矿井水害发生机理

1、矿井水害发生机理第1页，共38页，2022年，5月20日，9点30分，星期五矿井水害从发生机理上讲，可分为四大类：1.煤层顶板水害类：包括地表水，第四系、侏罗系、第三系、煤层顶板砂岩等水害； 煤层开采统称为水体下采煤。2.煤层底板水害类：承压含水层水害（包括厚层灰岩、薄层灰岩、砂岩等）。煤层开采称为承压水上采煤。3.老空、老窑水害类4.其他水害类：包括导水构造，防水设施，煤柱等引起的水害。第2页，共38页，2022年，5月20日，9点30分，星期五顶板水害发生机理顶板水害发生主要是由于开采煤层顶板运动产生。上覆岩层的移动和破坏，形成了充水通道，使上部水体中的水渗入或溃入井下，形成灾害。上三带理

2、论： 开采煤层之上存在三带：冒落带、导水裂缝带、弯曲带。 冒落带和导水裂缝带统称冒裂带。第3页，共38页，2022年，5月20日，9点30分，星期五顶板水害发生机理冒落带：指采矿工作面放顶后引起的直接垮落破坏。该带不仅透水而且透砂。裂隙带：指冒落带之上，大量出现的切层、离层和断裂隙或裂隙发育带。该带不会透砂但能透水。弯曲带：指裂隙带以上至地表的整个范围内岩体发生弯曲下沉的整体变形和沉降移动区。访带一般不具备导水能力。第4页，共38页，2022年，5月20日，9点30分，星期五顶板水害发生机理第5页，共38页，2022年，5月20日，9点30分，星期五水经覆岩涌入矿井机理1.开采煤层距离含水层（

3、水体）较远，冒裂带触及不到含水层（水体），且含水层水压不足以破坏冒裂带之上的隔水层，弯曲带内的岩层虽然也可能存在伸张裂隙或离层，但这些裂隙互不连通。不会发生溃水。2. 开采煤层距离含水体近，冒裂带直接进入含水层，则含水层水会溃入井下。第6页，共38页，2022年，5月20日，9点30分，星期五第7页，共38页，2022年，5月20日，9点30分，星期五3.如果是裂隙带达到含水层，含水层中水会溃入工作面，发生突水事故；若冒落带达到含水层，不仅会发生突水事件，还会发生溃沙事件。 第8页，共38页，2022年，5月20日，9点30分，星期五导水裂隙带高度研究一些学者基于研究矿山压力的需要，对工作面顶

4、板的“两带”主要是冒落带进行了研究。中国矿业大学的钱鸣高院士和山东科技 大学的宋振琪院士分别发展了“砌体梁”理论、和“铰接岩梁”理论。这些理论从理论上分析了冒落带的高度，为煤层顶板突水研究提供了理论基础。 冒落带公式：式中，H为采高，L为弯曲带下降距离，为碎胀系数，h为冒落带高度第9页，共38页，2022年，5月20日，9点30分，星期五导水裂隙带高度研究中国矿业大学的隋旺华教授以岩体工程力学为理论依据，对覆岩的破坏机理和判据进行了研究：上覆岩层岩性及组合是覆岩破坏的物质基础：第10页，共38页，2022年，5月20日，9点30分，星期五导水裂隙带高度研究岩体结构特征是覆岩破坏的控制因素层状完

5、整结构体层状断续结构体层状板裂结构体层状碎裂结构体散体结构岩体第11页，共38页，2022年，5月20日，9点30分，星期五导水裂隙带高度研究地层倾角水平和缓倾斜煤层：（035）：整个工作面冒落带高度基本为同一层位，并呈两端高中间低的马鞍形中等倾斜的煤层（3654 ）：冒裂带下山部位低，上山部位高。急倾斜煤层（5590 ）：上山部位极易发生抽冒现象。地质构造 断层尤其是张断层附近：易形成抽冒现象，冒裂带发育较高节理密集带、褶曲轴部冒裂带发育较高第12页，共38页，2022年，5月20日，9点30分，星期五导水裂隙带高度研究地应力地应力高的区域冒裂带较高地下水开采条件是覆岩破坏的根本原因第13页

