采場底板巖層破斷分析及底板突水預測研究

副題名

外文題名

論文作者

朱紀明著

導師

張文泉指導

學科專業(yè)

學位級別

工學博士

學位授予單位

山東科技大學

學位授予時間

2012

關鍵詞

底板壓力 礦井突水 預測技術 軟件開發(fā)

館藏號

唯一標識符

108.ndlc.2.1100009031010001/T3F24.006504121

館藏目錄

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2100433B

涌水量在短期內突然成倍劇增的現(xiàn)象稱為突水。通常按突水時涌水的主要水源，將突水劃分為斷層、地表、底板、陷落柱和采空區(qū)積水等五類。我國為底板突水事故多發(fā)性的國家。據(jù)統(tǒng)計，底板突水事故約占我國各類突水事故總次數(shù)的1/4，并且這類突水往往造成重大的災害性損失。

底板突水又常按其突水的峰值流量、動態(tài)表現(xiàn)形式等進行分類。按突水的峰值流量可將突水事故分為特大型、大型、中型和小型突水，其峰值流量分別為大于50m3/min，20-49m3/min，5-19m3/min和小于5m3/min。據(jù)統(tǒng)計，我國發(fā)生的突水淹井事故約有85%以上的事故源于大型和特大型突水事故。峰值流量的大小反映了水源的富水程度、水壓高低和突水通道的暢通程度。一般，直接由奧灰或由奧灰補給的含水層所形成的底板突水具備有富水和水壓高的特點，大多為大型或特大型突水。因此，底板突水對礦井安全生產的威脅很大，常需特殊加以重視。

按底板突水的地點可分為掘進巷道突水和采煤工作面突水兩類。前者的突水地點發(fā)生在開掘于煤層中的準備巷道，后者則發(fā)生在采煤工作面附近且多系因受到采動影響而發(fā)生底板突水。統(tǒng)計資料表明：這兩類突水方式的突水次數(shù)約各占一半左右。應當指出：這兩類突水的機理有所差別，由于防止發(fā)生采煤工作面突水所需的隔水層厚度更大，并且這類突水事故大多為大型或特大型突水事故，它們對安全生產的威脅也更大。所以一般應特別重視防治采煤工作面底板突水。

按照底板突水的動態(tài)表現(xiàn)形式又可分為爆發(fā)型、緩沖型和滯后型三類。爆發(fā)型突水多直接發(fā)生于采掘工作地點附近，并且一旦發(fā)生突水，其突水量在瞬間即達到峰值流量，然后，突水量逐漸減少和趨于穩(wěn)定。這種突水的來勢很猛，水中常夾有巖塊碎屑，有很強的沖擊力，危害最大。緩沖型突水也多發(fā)生在采掘工作地點附近，其突水量則經歷由小到大逐漸增長的過程，往往要在突水后數(shù)小時、數(shù)日甚至數(shù)月才增長到最大流量，所以其突水的來勢較緩，沖擊力也較弱。滯后型突水一般是在采掘工作面推進了相當距離以后才在巷道或采空區(qū)中發(fā)生突水，其滯后發(fā)生突水時間可長達數(shù)日、數(shù)月甚至數(shù)年，突水量的增長也可急可緩。突水動態(tài)表現(xiàn)形式的差別反映了隔水層破壞方式的不同。隔水巖層（巖柱）因其拉、剪應力超限而突然破壞時大多形成爆發(fā)型突水；而緩沖型突水則往往是隔水層因滲流速度超限而逐漸破壞了隔水能力所形成的，至于滯后型突水則又往往與礦壓的疊加影響有著密切的聯(lián)系。不同的動態(tài)表現(xiàn)形式反映了不同的突水原因，需分別針對問題所在，采用不同的防治措施 。

承壓強含水層上采煤的底板突水事故是具有頗高水壓的底板含水突發(fā)性地穿越了位于開采煤層與含水層之間的隔水巖層，并進入開采空間所造成的突水事故。此種突水是一種復雜的地質、開采現(xiàn)象，既有地質、構造的原因，也有開采工作的原因。分析表明，造成底板突水的原因與含水層上方原始導升帶的高度，開采形成的底板裂隙帶深度以及兩帶之間隔水巖層的抵抗下部承壓水水壓破壞的能力緊密相關。原始導升帶和底板裂隙帶的巖體已失去隔水性能，若開采空間通過該兩帶直接導通了承壓水體，或者雖未直接導通，但在承壓水水壓的作用下，介于該兩帶之間的隔水保護層將遭到破壞，進而發(fā)展成為導通承壓水的巖體，則開采空間將發(fā)生突水事故。

在采、掘工作面附近存在有應力集中區(qū)和免壓區(qū)。由于受到集中應力引起的剪應力作用以及在免壓區(qū)中受到由集中應力衍生的水平應力和剪應力的共同作用，在開采煤層底板中也會形成一定深度的裂隙帶，即底板裂隙帶。在該裂隙帶中，巖層富含裂隙且應力低于原巖應力，裂隙呈張開狀態(tài)，巖層已基本上喪失了隔水性能，成為導水層。若底板裂隙帶直接與承壓水的原始導升帶溝通，則承壓水也能迅速涌入采、掘工作空間，形成突水事故。

工作面底板裂隙帶的深度與開采煤層的強度、厚度，煤層頂、底板巖層的力學特性、結構以及頂板管理方法，開采參數(shù)（如工作面長度、巷道寬度等等）等因素有關。底板巖層的巖性愈軟，工作面前方的峰值集中應力愈高，承壓含水層的水壓愈高，免壓區(qū)中作用于底板的壓力愈低，則所形成的底板裂隙帶深度也愈深。相似材料模擬實驗的結果表明：底板裂隙帶的分布狀況大體上和底板中塑性滑移線的分布相吻合。

采動產生的巖層裂隙主要是由工作面前方的集中應力和免壓區(qū)中的水平應力形成的。由開切眼至老頂初次來壓期間，底板裂隙帶的深度隨著工作面的推進、開采范圍的擴大而加深，并且在初次來壓時達到最大值。初次來壓后，隨著工作面的推進，裂隙帶的范圍繼續(xù)擴大而深度在初期較初次來壓時有所減少，以后又逐漸增大，直到周期來壓時又達到第二個峰值深度（該深度仍小于初次來壓時底板破裂帶的深度）。所以，一般可以用來壓時的破裂最大深度作為底板破裂帶的深度。