深部采动高承压水完整底板突水通道形成模式分析.pdf

收稿日期2015-08-15;2016-0-04 修订 基金项目国家自然科学基金项目51404146;中国博 士后科学基金项目2015M572067;山东科技大学人才引进 科研启动基金项目2014RCJJ030;山东省重点研发计划项 目2015GSF120016;山东省博士后创新项目152799;青岛 市博士后应用研究项目2015203 作者简介孙文斌1981,男,山东郓城人,博士,讲 师,主要从事矿井特殊开采方面的研究工作。 E-mailswb sdust. edu. cn。 孙文斌,张士川,朱磊. 深部采动高承压水完整底板突水通道形成模式分析[J]. 矿业安全与环保,2016,433100-102. 文章编号1008-4495201603-0100-03 深部采动高承压水完整底板突水通道形成模式分析 孙文斌1,2,张士川1,朱摇 磊1 1. 山东科技大学 矿业与安全工程学院 矿山灾害预防控制教育部重点实验室,山东 青岛 266590; 2. 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室安徽理工大学,安徽 淮南 232001 摘要随着煤矿开采逐步向深部延伸,底板受高承压水影响,突水问题与浅部相比产生明显差异 性。 基于“下三带冶等理论,建立深部开采底板力学模型,分析完整岩层带的破坏情况。 将底板完整岩 层带简化为弹性梁,通过分析岩层带内的弯矩情况,得出岩层带内首先破坏位置,并给出相应破坏的力 学判据,得出承压水沿下界面两端方向首先向上导升。 在此基础上,进一步分析研究,提出双剪破坏、 散面对接两种突水通道形成模式,并分析了容易发生突水的位置。 关键词煤矿;深部开采;底板;破坏位置;突水通道;突水模式 中图分类号TD745郾 2摇 摇 摇 文献标志码A摇 摇 摇 网络出版时间2016-06-05 1932 网络出版地址http/ / www. cnki. net/ kcms/ detail/50. 1062. TD. 20160605. 1932. 046. html Analysis on ation Mode of Water Inrush Channel in Intact Floor under High Water Pressure in Deep Mining SUN Wenbin1,2, ZHANG Shichuan1, ZHU Lei1 1. Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control, Ministry of Education, School of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Sciences and Technology, Qingdao 266590, China; 2. Key Laboratory of Safety and High-efficiency Coal Mining, Ministry of Education Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China Abstract With the gradual extension of coal mining to the deep part, the floor water inrush under high confined water pressure was obviously different from that occurred in the shallow part. Based on the “down three zones冶 theory, the mechanical model of floor in deep mining was established and the failure of the intact rock zone was analyzed. The intact floor rock zone was simplified into an elastic beam, through the analysis on the bending moment in the rock zone, the initial failure position in the rock zone was obtained, and the corresponding mechanical criterion for failures was given, it was concluded that the confined water began to rise upward at both ends of the lower interface. On this basis, further study was made, two ation modes of water inrush channels were proposed, i. e. the double shear failure and dispersive zone docking, and the positions where water inrush easily occurred were analyzed. Keywords coal mine; deep mining; failure position; water inrush channel; water-inrush mode 摇 摇 随着浅部煤炭资源日益枯竭,矿井开采逐渐向 深部延伸[1-2]。 深部煤炭开采,底板受到高岩溶水压 的影响,且水压越来越大,威胁越来越严重,底板突 水灾害问题面临新形势[3-4]。 