底板承压水下采煤.pptx
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1、报告内容1 中国煤矿区水害及其防治概述2 采煤工作面底板应力与位移规律及底板岩体破坏特征3 底板岩体变形及破坏后的渗流特征及突水预测预报4 底板突水的防治技术 1 1 中国煤矿区水害及其防治概述中国煤矿区水害及其防治概述1.1 1.1 报告背景报告背景 我国已开发煤田中华北型煤田占我国已开发煤田中华北型煤田占38%38%,华南型煤田占,华南型煤田占30%30%,华北,华北-东蒙煤田占东蒙煤田占28%28%。华北型煤田太原组煤系受底部巨厚。华北型煤田太原组煤系受底部巨厚层奥陶系灰岩强岩溶含水层的威胁,受威胁层奥陶系灰岩强岩溶含水层的威胁,受威胁储量占总储量的储量占总储量的50%50%以上。华南型
2、煤田龙潭煤系底部受茅口灰岩强岩溶含水以上。华南型煤田龙潭煤系底部受茅口灰岩强岩溶含水层的威胁。层的威胁。8080年代后,随着开采深度的延伸,底板突水日益年代后,随着开采深度的延伸,底板突水日益严重,近严重,近1010年来,由于开采深度加大后造成的煤矿底板突水年来,由于开采深度加大后造成的煤矿底板突水灾害直接经济损失近灾害直接经济损失近3030亿元。如果不能解放这些受水害威胁亿元。如果不能解放这些受水害威胁的煤炭储量,不仅影响煤矿的产量,而且一些老矿井还有被的煤炭储量,不仅影响煤矿的产量,而且一些老矿井还有被迫提前关门的危险。因此,开采前认真研究煤层底板岩体破迫提前关门的危险。因此,开采前认真研
3、究煤层底板岩体破坏突水规律,进行必要的物探工作,对于实现煤矿安全生产,坏突水规律,进行必要的物探工作,对于实现煤矿安全生产,防治煤层底板突水具有十分重要的理论意义和现实意义。防治煤层底板突水具有十分重要的理论意义和现实意义。1.2 我国煤矿区主要受三类水害的威胁。(1)巨厚强含水冲积层对其下伏煤层开采的威胁。(2)具有强含水层或地表水体补给的太原群岩溶灰岩含水层,对其上下煤层的威胁。(3)厚层灰岩岩溶强含水层对其上覆煤层开采的威胁。防治前两类水害的煤层开采技术,已有一套比较完整及成熟的经验,而治理后一类水害,尚缺乏经验。1.3 国内外的研究动态国内外的研究动态 我国煤炭科技工作者在与底板水长期
4、的斗争中,进行了大量的研究工作,并初步形成了如下几种突水预测方法:(1)突水系数方法我国学者早在1964年就开始了底板突水规律的研究,采用突水系数作为预测预报底板突水与否的标准。突水系数就是单位隔水层所能承受的极限水压值,即:式中,Ts为突水系数;p为含水层水压MPa;h为隔水层厚度m。(2)岩-水应力关系法 岩一水应力关系法从物理和应力概念出发,认为造成底板突水需具备两个条件:存在导水破裂带。无论是地质构造作用还是采掘引起的岩体破坏,只要使底板隔水层破坏至一定深度,且与下部导升高度相通或波及到下部含水层,就具备了突水的必要条件。水压与应力关系。当承压水压力大于或等于水平最小主应力时,才会具备
5、突水的充分条件。岩一水应力关系法建立的突水临界指数为:式中,为作用于底板上的承压水压力,MPa;为水平最小主应力,MPa。当指数I1时,底板发生突水。(3)“(3)“下三带下三带”理论理论 根据部分现场实测资料和实验研究成果,李白根据部分现场实测资料和实验研究成果,李白英等提出了英等提出了“下三带下三带”理论。该理论认为开采煤层理论。该理论认为开采煤层底板也像采动覆岩一样,由上至下存在着底板也像采动覆岩一样,由上至下存在着“三带三带”,即上部为底板采动裂隙带,中部为完整岩层隔水,即上部为底板采动裂隙带,中部为完整岩层隔水带和下部为承压水导升裂隙带。其中完整岩层隔水带和下部为承压水导升裂隙带。其
