礦井水害發(fā)生機理PPT課件

1、頂板水害發(fā)生機理頂板水害發(fā)生機理 頂板水害發(fā)生主要是由于開采煤層頂板運動產(chǎn)生。上覆巖層的移動和破壞，形成了充水通道，使上部水體中的水滲入或潰入井下，形成災害。 上三帶理論： 開采煤層之上存在三帶：冒落帶、導水裂縫帶、彎曲帶。 冒落帶和導水裂縫帶統(tǒng)稱冒裂帶。第1頁/共37頁頂板水害發(fā)生機理頂板水害發(fā)生機理 冒落帶：指采礦工作面放頂后引起的直接垮落破壞。該帶不僅透水而且透砂。 裂隙帶：指冒落帶之上，大量出現(xiàn)的切層、離層和斷裂隙或裂隙發(fā)育帶。該帶不會透砂但能透水。 彎曲帶：指裂隙帶以上至地表的整個范圍內(nèi)巖體發(fā)生彎曲下沉的整體變形和沉降移動區(qū)。訪帶一般不具備導水能力。第2頁/共37頁頂板水害發(fā)生機理頂

2、板水害發(fā)生機理第3頁/共37頁水經(jīng)覆巖涌入礦井機理 1.開采煤層距離含水層（水體）較遠，冒裂帶觸及不到含水層（水體），且含水層水壓不足以破壞冒裂帶之上的隔水層，彎曲帶內(nèi)的巖層雖然也可能存在伸張裂隙或離層，但這些裂隙互不連通。不會發(fā)生潰水。 2. 開采煤層距離含水體近，冒裂帶直接進入含水層，則含水層水會潰入井下。第4頁/共37頁HbHsh第5頁/共37頁3.如果是裂隙帶達到含水層，含水層中水會潰入工作面，發(fā)生突水事故；若冒落帶達到含水層，不僅會發(fā)生突水事件，還會發(fā)生潰沙事件。 第6頁/共37頁導水裂隙帶高度研究一些學者基于研究礦山壓力的需要，對工作面頂板的“兩帶”主要是冒落帶進行了研究。中國礦業(yè)

3、大學的錢鳴高院士和山東科技 大學的宋振琪院士分別發(fā)展了“砌體梁”理論、和“鉸接巖梁”理論。這些理論從理論上分析了冒落帶的高度，為煤層頂板突水研究提供了理論基礎。 冒落帶公式：式中，H為采高，L為彎曲帶下降距離，為碎脹系數(shù)，h為冒落帶高度1LHh第7頁/共37頁導水裂隙帶高度研究 中國礦業(yè)大學的隋旺華教授以巖體工程力學為理論依據(jù)，對覆巖的破壞機理和判據(jù)進行了研究： 上覆巖層巖性及組合是覆巖破壞的物質(zhì)基礎：第8頁/共37頁導水裂隙帶高度研究 巖體結(jié)構(gòu)特征是覆巖破壞的控制因素 層狀完整結(jié)構(gòu)體 層狀斷續(xù)結(jié)構(gòu)體 層狀板裂結(jié)構(gòu)體 層狀碎裂結(jié)構(gòu)體 散體結(jié)構(gòu)巖體第9頁/共37頁導水裂隙帶高度研究 地層傾角 水

4、平和緩傾斜煤層：（035）：整個工作面冒落帶高度基本為同一層位，并呈兩端高中間低的馬鞍形 中等傾斜的煤層（3654 ）：冒裂帶下山部位低，上山部位高。 急傾斜煤層（5590 ）：上山部位極易發(fā)生抽冒現(xiàn)象。 地質(zhì)構(gòu)造 斷層尤其是張斷層附近：易形成抽冒現(xiàn)象，冒裂帶發(fā)育較高 節(jié)理密集帶、褶曲軸部冒裂帶發(fā)育較高第10頁/共37頁導水裂隙帶高度研究 地應力 地應力高的區(qū)域冒裂帶較高 地下水 開采條件是覆巖破壞的根本原因第11頁/共37頁導水裂隙帶高度研究 三下規(guī)程集中反映了各礦區(qū)的冒裂帶的觀測成果： 冒裂帶發(fā)育的影響因素： 采高 覆巖的巖性 冒裂帶的公式 其它研究者的成果： 安徽理工大學的桂和榮教授運用

