高承压水上底板采动岩体裂隙演化规律研究.pdf

第4 6 卷第7 期 2 0 1 8 年7月 煤 炭科 学技 术 Co a l S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y Vo 1 ． 46 No ． 7 J u l y 2 01 8 高承压水上底板 采动岩体 裂隙演化规律研 究 陈军涛 ， 武强 ， 尹立明 ， 张文泉 ， 谭文峰 1 ． 中国矿业大学 北京地球科学与测绘工程学 院， 北京1 0 0 0 8 3 ； 2 ． 山东科技大学 矿 山灾害预防控制省部共建 国家重点实验室培育基地 山东 青岛2 6 6 5 9 0 ； 3 ． 山东能源集团山东新巨龙能源有限责任公司， 山东 菏泽2 7 4 9 1 8 摘要 为深入研究深部 高应力、 高水压和强开采扰动复杂环境下的岩体破 裂问题， 按 裂隙产生的位 置和机理， 将深部底板采动岩体裂隙分为剪切裂隙、 层向裂隙和竖向张裂 隙， 利用力学知识分别演算 获得 了三种类型岩体裂隙的起裂准则。借助“ 钻孔双端封堵侧 漏装置” 对赵各庄煤矿 1 2 3 7工作面进 行 的底板破坏实测结果， 研究了深部底板采动岩体 的裂隙演化实测规律。结果表明 煤层采深越 大， 底板采动破坏深度越大； 煤层开采过程 中深部底板采动岩体的原生裂隙呈现先闭合后张开再闭合 ， 新 生裂隙起裂发育后逐渐闭合的演化规律 ； 底板岩体破坏的初始位置和裂隙发育程度与岩层的岩性 、 受 力等 因素有关， 验证 了深部底板采动岩体裂隙起裂准则分析的准确性。 关键词 采动岩体 ； 裂隙起裂准则； 高承压水 ； 注水漏失量 ； 深部开采 中图分类号 T D 3 5 3 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 2 3 3 6 2 0 1 8 0 7 0 0 5 4 0 7 La w o f c r a c k e v o l ut i o n i n flo o r r o c k ma s s a b o v e h i g h c o nfin e d wa t e r C H E N J u n t a o ， wu Q i a n g ， Y I N L i m i n g ， Z H A N G We n q u a n ， T A N We n f e n g 1 ． C o l l e g e o fG e o s c i e n c e s a n d S u r v e y i n g E n g i n e e r i n g ， C h i n a U n i v e r s i t y ofMi n i n g a n d T e c h n o l o g y B e ij i n g ， B e r i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； 2 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y of Mi n i n g D i s a s t e r P r e v e n t i o n a n d C o n t r o l C o - f o u n d e d b y S h a n d o n g P r o v i n c e a n d t h e Mi n i s t r y of S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， S h a n d o n g U n iv e r s i t y ofS c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Q i n g d a o 2 6 6 5 9 0 ， C h i n a ； 3 ． S h a n d o n g E n e r g y G r o u p X i n J u l o n g C o ． ， L t d ． ， H e z e 2 7 4 9 1 8 