承压水上采煤断层失稳突水的研究.pdf

太原理工大学 硕士学位论文 承压水上采煤断层失稳突水的研究 姓名刘志军 申请学位级别硕士 专业工程力学 指导教师胡耀青 20040501 太原理工大学硕士研究生学位论文 承压水上采煤断层失稳突水的研究 摘要 我国煤田地质条件复杂，许多煤矿不同程度的受奥灰岩含 水层的威胁，突水是采矿过程中常常面临的一种严重灾害。 随着采掘的延深、规模的扩大，突水灾害日益严重。大量工 程实例表明承压水的突出绝大多数是与断层有着直接关系 的。因此，对煤层顶底板的变形破坏规律、构造特征以及断 层各要素的研究都是防治奥灰岩含水层突水的关键问题。 作者在对承压水上采煤突水机理、有限单元法的计算理论 和计算方法深入研究的基础上，建立了含断层围岩变形破坏 的力学模型，并应用F o r t r a n 语言编制了有限元计算程序。 运用数值模拟的方法深入细致地分析了带压开采中围岩、煤 柱及断层的应力、位移分布规律；对影响煤层底板破坏突水 的诸多断层因素进行分析，得出了单一因素对突水的影响关 系、以及与突水临界煤柱的关系。在其他条件一定的条件下， 研究了断层倾角、厚度及断距等综合因素与煤柱合理留设的 相关规律，并给出了表达式。 承压水上采煤的数值模拟实验有助于我们合理留设煤柱 宽度、提出合理的开采方案，在开采中提高生产效率并避免 矿井突水事故的发生。 关键词承压水上采煤，断层突水，防水煤柱，数值模拟 多元回归 太原理工大学硕士研究生学位论文 T H ES T U D Y0 N Ⅵ A T E RI N R U S HT H R O U G H I N S T A B I L I T YF A U I 汀SF O RC A O LM I N G I N G A B O V EC O N F I N E D A Q U I F E R A B S T R A C T M a n y c o a lm i n ei no u r c o u n t r ys u f f e r sf r o mt h eO r d o v i c i a n p e r i o d K a r s t c o n t a i n i n g w a t e ri n r u s h f r e q u e n t l y d u et ot h e c o m p l e xg e o l o g yc o n d i t i o n ，W a t e ri n r u s hi s as e r i o u sd i s a s t e ri n c o a l m i n i n g ．A l o n g w i t ht h e m i n i n gd e e p l y a n dt h es c a l e e x t e n d s ，t h ed i s a s t m 。o fw a t e ri n r u s hi n c r e a s i n g l ys e r i o u s l y ．T h e l a r g eq u a n t i t yi n s t a n c ei n d i c a t et h a tg r e a tm a jo r i t yd i s a s t e ro f w a t e ri n r u s hi nc o a lm i n i n ga b o v ec o n f i n e d a q u i f e rh a v et h e d i r e c tr e l a t i o nw i t hf a u l t ．T h e r e f o r e ，s t u d yo nt h ed e f o r m a t i o n a n db r e a k a g el a wo fu p p e ra n dd o w nf l o o ro fc o a l l a y e r ，t h e c h a r a c t e ro ff o r m a t i o n ，e a c hf a u l tf a c t o ra r et h ek e y p r o b l e mf o r p r e v e n t i o nt h ew a t e r i n r u s h ． B a s e do nt h es t u d ya b o u tt h em e c h a n i s mo fw a t e ri n r u s h f r o mc o a ls e a mf l o o ri nc o a lm i n i n ga b o v ec o n f i n e da q u i f e ra n d t h ec o m p u t ep r i n c i p l ea n dc o m p u t em e t h o do ff i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，m e c h a n i c s m o d e li sm a d ea b o u t d i s p l a c e m e n t a n d f a i l u r eo nw a l lr o c kw h i c hc o n t a i nf a u l t ，a n dF E Mc a l c u l a t i o n p r o g r a mi sm a d e w i t h “F o r t r a n ”．