注漿加固防治底板突水機(jī)理與應(yīng)用

1 概述

1．1 底板注漿加固技術(shù)

1．2 國(guó)內(nèi)外底板注漿加固技術(shù)研究現(xiàn)狀

1．3 底板注漿加固作用機(jī)理

2 注漿加固工作面底板巖體滲透性“降低—升高”機(jī)理

2．1 注漿加固工作面底板突水“升降型”結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

2．2 注漿加固破裂巖石三軸實(shí)驗(yàn)研究

2．3 注漿加固滲透性工程探測(cè)

3 注漿加固工作面底板巖體力學(xué)性質(zhì)“增強(qiáng)—損傷”規(guī)律

3．1 巖體力學(xué)性質(zhì)“注漿增強(qiáng)、開(kāi)采損傷”規(guī)律現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析

3．2 巖體力學(xué)性質(zhì)“增強(qiáng)—損傷”室內(nèi)試驗(yàn)分析

3．3 注漿加固效果的相似模型試驗(yàn)研究

3．4 注漿加固效果評(píng)價(jià)

4 底板超長(zhǎng)套管加固機(jī)理

4．1 雙高煤層底板加固套管布置特點(diǎn)

4．2 現(xiàn)場(chǎng)注漿加固套管變形分析

4．3 復(fù)雜超長(zhǎng)套管加固底板力學(xué)機(jī)理

4．4 套管彎矩、撓度和截面轉(zhuǎn)角（單一套管抗彎性能理論分析）

4．5 套管組合對(duì)底板巖體變形影響的數(shù)值模擬分析

4．6 小結(jié)

5 注漿加固工作面突水原因及特征

5．1 注漿改造工作面底板突水事故的原因分析

5．2 工作面底板富水性分布及注漿加固效果分析

6 高水壓薄隔水層工作面突水危險(xiǎn)性分析及治理對(duì)策

6．1 底板破壞深度預(yù)測(cè)與特征分析

6．2 工作面底板破壞特征的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

6．3 底板變形破壞數(shù)值模擬分析

6．4 大采高工作面底板破壞的相似模擬實(shí)驗(yàn)研究

參考文獻(xiàn)2100433B

《注漿加固防治底板突水機(jī)理與應(yīng)用》對(duì)底板注漿加固工作面防治水技術(shù)進(jìn)行了研究，分析了底板注漿加固巖體滲透性“降低—升高”機(jī)理、注漿加固工作面底板巖體力學(xué)性質(zhì)“增強(qiáng)—損傷”規(guī)律、底板注漿孔套管的加固機(jī)理、注漿加固工作面突水原因及特征，以及高水壓薄隔水層工作面突水危險(xiǎn)性分析和治理對(duì)策，并通過(guò)相似條件模擬研究和煤礦實(shí)例研究，驗(yàn)證了該研究成果的有效性。

《注漿加固防治底板突水機(jī)理與應(yīng)用》可供煤礦從事防治水工作的技術(shù)人員、科研人員以及相關(guān)專業(yè)的大學(xué)生、研究生、教師閱讀，也可供相關(guān)專業(yè)的研究人員參考。

承壓強(qiáng)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(kāi)采煤層與含水層之間的隔水巖層，并進(jìn)入開(kāi)采空間所造成的突水事故。此種突水是一種復(fù)雜的地質(zhì)、開(kāi)采現(xiàn)象，既有地質(zhì)、構(gòu)造的原因，也有開(kāi)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(dǎo)升帶的高度，開(kāi)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(guān)。原始導(dǎo)升帶和底板裂隙帶的巖體已失去隔水性能，若開(kāi)采空間通過(guò)該兩帶直接導(dǎo)通了承壓水體，或者雖未直接導(dǎo)通，但在承壓水水壓的作用下，介于該兩帶之間的隔水保護(hù)層將遭到破壞，進(jìn)而發(fā)展成為導(dǎo)通承壓水的巖體，則開(kāi)采空間將發(fā)生突水事故。