6、中完整岩层隔水带对阻隔底板突水起着主要的保护作用。带对阻隔底板突水起着主要的保护作用。“下三带下三带”理论认为,底板突水机理不仅是底板在水压力作理论认为,底板突水机理不仅是底板在水压力作用下由于底板强度低于水压力的失稳现象,而且也用下由于底板强度低于水压力的失稳现象,而且也是由于底板含水带在水压力和矿山压力共同作用下是由于底板含水带在水压力和矿山压力共同作用下产生了升高所致。当底板含水带与底板采动裂隙带产生了升高所致。当底板含水带与底板采动裂隙带沟通时,就会发生底板突水事故。沟通时,就会发生底板突水事故。(4)(4)原位张裂与零位破坏理论原位张裂与零位破坏理论 王作宇等提出了底板移动的原位张裂
7、和零位破坏理论。王作宇等提出了底板移动的原位张裂和零位破坏理论。该理论认为在岩体自重力和下部水压力的耦合作用下,使其该理论认为在岩体自重力和下部水压力的耦合作用下,使其超前压力压缩段岩体整个结构呈现上半部受水平挤压,下半超前压力压缩段岩体整个结构呈现上半部受水平挤压,下半部受水平张力的状态,因而在其中部附近的底面上的原岩节部受水平张力的状态,因而在其中部附近的底面上的原岩节理、裂隙等不连续面就产生岩体的原位张裂。研究者认为,理、裂隙等不连续面就产生岩体的原位张裂。研究者认为,底板结构岩体由超前压力压缩段的过渡引起其结构状态的质底板结构岩体由超前压力压缩段的过渡引起其结构状态的质变,处于压缩的岩
8、体应力急剧增压,围岩的贮存能大于岩体变,处于压缩的岩体应力急剧增压,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,从而引起采场底板岩体的零位破坏岩体能量的重新平衡,从而引起采场底板岩体的零位破坏;并且认为顶板自重应力场的采场支承压力是引起底板产生破并且认为顶板自重应力场的采场支承压力是引起底板产生破坏的基本前提,煤柱煤体的塑性破坏宽度是控制底板最大破坏的基本前提,煤柱煤体的塑性破坏宽度是控制底板最大破坏深度的基本条件,底板岩体的内摩擦角是影响零位破坏的坏深度的基本条件,底板岩体的内摩擦角是影响零位
9、破坏的基本因素。基本因素。(5)(5)板模型理论板模型理论 刘天泉、张金才等提出了底板岩层由采动导水刘天泉、张金才等提出了底板岩层由采动导水裂隙带和底板隔水带组成的概念,并采用半无限体裂隙带和底板隔水带组成的概念,并采用半无限体一定长度上受均匀竖向载荷的弹性解,结合一定长度上受均匀竖向载荷的弹性解,结合CoulmobCoulmob一一MohrMohr强度理论强度理论GriffithGriffith强度理论分别求得了底板强度理论分别求得了底板受采动影响的最大破坏深度。将底板隔水带看作四受采动影响的最大破坏深度。将底板隔水带看作四周固支受均布载荷作用下的弹性薄板,然后采用弹周固支受均布载荷作用下的
10、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。基准的预测底板所能承受的极限水压力的计算公式。(6)(6)关键层理论关键层理论 钱鸣高、黎良杰等根据底板岩体的层状结构特征,建立钱鸣高、黎良杰等根据底板岩体的层状结构特征,建立了采场底板突水机理的关键层理论。该理论提出在底板岩层了采场底板突水机理的关键层理论。该理论提出在底板岩层中找出一层强度最高的岩层作为底板关键层,将这一关键层中找出一层强度最高的岩层作为底板关键层,将这一关键层看作薄板,很好地满足了薄板理论的基本要求。由于底板关看作薄板,