W i t ht h em e t h o do fn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，t h ep a p e rs t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yt h ed i s t r i b u t i n gl a w o nt h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n to f u p p e ra n dd o w nf l o o ro f c o a l I l l a y e r ，c o a lp i l l a ra n df a u l t ；t h r o u g ha n a l y s i se a c h f a u l tf a c t o r s w h i c hi n f l u e n c ew a t e ri n r u s h ，g a i n e dr e l a t i o nt h a t e a c hf a c t o r i n f l u e n c ew a t e ri n r u s h ，a n d t h er e l a t i o n t h a tb e t w e e n t h e r e m a i n i n g c o a l p i l l a r a n dt h ef a c t o r s ．U n d e r t h ec e r t a i n c o n d i t i o n so fo t h e rf a c t o r s ，t h er e g u l a t i o n o fc o r r e l a t i n gi s 。t u d i e do nt h ef a u l t s ’d i pa n g l e ，t h i c k n e s s a n df a l lw i t ht h e r e m a i n i n gr e a s o n a b l e C O a lp i l l a r ． N u m e r i c a ls i m u l a t i o n f o rc o a l m i n i n g a b o v ec o n f i n e d a q u i f e ri sa d v a n t a g e o u s f o rU St oo f f e rr a t i o n a lw a t e r p r o o f c o a l p i l l a ra n dm i n i n gs c h e m e ，t oi m p r o v ep r o d u c t i v i t y a n de s c a p e a c c i d e n to fw a t e ri n r u s h ． K E YW O R D S c o a lm i n i n g a b o v ec o n f i n e da q u i f e r , w a t e r i n r u s h t h r o u g h f a u l t ，w a t e r p r o o f c o a l p i l l a r ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，M u l f i f a c t o rr e g r e s s i o n I I I 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．1 引言 第一章绪论 我国灰岩岩溶 K a r s t 的分都很广，面积大约有2 1 06 k m2 ，约 占全国总面积的五分之一。这些地区也正是重要的煤产地。据统 计有6 0 ％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2 3 0 多个，造成4 0 ％左右的煤炭资源不能正 常开采；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1 1 1 。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 产量的1 0 ％。因此关于带压开采的研究多年来一直是我国乃至世界 矿业工作者所关注的问题。 