深部采动条件下,特别 是高承压水影响及表现出突水灾变的瞬时性,均使 得底板突水通道形成特征、规律、模式与浅部突水研 究相比产生明显的差异性[5-6]。 依据“下三带冶、关键层理论[7-8],从深部底板突 水的机理出发,建立高水压对完整底板作用的力学 001 Vol郾 43 No郾 3 Jun郾 2016 摇 摇 摇 摇摇 摇摇 摇 摇 矿业安全与环保 MINING SAFETY 同时,在工程 实际中,老顶垮落岩石对采场底板的作用载荷远小 于高承压水作用力,可以忽略不计;高压水的作用力 在底板不同位置影响差距不大,可视为向上的均布 载荷 p0;考虑底板完整岩层带体力 Fy,忽略岩体内 部力作用影响,对力学模型进一步简化,即可得完整 岩层带的力学模型如图 2 所示。 图 2摇 采场底板力学模型示意图 1郾 3摇 模型解析 根据材料力学知识[10],简化后的力学模型可认 为是简支梁受左、右两端力偶和均布载荷情况下的 3 种力学模型的叠加,即可求得 M 大小为 qL2/12。 运用弹性力学相关知识[11],将此平面问题采用 应力进行求解。 针对图 2 力学模型,由于上下两端 面的作用力不同,则边界条件及作用力偶也不同,可 分步得出上下两个作用力单独作用下的应力分量, 而后进行叠加得出真实应力分量。 进而可得到图 2 力学模型条件下的应力分量式[5] 滓x L2 2h33籽gh-q0 -p0 1 5h3p0 -q0-3籽gh y 6x2y h3 p0-q0-籽gh4y 3 h3 籽ghq0-p0 滓y2y 3 h3 p0-q0-籽gh y 2h籽gh3q0 -3p0-p0 q0 2 子xy6x h3 p0-q0-籽gh h2 4 -y 2 1 2摇 底板易破坏位置分析 煤层开采以后,采场底板受到下部高承压水向 上水压力作用,使得底板岩层向上产生张力。 随着 工作面向前推进,控顶距 L 不断增大,底板有效隔水 层完整岩层带受到下部高水压顶托作用影响明 显;由图 2 力学模型分析知,完整底板岩层带受到高 压水等共同作用下的弯矩如图 3 所示。 图 3摇 底板完整岩层带所受弯矩图 由图 3 可看出,完整底板岩层带上端面中间位 置 a,下端面左右两边位置 b、c 所受到的弯矩最大, 101 第 43 卷摇 第 3 期 2016 年 6 月 摇 摇 摇 摇摇 摇摇 矿业安全与环保 MINING SAFETY 同时,当满足式3 条件时,有效隔水 层完整岩层带下部开切眼及工作面下方位置b、 c 点将发生破坏,由此向上产生裂隙,高压水源将 首先沿此处向上进一步导升,此时承压水向上导升 的临界水压为 p,可反推导出[5] p Cq0-A籽gh2Rs B1 4 式中A3L 2 2h3 -3L 2 4h2 1 5 ;B 4 5 - L2 2h3 3L2 4h2;C L2 2h3 3L2 4h2 3 5 。 3摇 底板突水通道形成模式分析 随着工作面继续向前推进,控顶距 L 进一步加 大,在高压水作用下采场底板完整岩层带弯曲变形、 拉剪破坏、断裂,使得上部产生的裂隙逐渐向下延 伸,下部开裂后裂隙进一步向上扩展演化,承压水逐 步向上导升并扩大影响范围,最终底板岩层内裂隙 上下贯通,形成有利于高压水导升的突水通道,导致 底板突水灾害的发生。 由完整岩层带的受力分析可知,a、b、c 3 点将最 先破坏,此位置也最有可能形成突水点,突水通道形 成可理解为 2 种模式,如图 4 所示。 图 4摇 突水通道形成模式 3郾 1摇 双剪破坏突水通道 工作面煤壁附近底板,不但受到深部采动矿山 压力作用,同时又有高水压影响。 此处下方完整底 板岩层受到矿山压力的向下的压剪作用,且控顶距 越大,压剪作用越大,纵向形成压剪破坏带。 同时, 高承压水对此位置底板具有向上的拉剪作用,尤其 是在底板下界面形成裂隙后,承压水逐步向上导升, 并形成水楔作用对裂隙岩体进一步拉剪;在承压水 的压裂扩容作用下,小裂隙不断扩大,在主要裂隙周 围出现翼状裂隙,裂隙组数逐渐增多,形成局部化剪 切裂隙带[11]。 当压剪破坏带与剪切裂隙带贯通时, 此区域将形成双剪破坏突水通道,如图 4 中玉区域 所示。 因此,工作面煤壁附近容易发生突水。 同理, 由于开切眼处长期处于双剪作用下,此处底板产生 的张裂隙较多,故此位置附近将成为对突水有利的 发生位置。 3郾 2摇 散面对接突水通道 深部开采围岩应力大,底板岩体应力释放具有 集中性、瞬时性,底板破坏深度、范围明显区别于浅 部。 煤层开采后,底板岩体产生裂隙,并随着工作面 的推进,底板破坏深度和范围逐渐增大,形成裂隙发 育、贯通程度不同的散面区域。 采空区中部区域底 板长期处于膨胀状态,顶拉作用下裂隙发育、贯通较 好。 在高水压作用下,此区域的完整岩层带上界面 开始破坏,逐渐向下产生裂隙,并与底板破坏带产生 对接。 当高承压水向上导升至此区域时,底板将形 成散面对接突水通道,如图 4 中域区域所示。 此类 突水通道将最大程度地导致采空区中部成为煤层底 板最先出现的突水点位置。 4摇 结论 1深部采动下完整底板突水通道的形成机理可 归结为由采动与高水压共同作用下造成底板裂隙不 断演化、贯通而成。 2通过力学分析,在高水压作用下的采场底板, 当工作面推进一定程度时,前方煤壁和开切眼位置 下方完整底板岩层下界面区域容易破坏,承压水首 先沿此向上导升;完整底板岩层上界面在采空区中 部区域将向下破坏产生裂隙。 3根据底板破坏力学机制不同,提出双剪破坏、 散面对接两种突水通道形成模式,哪种机制达到极 限将很大程度上导致底板出现突水点的位置不同。 参考文献 [1] 施龙青,辛恒奇,翟培合,等. 大采深条件下导水裂隙带 高度计算研究[J]. 中国矿业大学学报,2012,411 37-41. 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