11、很好地满足了薄板理论的基本要求。由于底板关键层强度最高,因此,当其达到极限破断步距时,煤层至含键层强度最高,因此,当其达到极限破断步距时,煤层至含水层之间的其它岩层均早已达到极限破断步距。这样,对底水层之间的其它岩层均早已达到极限破断步距。这样,对底板突水机理的研究,就转化为板突水机理的研究,就转化为:在无断层构造条件下,底板在无断层构造条件下,底板关键层破断机制的研究关键层破断机制的研究;当有断层切割时,对断层两盘关键当有断层切割时,对断层两盘关键层破断机制与承压水对关键层的张开或断层重新活化与承压层破断机制与承压水对关键层的张开或断层重新活化与承压水在断层带中渗透冲刷的研究水在断层带中渗透
12、冲刷的研究 。(7)(7)渗流耦合方面渗流耦合方面 刘天泉针对煤层开采后岩体的破坏及渗流问题进行了系刘天泉针对煤层开采后岩体的破坏及渗流问题进行了系统的试验与研究,等人提出了岩体渗流场与应力场耦合的集统的试验与研究,等人提出了岩体渗流场与应力场耦合的集中模型和裂隙网络模型;张金才研究了煤层开采后底板岩体中模型和裂隙网络模型;张金才研究了煤层开采后底板岩体的破坏、渗流及突水规律,张金才、张玉卓还研究了裂隙岩的破坏、渗流及突水规律,张金才、张玉卓还研究了裂隙岩体渗流与应力的耦合机理。体渗流与应力的耦合机理。(8 8)前苏联学者)前苏联学者B.B.斯列萨列夫提出了固定梁的概念,首先斯列萨列夫提出了固
13、定梁的概念,首先对煤层底板的岩体进行了理论分析。对煤层底板的岩体进行了理论分析。5050年代后,国外用现场年代后,国外用现场和实验室相结合的方法研究了隔水层的作用。前苏联和南斯和实验室相结合的方法研究了隔水层的作用。前苏联和南斯拉夫等国的学者也开始研究采空区引起的应力变化对相对隔拉夫等国的学者也开始研究采空区引起的应力变化对相对隔水层厚度的影响,以及水流和岩石结构关系等。水层厚度的影响,以及水流和岩石结构关系等。7070年代至年代至8080年代末期,许多国家的岩石力学工作者在研究矿柱的稳定性年代末期,许多国家的岩石力学工作者在研究矿柱的稳定性时研究了底板的破坏机理。时研究了底板的破坏机理。C.
14、F.SantosC.F.Santos、Z.T.BieniawskiZ.T.Bieniawski等等人基于改进的人基于改进的HoekHoekBrownBrown岩体强度准则,并引入临界能量岩体强度准则,并引入临界能量释放点的概念和取决于岩石性质和承受破坏应力前岩石已破释放点的概念和取决于岩石性质和承受破坏应力前岩石已破裂的程度与岩体指标裂的程度与岩体指标RMRRMR相关的无量纲常量相关的无量纲常量M.sM.s,分析了底板,分析了底板的承载能力,对研究采动影响下的底板破坏机理有一定参考的承载能力,对研究采动影响下的底板破坏机理有一定参考价值。在此期间,前苏联矿山地质力学和测量科学研究院突价值。在此
15、期间,前苏联矿山地质力学和测量科学研究院突破传统线性关系,指出导水裂隙和采厚呈平方根关系。破传统线性关系,指出导水裂隙和采厚呈平方根关系。1.4 1.4 存在的问题存在的问题 矿区突水与各影响因素之间存在非线性关系矿区突水与各影响因素之间存在非线性关系,有有些地区各种因素的组合可能促进突水发生些地区各种因素的组合可能促进突水发生,而在另一而在另一种条件下也可能抑制突水事件的发生。因而不能准种条件下也可能抑制突水事件的发生。因而不能准确地建立矿区地质及水文地质预测模型确地建立矿区地质及水文地质预测模型,更不能确切更不能确切地对隔水岩体、承压含水层、地应力、采动影响、地对隔水岩体、承压含水层、地应