目前，全国煤矿遭受水害威胁的储量高达2 5 0 亿吨，主要分布 在约占全国产量5 0 ％的华北地区石炭二叠纪煤田。该煤田位于复杂 ’的岩溶水文地质类型区，主要受煤系底部灰岩强岩溶含水层的威 胁，突水事故频繁发生且突水量大【引。随着矿井向深部延伸，华北 地区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。 据不完全统计．北方型煤田受底板岩溶水威胁的煤层储量平均 约占总储量的1 8 ．6 ％；一些老矿区，则约占总储量的5 2 ％一8 7 ％ 见 表卜1 。 表卜l北方各煤矿区储量与受水威胁储量 受水威胁储量受水威胁储量 l煤矿区总储量 亿t 亿t ／总储量 ％ l焦作 5 ．6 54 。9 58 7 ．6 太原理工大学硕士研究生学位论文 峰峰4 9 邯郸 7 03 55 5 ．4 邢台7 5 韩城 1 2 ．77 ．8 36 1 ．7 澄合3 ．2 62 ．26 7 ．5 肥城 4 ．02 ．56 3 霍州南下庄 1 ．3 70 ．8 l5 9 ．1 合计9 6 ．9 85 3 ．2 95 5 我国煤矿区主要受三类水害的威胁。第一类是巨厚强含水冲积 层对其下覆煤层开采的威胁，第二类是具有强含水层或地表水体 补给的太原群岩溶灰岩含水层，对其上下煤层的威胁第三类是 厚层灰岩岩溶强含水层对上覆煤层开采的威胁。防治前两类水害 的煤层开采技术，已有了一套比较完整及成熟的经验而治理后 一类水害，即底板强岩溶承压含水层对煤层开采的威胁，尚缺乏 经验。但其影响范围极广，对煤层开采威胁最大．几乎所有大的 突水及淹井事故都是由这类水害引起的。 我国目前受底板岩溶承压水威胁的煤炭资源的开采，主要采用 “深降强排”、“外截内排”和“带压开采 承压水体上开采 ”三 种方法。1 ．所谓“深降强排”就是设置各种疏水工程 开凿专门疏 水井巷、大口径钻孔、安装潜水泵以及其他大能力的排水设各等 ， 将岩溶水水位降低到开采水平以下，确保安全开采。此法安全可 靠，但投资大，使排水费用增加，有时还可以引起地面的塌陷。 因此，这种方法应尽量少用或者不用。2 ．外截内排方案，比深降 强排方案改进了一步，它的实质是在井田或地段外围集中径流带 建立人工帷幕，截断矿井补给水源，在开采范围以内进行人工排 水，将承压水位降低到开采水平以下。这种方案可以大大减少深 降强排的缺陷，较有保证地达到疏降目的。但此方案只能适用于 特定的条件，即水文地质条件清楚，补给径流区集中帷幕截流 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 工程易于施工的地段。3 ．“带压开采”是在各大小矿井多处带压 开采的基础上总结出来的，其特点和内容是“以防为主，带压开 采，适当疏排，辅以截堵”。采前和开采过程中，可在矿区外围截 堵地下水的补给源，尽量减少奥灰水的动储量；同时，在带压开 采中视矿井涌水量大小和承压大小进行适当的疏水降压，以达到 安全开采的目的。此时，承压水的水位高于开采水平，因此叫带 压开采。该方案安全、经济、合理，对大多数开采地质条件都可 以推广使用。故改革采煤方法及采煤工艺，实现承压水体上开采 不仅具有吨煤成本低等优点，而且对地面资源和环境的破坏也小。 因此，底板承压水上带压开采的理论研究及生产实践受到了人们 的高度重视。所以，探讨采掘过程中底板突水的机理就显得越来 越重要。 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， 绝大多数是与断层有着直接关系的。因此，研究断层的突水机制、 各断层因素影响下煤柱的合理．留设将是一件很有意义的工作。本 文将就采煤过程中底板断层突水的影响因素进行分析研究。 1 ．2 国内外研究现状 采场底板突水的威胁一直在影响着煤矿生产和安全，尤其当有 断层存在时，这种影响作用更加突出。从4 0 年代起，国际上就开 始注意底板突水机理的研究了。近年来，国内外更加重视该项工 作。对承压水上开采煤层底板突水问题的研究，国内外学者进行 了一些有益的探索和尝试。下面简要回顾一下这一方面的工作成 果。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．2 ．1 国外学者的研究成果 国外对煤矿水害研究的重点放在矿井水对地下水质的污染上 [ 3 - 7 1 ，而对煤层底板突水，尤其是奥灰岩含水层的突水研究相对较 少。 在早期，原苏联学者A ．A B O P N C O B 采用相似材料三维模型对 煤层开采后底板岩层的变形过程进行了研究。 4 0 年代至5 0 年代，以静力学理论为基础研究了煤层底板在承 压水作用下的破坏机制。其代表性成果是苏联学者B 斯列萨列夫 将煤层底板视作两端固定的承受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，即 P o 2 K 。h 2 ／∥ 加 式中只一底板所能承受的理论安全水压值，M P a K 。