5、塑性屈服準則，得出了覆巖拉破壞準則：當1時,拉破壞的條件為=-=0;當1,2時,拉破壞條件為1=1-=0;2=2-=0， 第12頁/共37頁導水裂隙帶高度研究 講課人的個人觀點：超限應力、有限空間問題 離層帶概念提出及應用，離層帶水害問題（淮北海孜礦水害）。第13頁/共37頁底板水害發(fā)生機理底板水害發(fā)生機理研究歷史及現(xiàn)狀研究歷史及現(xiàn)狀 早在早在2020世紀初，國外就有人注意到底板隔水層的作用世紀初，國外就有人注意到底板隔水層的作用 4040年代至年代至5050年代，匈牙利韋格弗倫斯第一次提出底板相對隔水層的概念。年代，匈牙利韋格弗倫斯第一次提出底板相對隔水層的概念。 6060年代至年代至707

6、0年代，匈牙利國家礦業(yè)技術(shù)鑒定委員會將相對隔水層厚度的概念列入年代，匈牙利國家礦業(yè)技術(shù)鑒定委員會將相對隔水層厚度的概念列入礦業(yè)安全規(guī)程礦業(yè)安全規(guī)程, ,我國我國引入該概念引入該概念. .第14頁/共37頁 我國在底板突水規(guī)律研究方面起始于我國在底板突水規(guī)律研究方面起始于6060年代，年代， 7070年代中期，國家派科技人員去匈牙利考察，年代中期，國家派科技人員去匈牙利考察， 7070年代后期，修改了原有的突水系數(shù)概念，并年代后期，修改了原有的突水系數(shù)概念，并應用于實踐。應用于實踐。 8080年代開始，以煤炭科學研究總院西安分院、年代開始，以煤炭科學研究總院西安分院、山東礦業(yè)學院及煤炭科學研究總

7、院特采所為代山東礦業(yè)學院及煤炭科學研究總院特采所為代表，不僅各自獨特的理論，而且具有一個完整表，不僅各自獨特的理論，而且具有一個完整的研究梯隊。的研究梯隊。 目前，我國防治水的研究工作處于世界領(lǐng)先地目前，我國防治水的研究工作處于世界領(lǐng)先地位。位。第15頁/共37頁關(guān)于突水理論關(guān)于突水理論“下三帶”理論 “下三帶”的理論觀點最早是由山東礦業(yè)學院、井陘礦務局、峰峰礦務局等一批科技人員在實踐中提出的，并在實踐中進行應用和發(fā)展，最后由山東礦業(yè)學院的一批科研人員提出。 底板破壞帶；完整巖層帶；承壓水導高帶。 第16頁/共37頁斷 層 帶保 護 帶破 壞 帶導 升 帶Ih1I I h2I I I h3第1

8、7頁/共37頁原位張裂與零位破壞理論 由煤科總院北京開采所王作宇、劉鴻泉等人提出。該理論認為，礦壓、水壓聯(lián)合作用于工作面對煤層的影響范圍可分為三段：超前壓力壓縮段（段）、卸壓膨脹段（段）和采后壓力壓縮穩(wěn)定段（段） 第18頁/共37頁I 段III段II 段零位1234678912111510第19頁/共37頁 超前壓力壓縮段在其上部巖體自重力和下部水壓力的聯(lián)合作用下整個結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出上半部受水平擠壓、下半部受水平引張的狀態(tài)， 在中部附近的底面上的原巖節(jié)理、裂縫等不連續(xù)而產(chǎn)生巖體的原位張裂。 在底板承壓水的作用下，克服巖體結(jié)構(gòu)面阻力而擴大，并沿著不連續(xù)面發(fā)展或形成新的張裂，從而形成底板巖體的原位張裂。

9、 煤層底板結(jié)構(gòu)巖體由段向段過渡引起其結(jié)構(gòu)狀態(tài)的質(zhì)變，處于壓縮的巖體應力急劇卸壓，圍巖的貯存能大于巖體的保留能，便以脆性破壞的形式釋放殘余彈性應變能以達到巖體能量的重新平衡，從而引起采場底板巖體的零位破壞.第20頁/共37頁板模型理論 煤科總院北京開采所劉天泉院士，張金才等提出 認為底板巖層由采動導水裂隙帶和底板隔水帶組成。 運用彈性力學、塑性力學理論和相似材料模擬實驗來研究底板突水機制，采用半無限體一定長度上受均布豎向載荷的彈性解、結(jié)合庫侖莫爾強度理論和Griffith強度理論分別求得了底板受采動影響的最大破壞深度。 將底板隔水層帶看作四周固支受均布載荷作用下的彈性薄板，然后采用彈塑性理論分別