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o d e e p l y s t u d y t h e f r a c t u r e o f r o c k ma s s i n d e e p mi n e s wi t h h i g h s t r e s s ， h i g h w a t e r p r e s s u r e a n d s t r o n g mi n i n g d i s t u r b a nc e， c r a c k s o f flo o r r o c k ma s s a f t e r mi ni n g we r e c l a s s i fie d i nt o s he a r c r a c k， l a y e r c r a c k a n d v e r t i c a l o pe n i n g c r a c k a c c o r d i n g t o t h ei r f o r ma ri o n s i t e s a n d me c h a n i s ms ． S i mu ha n e o u s l y， t h e i n i t i a t i o n c r i t e r i o n s o f t h e s e t h r e e c r a c k s w e r e c a l c u l a t e d b y t h e o r e t i c a l a n a l y s i s ． F h r o u g h t h e mo n i t o r i n g r e s u l t s o f f a i l u r e fl o o r a t N o ． 1 2 3 7 wo r k i n g f a c e i n Z h a o g e z h u a n g C o a l Mi n e b y a p p a r a t u s w i t h d o u b l e e n d e d r e s i s t i n g w a t e r a n d me a s u r i n g l e a k a g e， t he c r a c k e v o l ut i o n l a w o f d e e p flo o r wa s i n v e s t i g a t e d． T he r e s u l t s i n d i c a t e d t ha t t h e de e pe r mi n i n g， t h e d e e pe r f a i l u r e flo o r ； a nd t he p r e e x i s t i ng c r a c ks o f flo o r r o c k mas s a f t e r mi n i ng p r e s e n t s t h e c ha ng e pr o c e s s o f c l o s e o pe n c l o s e．a nd i n i t i a t i o n一 l o s e t o t h e n e w c r a c k s o f r o c k ma s s ； t h e i n i t i a l p o s i t i o n a n d d e v e l o p me n t o f f a i l u r e fl o o r r o c k ma s s a r e a s s o c i a t e d w i t h s o me f a c t o r s s u c h a s r o c k l i t h o l o g y， s t r e s s， whi c h v a l i d a t e d t h e a c c ur a c y o f c r a c k i n i t i a t i o n c r i t e r i o n s t o s h e a r c r a c k，l a y e r c r a c k a n