16、力、采动影响、岩体内部构造等影响因素进行量化打分岩体内部构造等影响因素进行量化打分,通过数学与通过数学与计算机模型也不能达到满意的预测效果。因此计算机模型也不能达到满意的预测效果。因此,任何任何一种单一的方法都难以做到对矿井突水的准确预报。一种单一的方法都难以做到对矿井突水的准确预报。在突水发生的条件和预测、预报方面在突水发生的条件和预测、预报方面,学者们做了大学者们做了大量工作量工作,提出了许多理论提出了许多理论,但真正实用的、行之有效但真正实用的、行之有效的预测、预报理论尚未完全实现。的预测、预报理论尚未完全实现。(1)(1)突水系数法评价突水系数法评价 突水系数法因写入相关规程而被现场广
17、泛应用。突水系数法因写入相关规程而被现场广泛应用。由于不同矿区由于不同矿区(井井),),甚至同一矿井的不同地段地质条甚至同一矿井的不同地段地质条件及水文地质条件的差异件及水文地质条件的差异,临界突水系数有时变化很临界突水系数有时变化很大大,在实践中不宜掌握在实践中不宜掌握,过于保守过于保守,会影响资源的合理会影响资源的合理回收。该方法只考虑了底板隔水层厚度、承压水头回收。该方法只考虑了底板隔水层厚度、承压水头压力和底板破坏深度等因素压力和底板破坏深度等因素,并且突水系数是经验统并且突水系数是经验统计值计值,因此机械地应用突水系数评价底板突水危险性因此机械地应用突水系数评价底板突水危险性,准确率
18、很难把握。准确率很难把握。(2)“(2)“下三带理论下三带理论”评价评价 “下三带理论下三带理论”用于安全开采论证较为有效用于安全开采论证较为有效,但对突水预但对突水预测测,则存在与突水系数同样的缺陷。突水概率指数方法也是则存在与突水系数同样的缺陷。突水概率指数方法也是需要大量突水资料需要大量突水资料,并且各种因素在底板突水中所起的作用并且各种因素在底板突水中所起的作用很难准确地进行量化很难准确地进行量化,这些突水预测预报理论都没有从根本这些突水预测预报理论都没有从根本上解决突水预报的可靠性问题上解决突水预报的可靠性问题,其理论待于完善。其理论待于完善。目前,学者们针对采场煤层及顶板性质对底板
19、破坏的影目前,学者们针对采场煤层及顶板性质对底板破坏的影响问题考虑的很少响问题考虑的很少,还有待于进一步分析研究。比如还有待于进一步分析研究。比如”三软三软”煤层条件下底板的变形破坏特征煤层条件下底板的变形破坏特征,与其他条件下底板的变与其他条件下底板的变形破坏相比是否存在特殊性形破坏相比是否存在特殊性,底板的变形破坏规律底板的变形破坏规律,裂隙演化裂隙演化情况等。宜采用多因素综合分析方法情况等。宜采用多因素综合分析方法,对底板水预测预报及对底板水预测预报及防治措施提供理论依据。防治措施提供理论依据。2 2 采煤工作面底板应力传递规律采煤工作面底板应力传递规律2.1 2.1 走向方向走向方向支
20、承压力在底板岩体中的传递过程支承压力在底板岩体中的传递过程 长臂工作面周围支撑压力分布长臂工作面周围支撑压力分布 沿走向顶底板垂直应力等值线 目前,国内外对煤层顶底板应力规律的研究还很不够,一般靠有限元数值计算法和相似模拟试验来进行模拟底板的应力状态。德国学者雅可比将煤层底板岩体视为均质的弹性体进行有限元模拟计算,得出了垂直应力分布图。煤体下方为增压区,采空区下方为卸压区。在工作面前方底板岩体中出现应力集中,随深度增加集中系数减小,在70m处趋于原岩应力。集中应力影响工作面前方80m。煤层下等应力线呈扁圆形。轴线斜向工作面前方。采空区上覆岩层由工作面前后和侧向煤柱承担,出现卸压区。采空区等应力