6、，共38页，2022年，5月20日，9点30分，星期五导水裂隙带高度研究三下规程集中反映了各矿区的冒裂带的观测成果：冒裂带发育的影响因素：采高覆岩的岩性冒裂带的公式其它研究者的成果：安徽理工大学的桂和荣教授运用塑性屈服准则，得出了覆岩拉破坏准则：当1时,拉破坏的条件为=-=0;当1,2时,拉破坏条件为1=1-=0;2=2-=0， 第14页，共38页，2022年，5月20日，9点30分，星期五导水裂隙带高度研究讲课人的个人观点：超限应力、有限空间问题离层带概念提出及应用，离层带水害问题（淮北海孜矿水害）。第15页，共38页，2022年，5月20日，9点30分，星期五底板水害发生机理研究历史及现状

7、早在20世纪初，国外就有人注意到底板隔水层的作用 40年代至50年代，匈牙利韦格弗伦斯第一次提出底板相对隔水层的概念。 60年代至70年代，匈牙利国家矿业技术鉴定委员会将相对隔水层厚度的概念列入矿业安全规程,我国引入该概念.第16页，共38页，2022年，5月20日，9点30分，星期五我国在底板突水规律研究方面起始于60年代，70年代中期，国家派科技人员去匈牙利考察，70年代后期，修改了原有的突水系数概念，并应用于实践。80年代开始，以煤炭科学研究总院西安分院、山东矿业学院及煤炭科学研究总院特采所为代表，不仅各自独特的理论，而且具有一个完整的研究梯队。目前，我国防治水的研究工作处于世界领先地位

8、。第17页，共38页，2022年，5月20日，9点30分，星期五关于突水理论“下三带”理论 “下三带”的理论观点最早是由山东矿业学院、井陉矿务局、峰峰矿务局等一批科技人员在实践中提出的，并在实践中进行应用和发展，最后由山东矿业学院的一批科研人员提出。 底板破坏带；完整岩层带；承压水导高带。 第18页，共38页，2022年，5月20日，9点30分，星期五第19页，共38页，2022年，5月20日，9点30分，星期五原位张裂与零位破坏理论由煤科总院北京开采所王作宇、刘鸿泉等人提出。该理论认为，矿压、水压联合作用于工作面对煤层的影响范围可分为三段：超前压力压缩段（段）、卸压膨胀段（段）和采后压力压缩

9、稳定段（段） 第20页，共38页，2022年，5月20日，9点30分，星期五第21页，共38页，2022年，5月20日，9点30分，星期五超前压力压缩段在其上部岩体自重力和下部水压力的联合作用下整个结构呈现出上半部受水平挤压、下半部受水平引张的状态，在中部附近的底面上的原岩节理、裂缝等不连续而产生岩体的原位张裂。在底板承压水的作用下，克服岩体结构面阻力而扩大，并沿着不连续面发展或形成新的张裂，从而形成底板岩体的原位张裂。煤层底板结构岩体由段向段过渡引起其结构状态的质变，处于压缩的岩体应力急剧卸压，围岩的贮存能大于岩体的保留能，便以脆性破坏的形式释放残余弹性应变能以达到岩体能量的重新平衡，从而引

10、起采场底板岩体的零位破坏.第22页，共38页，2022年，5月20日，9点30分，星期五板模型理论煤科总院北京开采所刘天泉院士，张金才等提出认为底板岩层由采动导水裂隙带和底板隔水带组成。运用弹性力学、塑性力学理论和相似材料模拟实验来研究底板突水机制，采用半无限体一定长度上受均布竖向载荷的弹性解、结合库仑莫尔强度理论和Griffith强度理论分别求得了底板受采动影响的最大破坏深度。将底板隔水层带看作四周固支受均布载荷作用下的弹性薄板，然后采用弹塑性理论分别得到了以底板岩层抗剪及抗拉强度为基准的预测底板所能承受的极限水压力的计算公式。 第23页，共38页，2022年，5月20日，9点30分，星期五