10、得到了以底板巖層抗剪及抗拉強度為基準的預測底板所能承受的極限水壓力的計算公式。 第21頁/共37頁關(guān)鍵層理論 中國礦業(yè)大學錢鳴高 院士，梨良杰博士提出 認為，煤層底板在采動破壞帶之下，含水層之上存在一層承載能力最高的巖層，稱為“關(guān)鍵層”。在采動條件下，將關(guān)鍵層作為四邊固支的矩形薄板，然后按彈性理論和塑性理論分別求得底板關(guān)鍵層在水壓等作用下的極限破斷跨距。分析了關(guān)鍵層破斷后巖塊的平衡條件，建立了無斷層條件下采場底板的突水準則和斷層突水的突水準則。 第22頁/共37頁直 接 頂老 頂煤 層關(guān) 鍵 層含 水 層第23頁/共37頁“強滲通道”說 由中科院地質(zhì)所提出。該理論認為底板是否發(fā)生突水關(guān)鍵在于是

11、否具備突水通道。這分為兩種情況：其一，底板水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)存在與水源勾通的固有突水通道，當其被采掘工程揭穿時，即可產(chǎn)生突破性的大量涌水，構(gòu)成突水事故；其二，底板中不存在這種固有的突水通道，但在工程應力、地殼應力以及地下水共同作用下，沿襲底板巖體結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)中原有的薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生形變、蛻變與破壞，形成新的貫穿性強滲通道而誘發(fā)突水。前者屬于原生通道突水，后者屬于再生或次生通道突水。該理論重視了地質(zhì)構(gòu)造（包括斷層和節(jié)理）這一薄弱面對突水的影響，但對采動和水壓對其產(chǎn)生的影響，尤其采動礦壓的作用缺乏應有的研究。第24頁/共37頁“巖水應力關(guān)系”說 煤科院西安分院提出。該學說認為底板突水是巖（底板砂頁巖）

12、、水（底板承壓水）、應力（采動應力和地應力）共同作用的結(jié)果。采動礦壓使底板隔水層出現(xiàn)一定深度的導水裂隙，降低了巖體強度，削弱了隔水性能，造成了底板滲流場重新分布，當承壓水沿導水破裂進一步浸入時，巖體則因受水軟化而導致裂縫繼續(xù)擴展，直至兩者相互作用的結(jié)果增強到底板巖體的最小主應力小于承壓水水壓時，便產(chǎn)生壓裂擴容，發(fā)生突水。其表達式為：I=Pw/ z (I為突水臨界指數(shù), Pw為底板隔水巖體承受的水壓；z為底板巖體的最小主應力)，當I1時不會發(fā)生突水，反之則發(fā)生突水。該學說綜合考慮了巖石、水壓及地應力的影響，揭示了突水發(fā)生的動態(tài)機理。 第25頁/共37頁新進展 阻水能力評價 保護層帶劃分：礦壓擾動

13、帶，正常帶； 底板“四帶”，新增損傷帶，正常帶 經(jīng)驗公式： 理論公式：7349. 5837. 01665. 0183. 056.20ln7639. 91ALHhCHKhmaxln88.59第26頁/共37頁斷層導水機理 斷層導致隔水層與含水層對接 斷層導致隔水層厚度減少而導水 斷層本身導水 斷層裂隙帶導水 斷層活化導水第27頁/共37頁斷層活化機制x3xgzAa含 水 層高 峰 應 力 線第28頁/共37頁作用于斷層面上的剪應力和正應力分別為：作用于斷層面上的剪應力和正應力分別為： 斷層面的抗剪強度為： 剩余剪應力： 斷層產(chǎn)生滑移變形的條件為:sincoscossin3131ntgCnnn 0

14、 0 0 第29頁/共37頁斷層伴生小斷層（或節(jié)理）的活化機制對于斷層伴生的張節(jié)理，設作用于節(jié)理面的等效張應力為T則有：由斷裂力學理論，得節(jié)理尖端的應力強度因子為 a為節(jié)理長度之半。 設 （采場的支承壓力），（無水平構(gòu)造應力作用），則有: 節(jié)理起裂擴展條件為 即: 上式即為斷層派生節(jié)理起裂擴展的條件。當采場支承壓力增大到滿足上式時，斷層派生節(jié)理就會發(fā)生擴展。31T1aKI31HK1aHKKI)(2ICIKK ICKaHK)(2第30頁/共37頁裂隙的應力強度因子有限元計算圖 4 . 3 - 1 裂 隙 模 型 示 意 圖. 3 - 1 第31頁/共37頁裂隙的應力強度因子模型單元劃分圖第32頁/共37頁裂隙的應力強度因子 X方向的應變量分布 第33頁/共37頁裂隙的應力強