d v e r t i c a l o p e n i n g c r a c k p r e s e n t e d i n fl o o r r o c k ma s s ． Ke y wor ds r o c k ma s s a f t e r mi n i n g； c r a c k i n i t i a t i o n c r i t e r i o n； hi g h c o n f i ne d wa t e r； b o r e h o l e flo w； de e p mi n i ng 0引 言 随着矿井开采深度 的逐年增加 ， 煤层底板受到 的水压越来越高 。我国华北地区埋深在 1 0 0 0 n l 以 下的煤炭资源约 2 ． 9 5万亿 t ， 占我国煤炭资源总量 的 5 3 ％， 而该 区域广泛发育有薄层灰岩和奥陶系巨 厚层灰岩， 部分水压甚至超过了 1 0 M P a ， 高承压 水 问题严重影响 了深部煤层 的安 全高效开采。因 此 ， 设法将深部高承压水上的煤层解放出来 ， 实现煤 炭资源的安全绿色开采 ， 成为深部矿井亟需解决 的 收稿 日期 2 0 1 8 0 5 1 5 ； 责任编辑 杨正凯D OI 1 0 ． 1 3 1 9 9 ／ j ． c n k i ． c s t ． 2 0 1 8 ． 0 7 ． 0 0 8 基金项 目 国家 自然科学基金青年科学基金资助项 目 5 1 6 0 4 1 6 7 ； 中国博士后科学基金 资助项 目 2 0 1 6 M6 0 1 1 7 1 ； 山东省重点研 发计 划资助项 日 2 0 1 8 G S F 1 1 7 0 1 8 ； 矿山灾 害预 防控制省部共建国家重点 实验室培育基地开放课 题基金资助项 目 MD P C 2 0 1 6 Z R O 1 作者简介 陈军涛 1 9 8 5 一 ， 男， 山东临朐人， 讲师， 硕士生导师， 博士。通讯作者 尹立明， 副教授， 博士。E - m a i l y i n l i m i n g s d u s t ． e d u ． C Y I 引用格式 陈军涛 ， 武强 ， 尹立明 ， 等 ．高承压水上底板采动岩体裂 隙演化规律研究[ J ] ．煤炭科学技术 ， 2 0 1 8 ， 4 6 7 5 4 - 6 0 ， 1 4 0 ． C HE N J u n t a o ， wu Q i a n g ， Y I N L i m i n g ， e t a 1 ． L a w o f c r a c k e v o l u t i o n i n fl o o r r o c k ma s s a b o v e h i g h c o n f i n e d w a t e r [ J ] ． C o a l S c i e n c e a n d T e e h n o l o - g Y， 2 0 1 8 ， 4 6 7 5 4 6 0 ， 1 4 0 ． 5 4 陈军涛等 高承压水上底板采动岩体裂隙演化规律研究 2 0 1 8年第 7期 实际问题。 近年来 ， 国内外专家学者从深部突水机理、 突水 灾害预警 、 注浆治理岩层 、 突水危 险性评价等方面对 高承压水上的采煤问题进行 了大量研究 ， 取得 了许 多指导性 的科学成果 ， 如文献 [ 2 3 ] 基于不同地质 构造 的煤层底板突水机理 ， 将深部底板突水灾变模 式划分为完整底板裂 隙扩展型 、 原生通道导通 型和 隐伏构造滑剪型 3种类型 ； 武强等 对开滦赵各庄 矿 1 3水平 F 断层破碎带 的物质进行 了单轴、 三轴 常规和流变力学试验 ， 提 出了煤层底 板断裂构造突 水时间弱化效应 的新概念 ， 丰富 了我国华北煤 田的 底板突水理论 ； 靳德武等 研制 开发了一套 基于 光纤光栅通信和传感技术的新型煤层底板突水监测 预警系统， 构建了岩溶水害防治技术方法体系； 文献 [ 7 8 ] 针对王楼煤矿断层滞后 突水 防治工程 ， 确定 了监测预警时间域与空 间域 ， 建立 了监测预警判识 准则 ， 同时针对断层滞后突水机理 ， 研发了一种低成 本水泥基注浆材料。 