一隔水层的抗张强度，M P a h 一底板隔水层厚度，m ； ￡一工作面最大控顶距或巷道宽度，m y 一底板隔水层平均容重，k g ／m 3 。 6 0 年代至7 0 年代，仍以静力学理论为基础，并结合地质因素， 主要是考虑隔水层岩性和强度，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。 7 0 年代至8 0 年代末期，很多国家的岩石力学工作者在研究矿 柱的稳定性时研究了底板的破坏机理。其中最有代表性的人物是 c F S a n t o s 桑托斯 、Z T B i e n i a w s k i 宾尼威斯基 。他们 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 基于改进的H o e k - - B r o w n 岩体强度淮则，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B M R 相关的无量纲参数m 和s ，分析了底板的承载能力 [ 8 1 。由于该理论从底板的承载能力出发，既不需考虑水压的影响， 也不需考虑隔水层、采面条件等，因此它仅对采动底板破坏机理 研究具有参考价值。 1 ．2 ．2国内学者的研究成果 我国学者早在6 0 年代就开始了对煤矿承压底板突水破坏规律 的研究。进入8 0 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重，所以人们对采场底板突水机理 的研究也越来越深入，除一些现场工程技术人员在生产实际中， 不断总结突水机理和规律外，煤科总院西安勘探分院、煤科总院 北京开采所、太原理工大学、西安科技学院、山东科技大学、中 国矿业大学、中国科学院地质研究所等科研机构都做了大量细致 的研究工作，并取得了显著的成果。 1 突水系数法 我国一些煤矿，早在1 9 6 4 年就开始采用突水系数作为预测煤 层底板突水与否的标准，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‘9 ，1 0 】。突水系数就是水压力与极限隔水层厚度的比 值，即 K p ／h 式中足为突水系数 P 为含水层水压，M P a ， 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 h 为隔水层厚度，m ． 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，7 0 ～8 0 年代，煤炭科学研究总院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 L ￡ 6 ∑ q h p z J ’～‘ 式中 一隔水层第i 分层厚度。m q 一隔水层第乃} 层等效厚度的换算系数 h 。一矿压对底板的破坏深度，I l l 。 2 “下三带”理论 山东矿院、峰峰矿务局、井陉矿务局的科研人员于8 0 年 代初期提出了“下三带”观点，后由山东矿院荆自刚、李白英、 孙振鹏、高航、高延法等人，深入隔水层内部经过几年综合观测 并结合相似材料模拟、有限元分析等研究工作后上升为理论的高 度，即“下三带”理论‘1 卜1 4 ] 。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 生了升高所至。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 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 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 岩一水应力关系法 现场矿压观测与底板岩体变形规律的研究表明，底板突水是 矿压和底板承压水压力共同作用的结果。在工作面超前支承压力 作用下，底板岩层呈压缩状态；而在煤壁边缘和采空区内部，底 扳岩体由于卸压而处于膨胀状态。底板岩体在由压缩向膨胀的转 化过程中，将不可避免地产生剪切和张拉破坏。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存在导水破裂带。无论是地质构造作用还是采掘引起的岩体破 坏，只要使底板隔水层破坏至一定深度，且与下部导升高度相通 或波及到下部含水层，就具备了突水的必要条件。此时底板岩层 由于强度下降，底板渗流强度增加，但未必一定产生突水；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，底板水在水压力的驱动下，可以 突破底板岩层裂隙带水平方向应力的约束，穿越岩体破裂带构成 突水。岩一水应力关系法建立的突水临界指数为 ，墨 盯2 式中只一作用于底板上的承压水压力，M P a ； 仃，一水平最小主应力，M P a ； 当指数， l 是，底板发生突水 4 原位张裂与零位破坏理论 ． 