采场底板岩层破断分析及底板突水预测研究

副题名

外文题名

论文作者

朱纪明著

导师

张文泉指导

学科专业

学位级别

工学博士

学位授予单位

山东科技大学

学位授予时间

2012

关键词

底板压力 矿井突水 预测技术 软件开发

馆藏号

唯一标识符

108.ndlc.2.1100009031010001/T3F24.006504121

馆藏目录

\ \

2100433B

涌水量在短期内突然成倍剧增的现象称为突水。通常按突水时涌水的主要水源，将突水划分为断层、地表、底板、陷落柱和采空区积水等五类。我国为底板突水事故多发性的国家。据统计，底板突水事故约占我国各类突水事故总次数的1/4，并且这类突水往往造成重大的灾害性损失。

底板突水又常按其突水的峰值流量、动态表现形式等进行分类。按突水的峰值流量可将突水事故分为特大型、大型、中型和小型突水，其峰值流量分别为大于50m³/min，20-49m³/min，5-19m³/min和小于5m³/min。据统计，我国发生的突水淹井事故约有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、水压高低和突水通道的畅通程度。一般，直接由奥灰或由奥灰补给的含水层所形成的底板突水具备有富水和水压高的特点，大多为大型或特大型突水。因此，底板突水对矿井安全生产的威胁很大，常需特殊加以重视。

按底板突水的地点可分为掘进巷道突水和采煤工作面突水两类。前者的突水地点发生在开掘于煤层中的准备巷道，后者则发生在采煤工作面附近且多系因受到采动影响而发生底板突水。统计资料表明：这两类突水方式的突水次数约各占一半左右。应当指出：这两类突水的机理有所差别，由于防止发生采煤工作面突水所需的隔水层厚度更大，并且这类突水事故大多为大型或特大型突水事故，它们对安全生产的威胁也更大。所以一般应特别重视防治采煤工作面底板突水。

按照底板突水的动态表现形式又可分为爆发型、缓冲型和滞后型三类。爆发型突水多直接发生于采掘工作地点附近，并且一旦发生突水，其突水量在瞬间即达到峰值流量，然后，突水量逐渐减少和趋于稳定。这种突水的来势很猛，水中常夹有岩块碎屑，有很强的冲击力，危害最大。缓冲型突水也多发生在采掘工作地点附近，其突水量则经历由小到大逐渐增长的过程，往往要在突水后数小时、数日甚至数月才增长到最大流量，所以其突水的来势较缓，冲击力也较弱。滞后型突水一般是在采掘工作面推进了相当距离以后才在巷道或采空区中发生突水，其滞后发生突水时间可长达数日、数月甚至数年，突水量的增长也可急可缓。突水动态表现形式的差别反映了隔水层破坏方式的不同。隔水岩层（岩柱）因其拉、剪应力超限而突然破坏时大多形成爆发型突水；而缓冲型突水则往往是隔水层因渗流速度超限而逐渐破坏了隔水能力所形成的，至于滞后型突水则又往往与矿压的叠加影响有着密切的联系。不同的动态表现形式反映了不同的突水原因，需分别针对问题所在，采用不同的防治措施 。

承压强含水层上采煤的底板突水事故是具有颇高水压的底板含水突发性地穿越了位于开采煤层与含水层之间的隔水岩层，并进入开采空间所造成的突水事故。此种突水是一种复杂的地质、开采现象，既有地质、构造的原因，也有开采工作的原因。分析表明，造成底板突水的原因与含水层上方原始导升带的高度，开采形成的底板裂隙带深度以及两带之间隔水岩层的抵抗下部承压水水压破坏的能力紧密相关。原始导升带和底板裂隙带的岩体已失去隔水性能，若开采空间通过该两带直接导通了承压水体，或者虽未直接导通，但在承压水水压的作用下，介于该两带之间的隔水保护层将遭到破坏，进而发展成为导通承压水的岩体，则开采空间将发生突水事故。

在采、掘工作面附近存在有应力集中区和免压区。由于受到集中应力引起的剪应力作用以及在免压区中受到由集中应力衍生的水平应力和剪应力的共同作用，在开采煤层底板中也会形成一定深度的裂隙带，即底板裂隙带。在该裂隙带中，岩层富含裂隙且应力低于原岩应力，裂隙呈张开状态，岩层已基本上丧失了隔水性能，成为导水层。若底板裂隙带直接与承压水的原始导升带沟通，则承压水也能迅速涌入采、掘工作空间，形成突水事故。

工作面底板裂隙带的深度与开采煤层的强度、厚度，煤层顶、底板岩层的力学特性、结构以及顶板管理方法，开采参数（如工作面长度、巷道宽度等等）等因素有关。底板岩层的岩性愈软，工作面前方的峰值集中应力愈高，承压含水层的水压愈高，免压区中作用于底板的压力愈低，则所形成的底板裂隙带深度也愈深。相似材料模拟实验的结果表明：底板裂隙带的分布状况大体上和底板中塑性滑移线的分布相吻合。

采动产生的岩层裂隙主要是由工作面前方的集中应力和免压区中的水平应力形成的。由开切眼至老顶初次来压期间，底板裂隙带的深度随着工作面的推进、开采范围的扩大而加深，并且在初次来压时达到最大值。初次来压后，随着工作面的推进，裂隙带的范围继续扩大而深度在初期较初次来压时有所减少，以后又逐渐增大，直到周期来压时又达到第二个峰值深度（该深度仍小于初次来压时底板破裂带的深度）。所以，一般可以用来压时的破裂最大深度作为底板破裂带的深度。