涌水量在短期內(nèi)突然成倍劇增的現(xiàn)象稱為突水。通常按突水時(shí)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(guó)為底板突水事故多發(fā)性的國(guó)家。據(jù)統(tǒng)計(jì)，底板突水事故約占我國(guó)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(zāi)害性損失。

底板突水又常按其突水的峰值流量、動(dòng)態(tài)表現(xiàn)形式等進(jìn)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(jì)，我國(guó)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(bǔ)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(diǎn)，大多為大型或特大型突水。因此，底板突水對(duì)礦井安全生產(chǎn)的威脅很大，常需特殊加以重視。

按底板突水的地點(diǎn)可分為掘進(jìn)巷道突水和采煤工作面突水兩類。前者的突水地點(diǎn)發(fā)生在開(kāi)掘于煤層中的準(zhǔn)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(dòng)影響而發(fā)生底板突水。統(tǒng)計(jì)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(yīng)當(dāng)指出：這兩類突水的機(jī)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(duì)安全生產(chǎn)的威脅也更大。所以一般應(yīng)特別重視防治采煤工作面底板突水。

按照底板突水的動(dòng)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(diǎn)附近，并且一旦發(fā)生突水，其突水量在瞬間即達(dá)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(lái)勢(shì)很猛，水中常夾有巖塊碎屑，有很強(qiáng)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(diǎn)附近，其突水量則經(jīng)歷由小到大逐漸增長(zhǎng)的過(guò)程，往往要在突水后數(shù)小時(shí)、數(shù)日甚至數(shù)月才增長(zhǎng)到最大流量，所以其突水的來(lái)勢(shì)較緩，沖擊力也較弱。滯后型突水一般是在采掘工作面推進(jìn)了相當(dāng)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(shí)間可長(zhǎng)達(dá)數(shù)日、數(shù)月甚至數(shù)年，突水量的增長(zhǎng)也可急可緩。突水動(dòng)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(yīng)力超限而突然破壞時(shí)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(dòng)態(tài)表現(xiàn)形式反映了不同的突水原因，需分別針對(duì)問(wèn)題所在，采用不同的防治措施 。

在采、掘工作面附近存在有應(yīng)力集中區(qū)和免壓區(qū)。由于受到集中應(yīng)力引起的剪應(yīng)力作用以及在免壓區(qū)中受到由集中應(yīng)力衍生的水平應(yīng)力和剪應(yīng)力的共同作用，在開(kāi)采煤層底板中也會(huì)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(yīng)力低于原巖應(yīng)力，裂隙呈張開(kāi)狀態(tài)，巖層已基本上喪失了隔水性能，成為導(dǎo)水層。若底板裂隙帶直接與承壓水的原始導(dǎo)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(kāi)采煤層的強(qiáng)度、厚度，煤層頂、底板巖層的力學(xué)特性、結(jié)構(gòu)以及頂板管理方法，開(kāi)采參數(shù)（如工作面長(zhǎng)度、巷道寬度等等）等因素有關(guān)。底板巖層的巖性愈軟，工作面前方的峰值集中應(yīng)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(shí)驗(yàn)的結(jié)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(dòng)產(chǎn)生的巖層裂隙主要是由工作面前方的集中應(yīng)力和免壓區(qū)中的水平應(yīng)力形成的。由開(kāi)切眼至老頂初次來(lái)壓期間，底板裂隙帶的深度隨著工作面的推進(jìn)、開(kāi)采范圍的擴(kuò)大而加深，并且在初次來(lái)壓時(shí)達(dá)到最大值。初次來(lái)壓后，隨著工作面的推進(jìn)，裂隙帶的范圍繼續(xù)擴(kuò)大而深度在初期較初次來(lái)壓時(shí)有所減少，以后又逐漸增大，直到周期來(lái)壓時(shí)又達(dá)到第二個(gè)峰值深度（該深度仍小于初次來(lái)壓時(shí)底板破裂帶的深度）。所以，一般可以用來(lái)壓時(shí)的破裂最大深度作為底板破裂帶的深度。