王作宇等提出了底板移动的原位张裂和零位破坏理论【1 , 1 5 ．17 ] 。 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 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 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。 5 板模型理论 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[ 1 s - 2 2 1 。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c o u l o m b - - M o h r 强度理论和G r i f f i t h 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 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 K e ys t r a t u m 理论【2 3 。27 1 。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 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 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。 另外，朱德仁等提出了底板突水准则与底板岩体破坏的工程准 则应该是两个不同的概念，认为突水准则应该是工程准则，破坏 准则应是强度准则1 2 “。 施龙青1 29 1 、肖洪天【3 0 】利用几何损伤力学理论研究了煤层底板 损伤破坏突水机理。张文泉等【3 1 , 3 2 】根据统计资料，对突水灾害的 空间分布规律、隔水层带的阻水性能及其影响因素进行了研究。 连传杰、娄华君、张文泉等从不同角度，并注意结合现代力学与 计算机应用，对底扳突水机理及预测方法研究做了一些工作。另 外，许多现场工作人员如张希诚1 3 3 1 、I - 昌森【34 1 、胡宽【3 5 l 等在突 水机理研究方面也做了一定的工作。 7 断层突水的研究 杨善安1 3 6 】详细分析了断层在采空区的位置及要素与突水的关 系，得出断层面倾向采空区方向的采空区边界底板断层最容易发 生突水事故，尤其是当断层倾角同最大膨胀线相吻合时，突水最 容易发生。 黎良杰、钱鸣高等‘3 7 1 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 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 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。 谭志祥【3 8 】利用力学平衡的原理，计算底板断层在垂向方向承受 的压力，当垂向方向的压力不平衡时，可能发生突水事故，并给 出了底板及断层附近是否突水的判别公式。该力学模型把底板简 化为自由边界，与实际情况有较大的出入，但其研究方法值得参 考。 邱秀梅[ 3 9 1 利用重整化群方法研究了断层单元体破裂的随机性 和关联性，并对断层导水裂隙的扩展规律进行了分析。得出如下 的结论当所旖加应力仅使断层单元的破坏率P 小于临界破坏率 P 。时，系统破坏仅是局部的；当P 大于临界破坏率P 。时，原有随 机无序分布的裂隙逐渐向断层中的最大剪应力面吸引集中，直至 各裂隙贯通，形成导水通道，引发断层突水。 李晓昭等[ 4 0 , 4 1 】提出断层带会成为地下空间开挖后变形和应力 传播的“屏障”，造成断层带与开挖空间之间应力和变形强烈积聚， 断裂带内产生指向开挖空间的较大回弹位移和位移梯度，从而导 致断层带内张性裂隙的产生和地下水的透入。 白峰青【4 2 J 基于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[ 4 3 1 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 式矽 ％ ％ K ，式中呒为断层裂隙带宽度，％为弹性 核宽度，矾为屈服带宽度。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 施龙青【4 4 】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。 