以上研究成果对深部高承压水的预防和治理起 到了非常好的指导作用 。深部底板突水其实是多场 耦合作用下采动岩体裂隙起裂 、 扩展 、 贯通形成突水 通道的最终表现 ， 而学者们很少从岩体裂隙演化 的 微观角度对深部突水问题进行实质性的分析， 加之 复杂的深部地质动力条件使得底板裂隙发育更具无 规律性 ， 加大了高承压水上岩体裂隙演化研究 的难 度 。作者前期基于 自主研制的高水压底板突水相似 模拟试验系统等设备 ， 研制 出了模拟深部隔水层 的 新型固流耦合相似材料 ， 建立 了深部承压水上含小 断层底板裂 隙演化及导水通道形成 的模型_ 9 ， 从 试验方面初步获得 了底板 采动岩体裂 隙的发育规 律 。为进一步理清深部岩体裂隙的形成机理和演化 过程 ， 本文对深部高应力下 、 高承压水上底板采动岩 体出现的裂 隙形态 、 裂 隙起裂 的力学机制等方面进 行详细分 析 ， 同时结 合开 滦矿 业集 团赵各 庄 煤矿 1 2 3 7工作面的底板钻孔注水情况 ， 进一步研究深部 底板采动岩体裂 隙的演化规律 ， 以期为我国华北煤 田高承压水上煤层的安全开采提供一些有价值的指 导性结论 。 1 深部底板采动岩体 的裂隙分类 深部煤层开采过程中， 底板岩体裂隙的起裂 、 成 核、 扩展及相互作用对岩体破裂起着显著的影响作 用。2 0世纪 5 0年代 以来 ， 国内外专家学者开 始了 对材料裂隙演化的初步研究工作 ， 如 I r w i n等按力学 特征将裂纹分为张开型I型 、 滑开型I I 型 和撕 开型 I l I 型 ； 谢和平等根据岩样内部 自然裂隙的空 间分布和组合方式 ， 将 自然裂 隙分为单一型 、 平行 型、 交叉型和混合型_ l 。为进一步研究深部高承压 水上突水灾害发生前底板岩体裂隙的发育及演化规 律 ， 本文基于深部矿井底板破坏的现场实测资料 ， 分 析 了煤层开采前后底板采动岩体产生 的裂隙形态 ， 按裂隙产生的位置和机理将底板采动岩体裂隙分为 剪切裂隙、 层向裂隙和竖向张裂隙， 剪切裂隙产生于 底板受力压缩和膨胀 区的交界处 ， 层 向裂隙产 生于 采空区底板中深部岩体处 ， 竖 向张裂隙产生 于采空 区底板浅部岩体处 ， 裂隙分布如图 1 所示。 图 1 深部底板采动岩体裂隙的分布形态 Fi g． 1 Di s t r i b ut i o n f o r m o f flo o r c r a c k s a f t e r de e p mi n i n g 2 深部底板采动岩体裂隙的起裂准则 2 ． 1 剪切裂隙起裂准则 假设深部底板采动岩体 内含有一裂隙面 口 6 ， 裂 隙的外法线 n与水平方向的夹角为 o t ， 岩体受到主 应力 o - 、 o r 及渗流压力 P的作用 ， 如图 2所示 ， 则 岩体裂隙面 。 6所受的正应力 与剪应力 r 分 别为 一 l 3 ／ 2 or 1一 3 C O S 2 o J2一P r 1 一 3 s i n 2 a ／ 2 1 2 图2 岩体裂隙面的应力状态 F i g ． 2 S t r e s s s t a t e o f r o c k ma s s c r a c k 由摩尔一 库仑强度准则可知 ， 岩体裂隙面 。 6的 剪切应力为 5 5 2 0 1 8 年 第7 期 煤 炭 科 学 技 术 第4 6 卷 c0“t a n西 3 式 中 C 为裂隙的黏结力； 为裂隙的内摩擦角。 当 ， _ 一 C t a n 0时 ， 裂隙面 0 6 将 沿斜面发生剪切滑动 ， 整理可得 f a rc s 1．n 咖 1 ／，2 l I ＼ 0“1一 O “ 3 。 ／ 4 当岩体裂隙面外法线与水平方 向的夹角 满足 式 4 时 ， 采动岩体裂隙将发生起裂产生新的裂隙。 所以， 式 4 为岩体剪切裂隙的起裂准则。 从式 4 中可以看出， 岩体剪切裂隙起裂与否 与岩体的黏结力 、 内摩擦角 、 主应力及渗透压力等因 素有关 。当岩体裂隙的外法线 n与水平方向的夹角 、主应力 ． 、 ， 及渗流压力P越大， 岩体越容易发 生剪切滑移产生裂隙 ， 即深部高渗透压力 、 高地应力 环境加剧了采动岩体裂隙发生剪切起裂的可能性。 