔后 只 能下 7 3 钻头． 漏 失量 对比各孔观测结果可知， 9 1 孔和 9 - 2孑 L 采后 底板 明显产生破坏 ， 最大漏失量达 5 L ／ mi n ． 9 - 1孔 最大破 坏深度 在孔 深的 4 4 m 处 ， 相 当于 1 2 ． 1 m 的“ 矿压破坏带” ． 比较该孑 L 采前和采后在孑 L 深 4 6 ～ 4 8 m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， 但最终没有同孑 L 深 4 4 m 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孑 L 破坏深度在孔深的 4 O m处， 相 当于 1 4 ． 2 m 的破坏 深度． 9 4号孑 L 采后 变形剧 烈， 扫孔时掉钻， 无法进行进一步观测． 9 - 3 号孑 L 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孔孔 口一 直涌水， 水量 1 2 O ～1 6 0 L ／ m in ， 即 7 ． 2 ～9 ． 6 m 3 ／ h ， 水压 1 ． 8 MP 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 ． 5 m． 8 5 孑 L 全孑 L 严重变形， 多次扫孔后， 也只能下 7 3 钻头， 且孑 L 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 ． 0 m． 另外， 五一 1 3 3 孑 L 与8 4 孔 ， 8 - 5 孔相距很近， 其采前涌水量为 1 5 L ／ m i n ， 采后 涌水量增加到 3 0 L ／ m 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孑 L 附近， 巷道底 臌严重， 采后底板上升 0 ． 5 m， 说明底板破坏非常 严重． 2 0 0 3 年 l 1 月 1日， 对 8 6 孑 L 进行采后观测， 发现从孑 L 深 1 8 m 一直到孑 L 深 3 2 m， 出现连续漏 水， 说明开采煤层底板破坏深度至少达孑 L 深 3 2 m， 相当于距 8煤层底板 2 1 ． 8 m． 采后的观测数据表明， 开采煤层底板在遭受到 深一 2 4 6 8 0 2 4 6 8 0 孔一 1 1 1 1 2 2 2 2 2 3 深一 3 4 6 8 0 2 4 6 8 孔一 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 2 4 4 4 4 4 4 4 4 4 维普资讯 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； Ⅲ原始损伤带； Ⅳ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”