21、线也呈椭圆形,轴线倾于采空区。在开切眼附近顶底板垂直应力在开切眼附近顶底板垂直应力最大,说明开切眼处岩层更容易变形开裂。随着采厚最大,说明开切眼处岩层更容易变形开裂。随着采厚增加。支承压力峰值及分布范围大。增加。支承压力峰值及分布范围大。沿倾向底板垂直应力等值线沿倾向底板垂直应力等值线2.2 倾向方向支承压力在底板岩体中的传递过程在工作面两侧煤体下方的垂直应力等值线呈椭圆形分布。煤体下方岩体的应力集中显著,在工作面下侧煤体下部,岩体的应力集中程度略高于工作面侧,并且影响范围也略大。可以看出,卸压区(等应力线小于1的范围)的上部边界并不在煤壁与采空区交接处而是深入到煤层内5m左右,即底板岩体卸压
22、区的范围大于采空区的范围。沿倾斜方向底板岩体的卸压角上侧为78,下侧为79。卸压区的划分并不是过煤壁垂直于煤层的直线,而是深入煤层且倾向采空区的曲线。(1)位于煤柱区的煤层底板,随着工作面的开采,应力一直处于增加的状态下。通常认为,在上方被采空煤层的采区巷道中,支承压力强度与上部煤层留下的煤柱宽度成反比。研究证明,这种认识还不全面。在这些煤柱宽度减小到一定数值以后,其影响也开始减小。(2)位于煤控边缘区(切眼处)的底板,随着工作面的开采,底板在煤柱边缘区总是处于卸压状态。当工作面采至距切眼62m时,底板应力值最小。(3)位于正常状态下的煤层底板,经历采前应力升高,采后应力降低及逐渐恢复阶段。随
23、着工作面的不断推进上述几个阶段交替出现。3 底板岩体位移变化规律 现场观测试验表明,在工作面开采前方岩体即产生位移,随着工作面推进位移量逐渐增大。在工作面开采的前方底板受到压缩而产生压缩位移,在工作面后方,即采空区一侧,底板发生膨胀且其膨胀位移量随工作面推进而逐渐增大,即此阶段底板变形及破坏程度最大。底板岩体不同深度垂直位移实测结果底板岩体不同深度垂直位移实测结果(1)在开采方向上分为三个区:压缩区、膨胀区、恢复区。(2)底板岩体位移量随着距煤层法向距离的增大而减小,至底板以下17m17m时已观测不到位移量。时已观测不到位移量。(3)切眼处一直膨胀,原因:出现悬顶。达到极值后稳定。(4)随着工
24、作面的远离及采空区冒落歼石的逐渐压实、底板位移是逐渐减小,但不能完全恢复到初始值。水平位移与垂直位移变化一致。正常回采阶段采动影响的空间正常回采阶段采动影响的空间时间关系时间关系 4 底板岩体破坏特征4.1 4.1 岩体破坏的塑性解岩体破坏的塑性解(1)(1)底板岩体最大破坏深度:底板岩体最大破坏深度:x xa a:煤层屈服区长度:煤层屈服区长度(2 2)(3 3)(4 4)煤层屈服区长度计算)煤层屈服区长度计算4.2 4.2 煤层底板岩体破坏带分布形态煤层底板岩体破坏带分布形态 (1)(1)理论研究及实测资料表明,煤层回采后顶板以冒落角向理论研究及实测资料表明,煤层回采后顶板以冒落角向上冒落
25、,最终结果是顶板中部冒落的比较充分,采空区在中部上冒落,最终结果是顶板中部冒落的比较充分,采空区在中部充填的较密实;而在采空区两侧顶板冒落的最不充分、充填的充填的较密实;而在采空区两侧顶板冒落的最不充分、充填的也不实,其结果将造成煤层底板在采空区两侧的自由空间大,也不实,其结果将造成煤层底板在采空区两侧的自由空间大,从而此处的底板岩体能够充分地膨胀,产生更多的采动裂隙。从而此处的底板岩体能够充分地膨胀,产生更多的采动裂隙。所以,对于近水平煤层,沿倾斜方向底板破坏带的深度应该是所以,对于近水平煤层,沿倾斜方向底板破坏带的深度应该是采空区中间部位较两侧的小。采空区中间部位较两侧的小。(2)(2)根
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