2 - 2 层 向裂隙起裂准则 高地应力、 强开采扰动和高承压水作用下 ， 底板 岩体受到水平挤压力的作用 ， 由于岩层岩性的差异 ， 各岩层将产生不同程度的向上弯 曲。此时 ， 底板岩 层间的薄弱结构面将产生法 向张开与水平剪切两种 层 向裂隙。 1 法向张开层 向裂 隙当弯 曲岩体 中上部岩 层 的抗弯刚度小 于下部岩层 的抗 弯刚度时 ， 上下岩层 间将产生法 向张开层 向裂 隙， 如 图 3 a 所示 ， 而岩层 的弯曲程度可以用刚度指标进行计算 K P 5 式中 为岩层 刚度 ； P为岩体所受 的合力载荷 ； 6 为岩体在压力P作用下法向产生的位移。 法向张开屡向裂 隙 b 水 、 剪切 图3 层向裂隙形态 Fi g． 3 Mo r p ho l o g y o f l a y e r c r a c k 当K 6 假设相邻岩层受到的合 力载荷几乎相同 ， 即上部岩层的弯 曲位移大于下 部岩层的弯曲位移 ， 此时岩层问将会产生法 向张开 裂隙 ； 其中 下角 u表示上部岩层 ， 下角 d表示下部 岩层。由材料力学可知 5 6 ⋯⋯ 6 式 中 为岩层的挠度 ； 为梁支承条件 的决定系 数 ， 固定梁时取 1 ， 简支梁时取 5 ； 为岩层容重 ； L 为岩层的弯曲跨度 ； ／ T t 为岩层厚度 ； E为岩层 的弹 性模量 。 当6 6 时， 即 ／ E m y d ／ E d m j ， 将 产生法向张开层向裂隙。所以， 法向张开层向裂隙 起裂的力学准则为 ／ E rn ／ E m 。可 以看出， 岩体法向张开层向裂 隙的起裂与上下相邻 岩层的容重 、 弹性模量和厚度有关 ， 上下相邻岩层的 岩性差异越大 ， 越容易产生法向张开层 向裂隙。 2 水平剪切层 向裂隙。当岩体 中上下相邻岩 层满足 ／ E m ≤y d ／ E rn ， 则不会产生法向 张开层向裂隙， 而当上下相邻 岩层受到的水平应力 不等时 ， 若作用在上下相邻岩层间的剪应 力大于黏 结力， 则岩层间将产生水平剪切层向裂隙， 如图 3 b 所示 。水平剪切层 向裂隙受到的剪应力为 rC 0“ t a n西。假设岩层间的极限剪应力为 [ ]， 则水平 剪切层向裂隙起裂的力学准则为 [ 丁 ]。 2 ． 3 竖 向张裂隙起裂准则 建立如图 4所示 的深部底板受力模 型 沿垂直 走 向方向 ， 以垂直地面向下为 轴方 向， 以垂直煤 层走 向为 Y轴方向 ， 建立 x o y坐标 系。煤层开采时 ， 顶板支承压力对底板的作用力从原点 0向右分别为 原岩应力 区 。 6 、 开切 眼外应 力场 的应力降低 区 6 c 、 开切眼外应力场的应力增高区 c d 、 开切眼内应力场 的应力降低区d e 、 开切眼内应力场的应力增高区 、 采空区岩石垮落区居 、 煤层采前 内应力增高区 、 煤层采前 内应力降低区 、 煤层采前外应力增高 区 、煤层采前外应力降低 区 、 原岩应力区 共 1 1 段 区域 ， 每段应力区长度分别为 l ， 。 一 y l ， 应力集度分别 为 q 。 一 q 含水层水压集度为 q 。 ， 隔水层 中任意点 P 的坐标为 ， Y ， P点距含水层的距离为 ， 底板岩 体的重度为 。 如图 4所示 ， 深部底板隔水层受到顶板支承压 力和高承压水的共 同作用力 。根据深部底板力学模 型和弹性力学半平面体在边界上受分布力的理论 ， 可以推算出顶板支承压力对隔水层内任意点的应 力为 一 ㈩ 竹 I l f I一 式中 q为分布力的集度， 均布载荷时为常量。 陈军涛等 高承压水上底板采动岩体裂隙演化规律研究 2 0 1 8年第 7 期 ／ ， ’ J 舛 ～ 、 ／ 、 。＼ ／ | ‘＼ ＼ ＼ ＼ ＼ 一 ／。 ／ ／ ／ 。 丌 T b 底 板 导 水 破 坏 带 T 盯 T l g。 ． I q 6红 g 0 ⋯ I l l l I l I I ⋯ I I ⋯ ⋯ I I I I I l l I l l ～ ＼ l 。 Y s『 I I玛 Mo 6、 、 ， g h i ． k 、、＼ 隔水层带 Y ～ -。 f l I } l l i ‘ ⋯f ‘ ‘ ⋯⋯ f I ⋯⋯⋯⋯⋯ ⋯⋯⋯⋯ 。 ⋯ ⋯⋯I ⋯‘ l f I 『 I } } f ％ 承压水 导升带 图4 深部底板受力模型 F i g ． 4 S t r e s s mo d e l o f d e e p fl o o r r o c k ma s s 对图 4中原点 0到 z 共 1 1 段应力区的顶板支承 压力对底板隔水层的应力进行分析， 得到底板隔水 层中任意点 P在 方 向上的支承压力为 ∑ i 1 ， 2 ， 3 ， ⋯， 1 1 8 同理， 可以获得深部高承压水对底板隔水层中 任意点 P的应力为 g 。 。因此， 深部底板隔 水层中任意点受到的应力为 一 q 。 。当深部煤 层开采过程 中， 底板岩体承受 的弯曲应力超过 了岩 体的极限拉应力时， 上部弯曲岩体的中段将产生竖 向张裂隙 ， 此时 【 】 9 式中 q 。 为含水层水压集度；[ 】为岩体 的抗拉 强度。 所以， 深部底板采动岩体竖向张裂隙的起裂准 则为 [ ] 。 3 高应力下采动岩体裂隙演化规律研究 借助开滦矿业集 团赵 各庄煤 矿一1 2 0 0 m水平 1 2 3 7工作面 采深 9 0 0 m 底板破坏 的探测结果 ， 分 析煤层开采过程 中探测钻孔注水漏 失量的变化规 律 ， 反演深部煤层开采过程 中底板采动岩体的破坏 特征及裂隙演化规律。 3 ． 1 现场实测过程 1 煤层开采条件。赵各庄煤矿 一 1 2 0 0 m水平 测 阀 一 钻 秽 一 2 0 1 8 年第7 期 煤 炭 科 学 技 术 第4 6 卷 每个控制点分布于 1 2煤层底板的不同深度 ， 在煤层 开采前 、 开采中及开采后 ， 观测钻孔注水漏失量的变 化 ， 确定底板采 动岩体裂隙的分布状况 。注水试验 保持孔底水压为 0 ． 3 MP a ， 钻孔施工及布置方案见 表 1 。 表 1 钻孔施工与布置 Ta bl e 1 Dr i l l i n g c o ns t r uc t i o n and l a yo ut 3 ． 2观测 结果分 析 1 2 3 7工作面第 1 分层 采高 2 ． 0 m 开采期问钻 孔参数及注水漏失量随工作面推进的变化曲线见表 1和如图 6所示 _ l ， 孔底距煤层法线在 0～ 2 4 ． 8 0 m 的岩体范围内 1号一5号钻孔 ， 注水漏失量 随工 作面推进的变化 比较 明显 ， 孔底距煤层法线距离超 过 2 4 ． 8 0 m后， 注水量基本 不受 开采扰动 的影 响。 当工作面推进到距观测 口约 4 1 m时 ， 1号一7号钻 孔注水量开始减少 ， 说明工作面前方底板开始受到 超前支承压力的作用 ， 岩体 内的原生裂 隙被压 密闭 合。随着距煤层法线距离的增大， 各钻孔注水量减 少到最小值时的工作面推进位置不同， 1 号钻孔开 采到距观测 口 1 5 m时， 钻孔注水漏失量减少为零 孔底距煤层法线距离为 2 m ， 2号钻孔开采 到距 观测 口2 7 m时， 注水漏失量减4 , N最小值 1 4 L ／ m i n 孑 L 底距煤层法线距离为 9 ． 7 1T I ， 3号钻孔开采到距 观测 口4 0 m时 ， 注水量减少为零 孔底距煤层法线 距离为 1 5 m ， 说明底板岩体距煤层法线距离越远 ， 原生裂 隙越 先受 到压缩 而发生 闭合 ， 这与 底板 1 号一3 号钻孔孔底接触的不同岩性岩体的裂隙发育 程度和受力有很大关系 ； 当工作 面推过探测钻孔剖 面时， 钻孔底部岩体受到的压力逐渐减小， 钻孔注水 漏失量随开采的进行逐渐增大 ， 这是 因为底板岩体 受到水平应力和水压作用发生 了向上弯曲， 底板不 同位置出现了剪切裂隙、 层向裂隙和竖向裂隙及发 育演化的结果； 当工作面远离探测口时， 顶板围岩垮 落压实采空区， 底板采动岩体的裂 隙又逐渐压密闭 5 8 合， 各钻孔注水漏失量开始减小。4号一7号钻孔孔 底位于坚硬粗砂岩区域 ， 岩体受到的主应力小于岩 体的极限强度 ， 岩体未发生裂隙起裂 ， 故该区域的钻 孔注水漏失量随工作面的推进几乎没有变化。 1 葡 L ／＼ 一 一 八 ／ 一 2 销孔 V _ 、 、 ． 