另外，b 昌森【4 那基于大量的现场突水资料，探讨了在矿压作用 下，地质构造的存在更容易引起底板突水；杨映涛【4 卅利用相似模 拟研究了底板突水机理，得出了有断层底板突水的可能性，与断 层的位置和角度有关刘燕学【4 ”，探讨了断层构造对底板突水的 控制作用，定性分析了相同的地质条件下，断裂破坏带突水的可 能性较正常岩层突水可能性显著提高；杨新安【4 8 】将断层突水分为 大断层突水与小断层 落差为几米的一条或几条断层构成的破碎 带， 突水，并分别分析了各自突水的特点和突水机理；武强【49 J 阐 述了断层滞后突水的弱化机理和主要控制因素，提出了煤层底板 断裂构造突水时间弱化效应的新概念；杜文堂【50 1 ，使用了可靠度 分析的“J c ”方法，分析了水压力、煤层抗张强度及突水系数的 不确定性，建立了防水煤柱可靠度分析的极限状态方程；郑少河口l j 采用固流耦合方法，对开采布局进行了分析，指出现开采上盘后 开采下盘的新思路；周钢p 2 】采用相似模拟探讨了断层上、下盘的 开采顺序、推进方向及煤柱尺寸对断层导水危险性的影响。 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 复杂性，研究中大多没有考虑水压的作用，没有对断层本身的性 态及其产状要素做深入细致的分析，多以定性为主，为加强生产 安全，只有加大煤柱的安全系数，从而导致大量的煤炭资源浪费。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 。3 本文的研究内容、方法和意义 1 ．3 ．1研究内容 针对承压水上采煤底板突水这一问题，由于时间和精力有限， 本文仅研究采动影响下底板的应力、位移分布特征与变化规律， 及其不同结构、位置的断层对底板突水的影响，具体研究内容有 以下两个方面。 1 研究随工作面推进煤层底板在矿压与水压作用下的应力分 布特征与运移规律。 采用有限元模拟合对比分析等方法，研究了工作面推进过程中 不同产状的断层对底板应力及位移的动态影响规律。 2 对底板岩体的破坏规律与突水临界值进行研究，通过多个 方案的对比，得出不同的断层条件下底板岩体的破坏规律，进而 留设合理的断层防水煤柱 1 ．3 ．2 研究方法 根据底板岩体结构特征与底板突水的关系，采用理论分析与数 值模拟相结合的方法，通过建立承压底板突水的实体模型和有限 元计算模型，研究断层对采场底板突水破坏的影响，建立底板突 水的预测、预报的函数表达式。 1 根据工作面推进的实际情况，建立数值模型，采用有限元 法模拟开采过程中底板豹应力分布特征与变化规律 2 根据不同断层产状要素建立相应的数值模型，并通过数值 计算找到不同断层要素对底板应力的影响规律，进一步对煤柱留 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 设拟合出相应的表达式。 13 ．3 研究的意义 长期以来，断层失稳突水严重制约着受底板岩溶承压水威胁的 煤田的大量煤炭资源的开采。尤其是随着采深的加大，断层失稳 突水的危害性日益加重。因此，为适应煤炭生产的迅速发展，对 采掘过程中断层失稳突水机理的规律性进行系统研究，解放更大 范围的受承压水威胁的煤炭储量，将具有十分显要的现实与深远 意义。 对此，我国煤矿工作者对底板突水作了大量的研究工作，提出 了多种突水判据及理论。这些成果在不同时期不同程度上为防治 煤矿底板突水起到了积极的指导作用。但不可否认的是上述研究 存在着明显的缺点一是未考虑岩层中裂隙对岩体整体强度和导 水性的影响二是始终将底板岩层与水分开来研究，未考虑岩体 与水的相互作用三是断层作为煤层突水的主要因素，始终未对 其进行较为全面系统的研究。以上简化在一定条件下是合理的， 但在大多数情况下却存在着较大的偏差，甚至是错误。因此解决 煤层底板突水问题应在考虑原岩应力、地质构造、地下水、采动 影响等因素基础上，从应力场和渗流场共同作用的角度出发，研 究含底板岩体在内的采场岩体系统的变形与破坏，特别是控制断 层的变形与渗透性的变化，将会给底板突水的研究带来更为吻合 切实的解答[ 5 3 - 6 0 】。本文依据以上思路，根据断层产状要素的不同 特点，从固流耦合的角度出发，建立了针对承压水上采煤的裂隙 岩体水力学模型。通过有限元计算，详细阐述了断层因素对突水 的影响关系。 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 第2 章煤层底板突水的类型及其机理 承压水上采煤底板突水是在矿井工程地质与水文地质条件下， 采掘扰动和奥灰水共同作用的结果，只有工程地质、水文地质具 备突水的前提下，采掘活动才有可能诱发突水。所以，突水是固 流耦合合作用的结果，是固体围岩应力场与渗流场在采掘扰动下 耦合作用的结果。 在分析煤层底板突水条件时，亦从三个方面加以分析承压水 条件及底板渗透性、地质构造特征和开采布局。其中承压水条件 及底板渗透性是底板突水的基本因素；地质构造是突水的决定因 素大量的统计结果表明，突水绝大多数是与断层有着直接关系 的，9 0 ％以上的突水发生在断层带本身及邻近范围内，其中断层突 水占7 4 ％，断层影响突水占2 3 ％，突水在完整底板情况下很少发生。 因此在研究承压水上采煤问题时，应着重研究断层的变化情况。 开采布局则是底板突水的控制因素。