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1、文章编号:1003-5923(2000)02-0049-03采场底板断层突水判别方法112施龙青,曲有刚,徐望国(1.山东科技大学,山东泰安271019;2.湘潭工学院,湖南湘潭411201)摘要:根据“以岩层运动为中心”的矿山压力理论,煤体在矿山压力作用下将出现非弹性区。矿山压力高峰应力在底板中的传播不是垂直向下的,而斜向煤壁前方。位于底板高峰应力线前方(煤壁前方)的岩石具有隔水性能,承压水只能通过断层从位于底板高峰线后方(采空区方向)的底板中突出。采场断层发生突水的条件为煤层开采造成的底板破坏深
2、度不小于底板高峰应力线与断层交点的深度。关键词:矿山压力;底板破坏深度;断层;突水中图分类号:TD327.3文献标识码:A采场底板断层的突水不应该仅仅被看成地质非弹性区包括破碎区和塑性区,其范围xg为:及水文地质现象的一种表现,而应该被看成矿山压11(s-*)/xg=ln*[P-2(ecc2-1)](1)力显现的一种特殊表现形式。有了这一认识,我们1c就找到了巷道突水和采场突水的根本区别,即矿山2fkp式中1=(2)h压力贯穿于采场突水的始终。本文根据采场支撑压1+sin力及底板应力的
3、分布规律,分析了采场断层突水的kp=(3)1-sin力学机理,给出了采场底板断层是否突水的判别方P=kmaxH(4)法。M0St2=(5)2fkp1支撑压力的分布特征St=tg!(6)采场附近煤体上的支撑压力往往超过其极限M0=tg∀0(7)强度,在煤壁附近形成非弹性区。按照弹性软化模2CcosSc=(8)1-sin型,分别处于弹性、软化和流动的区域相应地称为[1]以上各式中符号的意义如下:弹性区、塑性区、破碎区,如图1所示。f—岩层与顶底板之间的摩擦系数;h—煤层*厚度;—煤体的内摩擦角
4、;c—单轴压缩时的残余强度,Pa;P—最大支撑压力;kmax—峰值应力集中系数;—上覆岩层的容重;H—煤层采深;M0—煤体塑性软化模量;∀0—煤体塑性软化角;St—塑性区煤体应变梯度;!—塑性区煤层与顶底板变形角之和;C—煤体的粘聚力。塑性区x2范围为:hx2=(9)M0St破碎区x1范围为:x1=xg-x2(10)图1工作面前方煤体变形区域2采场底板应力分布特征Ⅰ—破碎区;Ⅱ—塑性区;Ⅲ—弹性区采场底板在推进方向受开采影响的基本情况基金项目:国家自然科学基金资助项目,代号:E0401,批准号:5
5、9774001矿山压力与顶板管理2000.№2·49·如图2、3所示。开采深度为H的煤体下方垂直集沿底板高峰应力线的倾向方向,支撑压力峰值中应力z等值线呈斜向煤壁前方的“泡”形,采空状态向原始应力状态过渡,相应地煤层底板由压缩区下方卸压应力等值线呈向后方的“泡”形。煤层状态向原岩状态过渡。受支撑压力峰值压缩的底板开采后,底板出现应力升高和降低、压缩和膨胀变一旦遭到破坏,支撑压力峰值就会向深部移动,即形等现象,且引起拉伸破坏、剪破坏、层面和软弱离煤壁更远,相应地底板高峰应力线也向深部移夹层剪切滑移以
6、及断层面重新活动,这一系列活动动。因此,未遭受支撑压力峰值压缩的底板不会破是底板突水的诱发因素。坏,从而在底板高峰应力线与断层之间的底板岩层具有原始的隔水性能。沿底板高峰应力线的倾向相反的方向,即向采空区方向,支撑压力由峰值状态向低应力状态过渡,相应地煤层底板由压缩状态向膨胀状态过渡。因这部分的煤层底板都已遭受过支撑压力峰值的破坏,所以丧失了原始的隔水性能,可成为导水通道。图2采场底板垂直应力z/H的分布图图3采场底板活动概貌[2]煤层开采造成底板破坏深度h用下式表示:图4断层突水机理图h=-25
7、.18+0.00911H+0.0448#-底板通过断层构成突水通道的条件为:煤层开0.3113F+7.9291lnL(11)采造成的底板破坏深度h不小于底板高峰应力线式中:H—采深;#—煤层倾角;L—工作面斜长;与断层交点的深度z,即:F—底板岩层坚固性系数。h≥z(15)3断层突水条件分析4讨论如图4所示,煤壁到断层的距离为a,高峰应(1)如果x3等于0,x2不等于0,即断层煤柱力传播角为∀,高峰应力线与倾角为a的断层交于处于塑性状态和破坏状态,此时含水层的承压水不A点,z为交点距煤层的深度。以A
8、为顶点,弹性[3]仅能从采场底板突出,而且还能从煤体渗透出来,区煤层长度x3为底的三角形面积为:x2并且煤体将会逐渐完全失去阻水能力,最终被冲13sin!sin(90°-∀)S=x3z=22sin(!+90°-∀)垮,其道理如下。整理得下式:首先,此时的断层煤柱阻水能力主要来源之一x3=a-xg(12)为处于塑性区煤体中的尚未同导水裂隙沟通的裂x3sin!cos∀sin!cos∀z==(a-xg)(13)隙。这些导水裂隙在承压水的作用下,很容易扩张,cos(!-∀)c
