礦井水害發(fā)生機(jī)理

礦井水害發(fā)生機(jī)理第1頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月礦井水害從發(fā)生機(jī)理上講，可分為四大類：1.煤層頂板水害類：包括地表水，第四系、侏羅系、第三系、煤層頂板砂巖等水害；煤層開(kāi)采統(tǒng)稱為水體下采煤。2.煤層底板水害類：承壓含水層水害（包括厚層灰?guī)r、薄層灰?guī)r、砂巖等）。煤層開(kāi)采稱為承壓水上采煤。3.老空、老窯水害類4.其他水害類：包括導(dǎo)水構(gòu)造，防水設(shè)施，煤柱等引起的水害。第2頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月頂板水害發(fā)生機(jī)理頂板水害發(fā)生主要是由于開(kāi)采煤層頂板運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。上覆巖層的移動(dòng)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(kāi)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3頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月頂板水害發(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(huì)透砂但能透水。彎曲帶：指裂隙帶以上至地表的整個(gè)范圍內(nèi)巖體發(fā)生彎曲下沉的整體變形和沉降移動(dòng)區(qū)。訪帶一般不具備導(dǎo)水能力。第4頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月頂板水害發(fā)生機(jī)理第5頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月水經(jīng)覆巖涌入礦井機(jī)理1.開(kāi)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(huì)發(fā)生潰水。2.開(kāi)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(huì)潰入井下。第6頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第7頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.如果是裂隙帶達(dá)到含水層，含水層中水會(huì)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(huì)發(fā)生突水事件，還會(huì)發(fā)生潰沙事件。

第8頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月導(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(duì)工作面頂板的“兩帶”主要是冒落帶進(jìn)行了研究。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的錢(qián)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，λ為碎脹系數(shù)，h為冒落帶高度第9頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月導(dǎo)水裂隙帶高度研究中國(guó)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(duì)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10頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月導(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11頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月導(dǎo)水裂隙帶高度研究地層傾角水平和緩傾斜煤層：（0~35°）：整個(gè)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（36~54°）：冒裂帶下山部位低，上山部位高。急傾斜煤層（55~90°）：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12頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月導(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(kāi)采條件是覆巖破壞的根本原因第13頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月導(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(cè)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)用塑性屈服準(zhǔn)則，得出了覆巖拉破壞準(zhǔn)則：當(dāng)σ1≥σｔ時(shí),拉破壞的條件為ｆ=σｉ-σｔ=0;當(dāng)σ1≥σ,σ2≥σｔ時(shí),拉破壞條件為ｆ1=σ1-σｔ=0;ｆ2=σ2-σｔ=0，第14頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月導(dǎo)水裂隙帶高度研究講課人的個(gè)人觀點(diǎn)：超限應(yīng)力、有限空間問(wèn)題離層帶概念提出及應(yīng)用，離層帶水害問(wèn)題（淮北海孜礦水害）。第15頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月底板水害發(fā)生機(jī)理研究歷史及現(xiàn)狀早在20世紀(jì)初，國(guó)外就有人注意到底板隔水層的作用

40年代至50年代，匈牙利韋格弗倫斯第一次提出底板相對(duì)隔水層的概念。60年代至70年代，匈牙利國(guó)家礦業(yè)技術(shù)鑒定委員會(huì)將相對(duì)隔水層厚度的概念列入《礦業(yè)安全規(guī)程》,我國(guó)引入該概念.第16頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月我國(guó)在底板突水規(guī)律研究方面起始于60年代，70年代中期，國(guó)家派科技人員去匈牙利考察，70年代后期，修改了原有的突水系數(shù)概念，并應(yīng)用于實(shí)踐。80年代開(kāi)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)研究總院特采所為代表，不僅各自獨(dú)特的理論，而且具有一個(gè)完整的研究梯隊(duì)。目前，我國(guó)防治水的研究工作處于世界領(lǐng)先地位。第17頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月關(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(shí)踐中提出的，并在實(shí)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。

Ⅰ底板破壞帶；Ⅱ完整巖層帶；Ⅲ承壓水導(dǎo)高帶。

第18頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第19頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月原位張裂與零位破壞理論由煤科總院北京開(kāi)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(duì)煤層的影響范圍可分為三段：超前壓力壓縮段（Ⅰ段）、卸壓膨脹段（Ⅱ段）和采后壓力壓縮—穩(wěn)定段（Ⅲ段）第20頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第21頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(gè)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。煤層底板結(jié)構(gòu)巖體由Ⅰ段向Ⅱ段過(guò)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(chǎng)底板巖體的零位破壞.第22頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月板模型理論煤科總院北京開(kāi)采所劉天泉院士，張金才等提出認(rèn)為底板巖層由采動(dòng)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(shí)驗(yàn)來(lái)研究底板突水機(jī)制，采用半無(wú)限體一定長(zhǎng)度上受均布豎向載荷的彈性解、結(jié)合庫(kù)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(dòng)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得到了以底板巖層抗剪及抗拉強(qiáng)度為基準(zhǔn)的預(yù)測(cè)底板所能承受的極限水壓力的計(jì)算公式。

第23頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月關(guān)鍵層理論

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)錢(qián)鳴高院士，梨良杰博士提出認(rèn)為，煤層底板在采動(dòng)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(dòng)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(wú)斷層條件下采場(chǎng)底板的突水準(zhǔn)則和斷層突水的突水準(zhǔn)則。第24頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第25頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月“強(qiáng)滲通道”說(shuō)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(shí)，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(duì)突水的影響，但對(duì)采動(dòng)和水壓對(duì)其產(chǎn)生的影響，尤其采動(dòng)礦壓的作用缺乏應(yīng)有的研究。第26頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月“巖水應(yīng)力關(guān)系”說(shuō)煤科院西安分院提出。該學(xué)說(shuō)認(rèn)為底板突水是巖（底板砂頁(yè)巖）、水（底板承壓水）、應(yīng)力（采動(dòng)應(yīng)力和地應(yīng)力）共同作用的結(jié)果。采動(dòng)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(chǎng)重新分布，當(dāng)承壓水沿導(dǎo)水破裂進(jìn)一步浸入時(shí)，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(shí)，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)I<1時(shí)不會(huì)發(fā)生突水，反之則發(fā)生突水。該學(xué)說(shuō)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(dòng)態(tài)機(jī)理。第27頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月新進(jìn)展阻水能力評(píng)價(jià)保護(hù)層帶劃分：礦壓擾動(dòng)帶，正常帶；底板“四帶”，新增損傷帶，正常帶經(jīng)驗(yàn)公式：理論公式：第28頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月斷層導(dǎo)水機(jī)理斷層導(dǎo)致隔水層與含水層對(duì)接斷層導(dǎo)致隔水層厚度減少而導(dǎo)水?dāng)鄬颖旧韺?dǎo)水?dāng)鄬恿严稁?dǎo)水?dāng)鄬踊罨瘜?dǎo)水第29頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月斷層活化機(jī)制第30頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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:

第31頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月斷層伴生小斷層（或節(jié)理）的活化機(jī)制對(duì)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(mén)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(zhǎng)度之半。設(shè)（采場(chǎng)的支承壓力），（無(wú)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(chǎng)支承壓力增大到滿足上式時(shí)，斷層派生節(jié)理就會(huì)發(fā)生擴(kuò)展。第32頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月裂隙的應(yīng)力強(qiáng)度因子有限元計(jì)算第33頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月裂隙的應(yīng)力強(qiáng)度因子模型單元?jiǎng)澐謭D第34頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月裂隙的應(yīng)力強(qiáng)度因子

X方向的應(yīng)變量分布

第35頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023