在引起突水的三因素中，前 两个因素是非人为的，只有开采布局及方法是可以人为控制的。 因此用固流耦合方法研究煤层底板突水，就是在详细分析前两个 因素的基础上，通过考虑两场相互作用，找出各断层要素对突水 的影响规律，从而选取合理的开采布局，选取合理的保护煤柱， 以防止突水事故的发生。 2 ．1 底板突水的类型 底板突水是一种复杂的地质开采现象研究它的发生、发展规 律是进行突水预测预报的前提，是制定合理开采方案和预防措施 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 的依据。因此。研究突水的机理，对突水进行分类是首为重要的。 同时各种不同类型的底板突水在其成因上是不相同的，为了查明 底板突水产生的原因与条件，我们首先要对底板突水进行分类。 在分类时，主要考虑突水的位置、动态以及突水量的大小。 2 ．1 ．1 按突水发生的地点划分； 采矿工作面底板突水和掘进工作面底板突水，其中工作面突水 多于掘进工作面突水，其突水成因却有根本的不同。 采矿工作面底板突水造成突水的原因主要是由于采矿破坏造 成的。在矿压作用下，促使采空区四周边界附近的底板发生底鼓。 使隔水层遭到破坏，一旦遇到构造裂隙，承压水便沿着构造裂隙 乘虚而人，造成突水事故的发生。 掘进工作面的底板突水其突水原因是以构造破坏为主。这种 情况多数是承压水通过断裂或构造破碎带早已进入底板隔水 层．或者断层本身就是充水断层，当掘进巷道接近或揭露这些断 层时，在水压的作用下，岩溶水就突入掘进工作面。 2 ．1 ．2 按突水的动态分 有爆发型、缓冲型及滞后型三种情形。 爆发型；主要是由于存在充水断层加上突水处的底板隔水能力 很弱引起的．其突水的特点为来势猛、速度快、冲击力强、突水 量瞬间即可达到峰值，往往属于大型突水。 缓冲型主要是由采矿、构造破坏等迭加作用所造成的。由于 突水处尚有一定的隔水能力，故突水来的缓慢．且突水之前常表 观为底鼓，突水后，水量则是由小到大，同时水量达到峰值的时 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 间是在几天至几个月。这种突水类型最为普遍，一般多发生在正 在采掘的工作面。 滞后型主要是承压水沿裂隙长期冲蚀以及矿压持续作用的结 果。这种突水类型比较少，一般发生在老巷或采空区中，滞后时 间通常为几天或几个月。 2 ．1 ．3 按水量划分 可分为特大型、大型、中型和小型四种情形。 特大型突水水量在5 0 m 3 ／m i n 以上。危害性严重，能造成淹井 事故 大型突水水量在2 0 ～4 9 m 3 ／r a i n 之间，危害亦大，也能造成 淹井。 中型突水；水量在5 ～1 9 m 3 ／m i n 之间，可淹一个采区。 小型突水水量在5 m 3 ／r a i n 以下．一般可排出。危害不大。 2 ．2 影响底板突水的因素 采掘过程中，造成底板突水的因素是多方面的，是多种因素综 合作用的结果。根据现场实际观测及有关理论分析，认为影响底 板突水的因素主要有以下几个方面。见表 2 1 2 ．2 ．1 地质构造 断裂构造薄弱带及节理是造成突水的主要因素。大量资料表 明，8 0 7 6 以上的底板突水是发生在断裂构造附近，实体隔水层的岩 体强度几倍几十倍于岩溶水的水压，水压和矿压破坏隔水层形成 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 新的突水通道的能力是有限的。底板突水通道几乎都是底板隔水 层中原有断裂裂隙所形成的。底板突水首先要有带压的水体，其 次要有突水通道。1 ．断裂构造的存在破坏了底板的完整性，降低 了底板的抗张强度；断层带破碎、软弱，大大降低隔水层的实际 强度，容易形成导水通道；2 ．断层上下两盘错动的结果，缩短了 煤层与含水层的 表2 - 1 矿井突水主要因素表 距离，甚至使煤层T a b l e2 ．1T h ef a c t o r st h a ta f f e c t i n gw a t e ri n v a s i o n - 与含水层之间对 口，减小底板隔水 层的有效厚度；3 ． 断裂构造可以充 水或导水，更使水 文地质条件复杂 化4 ．正断层的上 盘、逆断层的下盘 易突水。这是由于 断层将煤层与底 板含水层之间的 距离缩短甚至直 接使两者对口，使 有效隔水层厚度 变小甚至消失，加 是否有断层构造及其规模大小 隔水岩体厚度 岩性及其排列顺序 水压 承压含水层富水性 岩溶发育程度 断层类型及规模 断层带及充填致密程度 岩体内部构造 采掘空间与断层空间关系 断层导水性 采空尺寸 采动影响采掘方式 采后二次应力 地应力岩体内部构造 之断层带破碎，易成为突水通道，在靠近断层掘进或回采时易发． 生突水。 2 ．2 ．2 采矿活动 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 采矿条件主要包括开采厚度或煤层厚度，厚煤层分层开采厚度 和次数，急倾斜煤层的阶段垂高、采面尺寸、采煤和顶板管理方 法等