浅谈煤层底板隔水层突水形成机理研究

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1、浅谈煤层底板隔水层突水形成机理研究【摘要】近年来，随着浅部煤炭资源的日益枯竭,煤矿深不断增加，底板突水问题受到越来越多的学者重视，关于底板突水的机理，提出过多种理论及假说，具有代表性的有：“下四带”理论，突变理论，底板关键层理论。目前,关于底板导升破坏带高度的研究主要通过现场观测、经验公式获得，尚未进行理论推导。为此，笔者运用材料力学理论确定了在承压水作用下，采场隔水层底界面由压缩区向卸压膨胀区过渡的岩体最易发生损伤破坏，且随着工作面的推进，损伤程度不断加剧。当损伤因子达到损伤变量的临界值De时产生细微裂隙。运用断裂力学理论建立断裂力学模型，并分析其在水压及矿山

2、压共同作用下的应力强度因子。最后，从损伤断裂能量的角度分析确定了隔水层易破坏区域形成初始宏观裂纹的损伤断裂能量释放率计算公式，并对初始宏观裂纹损伤断裂能量释放率与其各影响参数的关系进行了分析，为进一步研究底板突水提供了理论依据。【关键词】煤层底板；隔水层；力学负荷；断裂；结论1底板隔水层承压水导升力学模型1.1底板隔水层力学分析工作面自开切眼到老顶初次断裂的过程中，釆空区范围不断扩大，采空区内底板岩体处于卸压状态，此时可以将底板隔水层简化为板模型进行力学分析。并且根据弹塑性理论可以认为板上的载荷沿着短跨方向传递到支撑边界上，单向板可近似地作为梁进行处理。首先对底

3、板隔水层作如下假定：将底板隔水层简化为两端固支的平面应变梁；取梁为单位宽度；底板采动破坏带不具备承载能力；忽略底板承压水对底板岩体的渗流破坏作用及腐蚀软化作用。在正常的地质和开采条件下，多数工作面的底板突水发生在老顶初次来压和周期来压期间。假定煤层开采之前，岩体内的裂隙是闭合的，随着煤层的开挖，底板隔水层处于卸压状态。将底板隔水层简化为弹性梁，在老顶未达到初次断裂时，建立底板隔水层力学模型，如图1所示。1.2底板隔水层损伤机理分析岩石材料是经过长时间地质作用形成的一种天然产物。在收集华北型煤矿底板破坏实测数据的基础上，利用回归分析法，并结合损伤力学理论建立了底板

4、深度的破坏公式，但对于底板隔水层在渗透水压作用下尚未进行理论分析。笔者通过材料力学理论分析得出底板隔水层固支梁两端的底界面拉应力最大，首先产生损伤破坏。在此基础上，考虑了损伤区内孔隙压力的影响，计算得出损伤变量的临界值DC。根据几何损伤理论，底板损伤区内所受的有效应力由岩石骨架所受的应力和裂隙内的孔隙压力来平衡，损伤区的有效应力0’与无损状态应力。及损伤区残余水压力q‘的关系如T：当D=DC时，岩体骨架发生屈服破坏，岩体内部形成微裂纹且裂纹端部应力集中并形成翼状裂纹。在老顶初次来压之前，随着工作面的不断推进，底板隔水层卸压程度逐渐增加，隔水层底界面由压缩区向卸压

5、膨胀区过渡的岩体所受的拉应力逐渐增加，损伤区裂纹密度不断增加并相互贯。1.3底板隔水层断裂力学模型随着'‘下三带”、'‘下四带”理论的提出，专家们对底板导升破坏带高度也进行了大量的研究。笔者在底板隔水层底界面由压缩区向卸压膨胀区过渡的岩体损伤破坏并形成宏观裂纹的基础上，结合材料力学理论建立底板隔水层断裂力学模型，以更加合理地分析底板隔水层导升带高度。在隔水层易破坏区域形成宏观裂纹的情况下，对裂纹进行力学分析。为简化计算，在分析裂纹端部的应力集中系数时，忽略剪应力的影响。由于底板承压水作用引起隔水层向卸压采空区挤压变形，因此隔水层底界面形成的宏观裂纹受到远场拉应力

6、及水压渗透扩展的共同作用。综合以上分析，建立断裂力学模型，如图2所示。选取以往相关参数，a二0.02,os二5MPa,p二4MPa,Y=2500kn/m3,h=40m,q=lMPa,L=35m,E=15GPao分析整理出裂纹损伤断裂能量释放率与其各影响因素的关系，如图3所示。从图3(a)可以看出，随着岩体的抗拉强度及弹性模量的增加，裂纹损伤断裂释放能量的能力逐渐降低，当小于等于裂纹损伤断裂能量释放率的临界GIC时，底板隔水层突水危险性降低。这表明通过采用底板注浆或者其他加固手段，增加岩体的力学特性，从而降低底板突水危险系数。从图3(b)中可以看出，随着老顶初次来

7、压步距的增加，裂纹损伤断裂释放能量的倾向性逐渐增强，当GI2GIC时，裂纹扩展，底板突水危险性增加；随着底板隔水层厚度的降低，裂纹损伤断裂释放能量的能力也逐渐增高，表明底板突水危险性增加，这与现场观测的结论相吻合。从图3(c)中可以看出，随着采空区垮落歼石及底板破坏带质量的增加，裂纹扩展的损伤断裂释放能量能力逐渐减小，因此，在顶板较为坚硬的情况下，强制放顶可以增加等效正向载荷，即增加底板抑制裂纹变形突水的能力。底板承压水压力的增加，使裂纹损伤断裂能量释放率随之增加，因此，降低底板水压可以有效控制裂纹扩展，从而减小底板突水危险性。当底板水为局部水压，或者没有补给水

8、源时，可以采用疏降水压的