礦井水害發(fā)生機(jī)理PPT課件

1、頂板水害發(fā)生機(jī)理頂板水害發(fā)生機(jī)理 頂板水害發(fā)生主要是由于開采煤層頂板運(yùn)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(zāi)害。 上三帶理論： 開采煤層之上存在三帶：冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶、彎曲帶。 冒落帶和導(dǎo)水裂縫帶統(tǒng)稱冒裂帶。第1頁/共37頁頂板水害發(fā)生機(jī)理頂板水害發(fā)生機(jī)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(dǎo)水能力。第2頁/共37頁頂板水害發(fā)生機(jī)理頂

2、板水害發(fā)生機(jī)理第3頁/共37頁水經(jīng)覆巖涌入礦井機(jī)理 1.開采煤層距離含水層（水體）較遠(yuǎn)，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(jìn)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(dá)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(dá)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(dǎo)水裂隙帶高度研究一些學(xué)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(jìn)行了研究。中國礦業(yè)

3、大學(xué)的錢鳴高院士和山東科技 大學(xué)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(chǔ)。 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(dǎo)水裂隙帶高度研究 中國礦業(yè)大學(xué)的隋旺華教授以巖體工程力學(xué)為理論依據(jù)，對覆巖的破壞機(jī)理和判據(jù)進(jìn)行了研究： 上覆巖層巖性及組合是覆巖破壞的物質(zhì)基礎(chǔ)：第8頁/共37頁導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)水裂隙帶高度研究 地應(yīng)力 地應(yīng)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(dǎo)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(xué)的桂和榮教授運(yùn)用

5、塑性屈服準(zhǔn)則，得出了覆巖拉破壞準(zhǔn)則：當(dāng)1時,拉破壞的條件為=-=0;當(dāng)1,2時,拉破壞條件為1=1-=0;2=2-=0， 第12頁/共37頁導(dǎo)水裂隙帶高度研究 講課人的個人觀點(diǎn)：超限應(yīng)力、有限空間問題 離層帶概念提出及應(yīng)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(jī)理底板水害發(fā)生機(jī)理研究歷史及現(xiàn)狀研究歷史及現(xiàn)狀 早在早在2020世紀(jì)初，國外就有人注意到底板隔水層的作用世紀(jì)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(yīng)用于實踐。應(yīng)用于實踐。 8080年代開始，以煤炭科學(xué)研究總院西安分院、年代開始，以煤炭科學(xué)研究總院西安分院、山東礦業(yè)學(xué)院及煤炭科學(xué)研究總

7、院特采所為代山東礦業(yè)學(xué)院及煤炭科學(xué)研究總院特采所為代表，不僅各自獨(dú)特的理論，而且具有一個完整表，不僅各自獨(dú)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(diǎn)最早是由山東礦業(yè)學(xué)院、井陘礦務(wù)局、峰峰礦務(wù)局等一批科技人員在實踐中提出的，并在實踐中進(jìn)行應(yīng)用和發(fā)展，最后由山東礦業(yè)學(xué)院的一批科研人員提出。 底板破壞帶；完整巖層帶；承壓水導(dǎo)高帶。 第16頁/共37頁斷 層 帶保 護(hù) 帶破 壞 帶導(dǎo) 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(rèn)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(kuò)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(yīng)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(yīng)變能以達(dá)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(rèn)為底板巖層由采動導(dǎo)水裂隙帶和底板隔水帶組成。 運(yùn)用彈性力學(xué)、塑性力學(xué)理論和相似材料模擬實驗來研究底板突水機(jī)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(qiáng)度理論和Griffith強(qiáng)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(qiáng)度為基準(zhǔn)的預(yù)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(xué)錢鳴高 院士，梨良杰博士提出 認(rèn)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(zhǔn)則和斷層突水的突水準(zhǔn)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(qiáng)滲通道”說 由中科院地質(zhì)所提出。該理論認(rèn)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(dāng)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(yīng)力、地殼應(yīng)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(qiáng)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(yīng)有的研究。第24頁/共37頁“巖水應(yīng)力關(guān)系”說 煤科院西安分院提出。該學(xué)說認(rèn)為底板突水是巖（底板砂頁巖）

12、、水（底板承壓水）、應(yīng)力（采動應(yīng)力和地應(yīng)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(dǎo)水裂隙，降低了巖體強(qiáng)度，削弱了隔水性能，造成了底板滲流場重新分布，當(dāng)承壓水沿導(dǎo)水破裂進(jìn)一步浸入時，巖體則因受水軟化而導(dǎo)致裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，直至兩者相互作用的結(jié)果增強(qiáng)到底板巖體的最小主應(yīng)力小于承壓水水壓時，便產(chǎn)生壓裂擴(kuò)容，發(fā)生突水。其表達(dá)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(yīng)力)，當(dāng)I1時不會發(fā)生突水，反之則發(fā)生突水。該學(xué)說綜合考慮了巖石、水壓及地應(yīng)力的影響，揭示了突水發(fā)生的動態(tài)機(jī)理。 第25頁/共37頁新進(jìn)展 阻水能力評價 保護(hù)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(dǎo)水機(jī)理 斷層導(dǎo)致隔水層與含水層對接 斷層導(dǎo)致隔水層厚度減少而導(dǎo)水 斷層本身導(dǎo)水 斷層裂隙帶導(dǎo)水 斷層活化導(dǎo)水第27頁/共37頁斷層活化機(jī)制x3xgzAa含 水 層高 峰 應(yīng) 力 線第28頁/共37頁作用于斷層面上的剪應(yīng)力和正應(yīng)力分別為：作用于斷層面上的剪應(yīng)力和正應(yīng)力分別為： 斷層面的抗剪強(qiáng)度為： 剩余剪應(yīng)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(jī)制對于斷層伴生的張節(jié)理，設(shè)作用于節(jié)理面的等效張應(yīng)力為T則有：由斷裂力學(xué)理論，得節(jié)理尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子為 a為節(jié)理長度之半。 設(shè) （采場的支承壓力），（無水平構(gòu)造應(yīng)力作用），則有: 節(jié)理起裂擴(kuò)展條件為 即: 上式即為斷層派生節(jié)理起裂擴(kuò)展的條件。當(dāng)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(kuò)展。31T1aKI31HK1aHKKI)(2ICIKK ICKaHK)(2第30頁/共37頁裂隙的應(yīng)力強(qiáng)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(yīng)力強(qiáng)度因子模型單元劃分圖第32頁/共37頁裂隙的應(yīng)力強(qiáng)度因子 X方向的應(yīng)變量分布 第33頁/共37頁裂隙的應(yīng)力強(qiáng)