11、关键层理论 中国矿业大学钱鸣高 院士，梨良杰博士提出认为，煤层底板在采动破坏带之下，含水层之上存在一层承载能力最高的岩层，称为“关键层”。在采动条件下，将关键层作为四边固支的矩形薄板，然后按弹性理论和塑性理论分别求得底板关键层在水压等作用下的极限破断跨距。分析了关键层破断后岩块的平衡条件，建立了无断层条件下采场底板的突水准则和断层突水的突水准则。 第24页，共38页，2022年，5月20日，9点30分，星期五第25页，共38页，2022年，5月20日，9点30分，星期五“强渗通道”说 由中科院地质所提出。该理论认为底板是否发生突水关键在于是否具备突水通道。这分为两种情况：其一，底板水文地质结构

12、存在与水源勾通的固有突水通道，当其被采掘工程揭穿时，即可产生突破性的大量涌水，构成突水事故；其二，底板中不存在这种固有的突水通道，但在工程应力、地壳应力以及地下水共同作用下，沿袭底板岩体结构和水文地质结构中原有的薄弱环节发生形变、蜕变与破坏，形成新的贯穿性强渗通道而诱发突水。前者属于原生通道突水，后者属于再生或次生通道突水。该理论重视了地质构造（包括断层和节理）这一薄弱面对突水的影响，但对采动和水压对其产生的影响，尤其采动矿压的作用缺乏应有的研究。第26页，共38页，2022年，5月20日，9点30分，星期五“岩水应力关系”说 煤科院西安分院提出。该学说认为底板突水是岩（底板砂页岩）、水（底板

13、承压水）、应力（采动应力和地应力）共同作用的结果。采动矿压使底板隔水层出现一定深度的导水裂隙，降低了岩体强度，削弱了隔水性能，造成了底板渗流场重新分布，当承压水沿导水破裂进一步浸入时，岩体则因受水软化而导致裂缝继续扩展，直至两者相互作用的结果增强到底板岩体的最小主应力小于承压水水压时，便产生压裂扩容，发生突水。其表达式为：I=Pw/ z (I为突水临界指数, Pw为底板隔水岩体承受的水压；z为底板岩体的最小主应力)，当I1时不会发生突水，反之则发生突水。该学说综合考虑了岩石、水压及地应力的影响，揭示了突水发生的动态机理。 第27页，共38页，2022年，5月20日，9点30分，星期五新进展阻水

14、能力评价保护层带划分：矿压扰动带，正常带；底板“四带”，新增损伤带，正常带 经验公式： 理论公式：第28页，共38页，2022年，5月20日，9点30分，星期五断层导水机理断层导致隔水层与含水层对接断层导致隔水层厚度减少而导水断层本身导水断层裂隙带导水断层活化导水第29页，共38页，2022年，5月20日，9点30分，星期五断层活化机制第30页，共38页，2022年，5月20日，9点30分，星期五作用于断层面上的剪应力和正应力分别为： 断层面的抗剪强度为： 剩余剪应力：断层产生滑移变形的条件为: 第31页，共38页，2022年，5月20日，9点30分，星期五断层伴生小断层（或节理）的活化机制对

15、于断层伴生的张节理，设作用于节理面的等效张应力为T则有：由断裂力学理论，得节理尖端的应力强度因子为 a为节理长度之半。设 （采场的支承压力），（无水平构造应力作用），则有: 节理起裂扩展条件为 即: 上式即为断层派生节理起裂扩展的条件。当采场支承压力增大到满足上式时，断层派生节理就会发生扩展。第32页，共38页，2022年，5月20日，9点30分，星期五裂隙的应力强度因子有限元计算第33页，共38页，2022年，5月20日，9点30分，星期五裂隙的应力强度因子模型单元划分图第34页，共38页，2022年，5月20日，9点30分，星期五裂隙的应力强度因子 X方向的应变量分布 第35页，共38页，2022年，5月20日，9点30分，星期五裂隙的应力强度因子 Y方向的应力分布 第