3 弓 钻 孔 ． ／ n f _ 一～4 m 一 ／、 一 5 计孔 6 钻孔 一 7号钻孔 I l 】 } J I f I I 卡 H 对 _ Ⅲ作 旺 1J 位 嚣 ， m 图6 注水漏失量随工作面推进的变化曲线 Fi g ． 6 Ch a n g e c u r v e s o f wa t e r l e a ka g e a mo u n t wi t h d i f f e r e n t d r i l l i n g d e p t h s o f 1 2 3 7 wo r k i n g f a c e 通过对深部底板采动岩体 1号一7号钻孑 L 注水 漏失量的分析 ， 可知 1 2 3 7工作面第一分层开采后底 板的破坏深度约为 1 9 m。 3 ． 3 深部底板采动岩体裂隙演化的实测规律分析 根据 以上监 测 的赵各庄 煤矿 一1 2 0 0 1 13水平 1 2 3 7工作面底板钻孑 L 注水结果 ， 分析可得以下深部 底板采动岩体裂隙演化的实测规律。 1 工作面推进过程中， 深部底板采动岩体的注 水出现了采前注水漏失量减小 、 采中注水漏失量增 大和采后注水漏失量减小 的规律， 说明底板采动岩 体在煤层开采过程中经历了压缩一 膨胀一 压缩的交 替变化过程 ， 剪切裂隙、 层向裂隙和竖向张裂隙分别 从开切眼的底板岩体、 采空 区底板 中深部岩体和采 空区底板浅部岩体处起裂发育 ， 这与论文 。 得出的 结论基本一致 ； 2 根据 1 号一7 号钻孔注水漏失量的变化情况 对底板采动岩体的裂隙演化规律进行反演， 可以得 出深部底板采动岩体的原生裂隙呈现先闭合后张开 再闭合 ， 新生裂隙起裂发育后逐渐闭合的演化规律 ； 3 底板岩体中的新生裂隙一般从应力低 、 裂 隙 度高的区域起裂发育 ， 然后向周围薄弱区扩展 ， 如赵 各庄煤矿 1 2 3 7工作面底板浅部为应力低 、 裂隙发育 的粉砂岩 、 细砂岩 、 泥灰岩 ， 坚硬完整的粗砂岩在高 应力 、 裂隙不发育的深部 。现场钻孔注水试验表明 ∞ m 0∞ 如 ∞ 如 m 如 mOm Om OmOm O 陈军涛等 高承压水上底板采动岩体裂隙演化规律研究 2 0 1 8年第 7期 在工作面推进过程 中， 底板采动岩体裂 隙由上而下 逐渐演化 ， 说 明底板岩体破坏的初始位置和裂隙发 育程度与岩层 的岩性 、 应力等因素有关 ， 这与前面底 板采动岩体裂隙起裂准则的理论分析结果一致 ； 4 煤层采深越大， 底板采动破坏深度越大。根 据已往 矿井 探 测 的 钻孔 注水 漏 失 量结 果 对 比可 知 引， 埠村煤矿 3号井 9 2 1 2工作 面采深为 4 2 0 m， 测得底板采动破 坏深度为 5 ． 7 IT I ， 华丰煤矿 2号井 4 1 3 0 3工作 面采深为 5 6 0 m， 测得底板采动破坏深度 为 1 2 ． 7 m， 赵各庄煤矿 1 2 3 7工作面采深为 9 0 0 m， 测得底板采动破坏深度为 1 9 m， 这与前面底板采动 岩体裂隙起裂与主应力和承压水压力大小等因素有 关的结论一致。 4深部矿井突水灾害防治的研究展望 1 深部地 质构造的滞后 突水 问题研究。 目前 我国深部矿井主要受 2种类 型的水害威胁 巨厚岩 层多煤层开采顶板突水和底板奥灰突水 ， 而华北 煤 田下组煤开采主要受奥灰 突水 的威胁 ， 特别是含 有小断层群、 陷落柱等地质构造区域 构造应力的 存在是灾害发生的根本因素之一 1 较容易出现突 水 问题 ， 同时底板隔水层破坏的时间效应 ， 导致构造 突水均存在不 同时间尺度 的延迟滞后现象 ， 往往 为 现场工作者们所忽视 ， 如赵各庄煤矿 9 1 3 2工作面开 采完延迟 1 2 年才发生了断层滞后突水 J 。因此， 深 部地质构造的赋存特征、 小断层群的突水机理 、 隔水 层破裂的时空演化效应 、 构造突水的注浆治理等 ， 需 要进一步深入研究。 2 深部多场耦合下底板岩体的破裂规律研究。 深部岩体处于高应力、 高温、 强渗流和强开采扰动的 多场耦合复杂环境 中， 目前学者对深部岩体 的研究 大多针对单一 因素或还原 的深部试 验环境不够充 分 ， 导致获得的岩体破裂规 律不能很好的指导深部 采矿 ， 尤其是地质构造附近的岩体破裂问题 ， 涉及断 裂力学 、 岩体力学 、 地质工程 、 弹塑性力学 、 渗流力学 等多学科交叉的专业知识， 岩体破裂问题需要多学 科的专家共同研究突破， 而岩体破裂的微观裂隙演 化研究 ， 从本质上揭示了多场耦合作用下深部岩体 的破裂机理 ， 有助于从根本 上解决深部矿井的底板 突水灾害。山东科技大学 自主研制了深部岩石应力 一 渗流耦合 真三轴试验系统 、 深部底板突水相似材 料模拟试验 系统 m ， ， 初步研究 了深部岩体 的 力学特性和岩体破裂 问题 ， 但突水设备 的密封技术 和三轴加载的边角问题还没有得到很好 的解决 ， 下 一 步需要在此基础上继续深入研究。 3 深部岩体破裂精准监测及突水危 险性有效 评价方法研究。突水灾害发生的 3个重要 因素是 水源 、 水压和突水通道。突水通道的形成是煤层开 采后底板采动岩体裂隙起裂、 扩展演化及贯通的结 果 。因此 ， 深部底板破裂及贯通程度 的监测对突水 灾害的防治至关重要 。目前国内对底板破坏的探测 技术主要有 钻孔注 放 水 、 物 探 、 探 地雷 达、 震 波 C T成像 、 直流电阻率法 、 电磁辐射法和网络并行 电 法仪 ⋯， 但这些探测技 术大多因探测深度 、 监测精 度和探测时间受限， 得不到精准的监测效果 ， 尤其是 存在隐伏构造 的区域 ， 探测难度较大 ， 需要研制用于 精准探测深部底板岩体破 裂形态 的设备。另外 ， 矿 井底板突水危险性的有效评价是矿井水害防治和实 现安全开采的基本前提 。学者们对底板突水危险性 评价 的模型和方法较多 卜 ， 其研究结果在指导矿 井底板突水预测及 防治方面发挥了重要作用 ， 但 由 于深部矿井突水机理的复杂性和水文地质条件的多 样性 ， 且突水灾害是复杂环境下多种影响因素多场 耦合环境下的结果。所 以， 提 出一种有效适用于深 部复杂环境 的突水危险性评价方法也是深部矿井突 水 防治的当务之急。 5 结 论 1 充分研究 了深部底 板采动岩体 的裂 隙发 育 形态 ， 按裂隙产生的位置和机理 ， 将深部底板采动岩 体裂隙分为剪切裂隙、 层向裂隙和竖向张裂隙； 2 利用力学 知识对深部底板采动岩体 的裂隙 起裂进行了理论分析 ， 获得了剪切裂隙、 层向裂隙和 竖向张裂隙的起裂准则 ， 下一步将继续对这些岩体 裂隙的扩展准则进行研究 ； 3 综合分析了开滦矿业集团赵各庄煤矿 1 2 3 7 工作面底板注水漏失量的变化情况 ， 获得 了深部底 板采动岩体的裂 隙演化规律。研究表 明 煤层开采 过程 中深部底板采动岩体 的原生裂隙呈现先闭合后 张开再闭合， 新生裂隙起裂后经演化逐渐闭合的演 化规律； 底板破坏的初始位置与裂隙发育程度受岩 性组合及受力大小的影响。试验结果对前面分析得 到的底板采动岩体裂隙起裂准则的结论起到了很好 的验证作用 。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] 虎维岳， 尹尚先． 采煤工作面底板突水灾害发生的采掘扰动力 5 9 2 0 1 8 年第7 期 煤 炭 科 学 技 术 第4 6 卷 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] 6 0 学机制[ J ] ． 岩石力 学与工程学报 ， 2 0 1 0 ， 2 9 S 1 ， 3 3 4 4 - 3 3 4 9 ， HU W e i y u e， YI N S h a n g x i a n ． Dy n a mi c me c h a n i s m o f wa t e r i n r u s h f r o m o f m i n i n g f a c e [ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e ri n g ， 2 0 1 0， 2 9 s 1 ， 3 3 4 4 3 3 4 9 ． 郭惟嘉， 张士川， 孙文斌， 等． 深部开采底板突水灾变模式及试 验应用 [ J 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