礦井水害發(fā)生機理課件

礦井水害發(fā)生機理礦井水害從發(fā)生機理上講，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：包括導水構(gòu)造，防水設施，煤柱等引起的水害。頂板水害發(fā)生機理頂板水害發(fā)生主要是由于開采煤層頂板運動產(chǎn)生。上覆巖層的移動和破壞，形成了充水通道，使上部水體中的水滲入或潰入井下，形成災害。上三帶理論：開采煤層之上存在三帶：冒落帶、導水裂縫帶、彎曲帶。冒落帶和導水裂縫帶統(tǒng)稱冒裂帶。頂板水害發(fā)生機理水經(jīng)覆巖涌入礦井機理1.開采煤層距離含水層（水體）較遠，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。不會發(fā)生潰水。2.開采煤層距離含水體近，冒裂帶直接進入含水層，則含水層水會潰入井下。3.如果是裂隙帶達到含水層，含水層中水會潰入工作面，發(fā)生突水事故；若冒落帶達到含水層，不僅會發(fā)生突水事件，還會發(fā)生潰沙事件。

導水裂隙帶高度研究中國礦業(yè)大學的隋旺華教授以巖體工程力學為理論依據(jù)，對覆巖的破壞機理和判據(jù)進行了研究：上覆巖層巖性及組合是覆巖破壞的物質(zhì)基礎：導水裂隙帶高度研究地層傾角水平和緩傾斜煤層：（0~35°）：整個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)育較高導水裂隙帶高度研究《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：安徽理工大學的桂和榮教授運用塑性屈服準則，得出了覆巖拉破壞準則：當σ1≥σｔ時,拉破壞的條件為ｆ=σｉ-σｔ=0;當σ1≥σ,σ2≥σｔ時,拉破壞條件為ｆ1=σ1-σｔ=0;ｆ2=σ2-σｔ=0，導水裂隙帶高度研究講課人的個人觀點：超限應力、有限空間問題離層帶概念提出及應用，離層帶水害問題（淮北海孜礦水害）。底板水害發(fā)生機理研究歷史及現(xiàn)狀早在20世紀初，國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隔水層的概念。60年代至70年代，匈牙利國家礦業(yè)技術鑒定委員會將相對隔水層厚度的概念列入《礦業(yè)安全規(guī)程》,我國引入該概念.我國在底板突水規(guī)律研究方面起始于60年代，70年代中期，國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，并應用于實踐。80年代開始，以煤炭科學研究總院西安分院、山東礦業(yè)學院及煤炭科學研究總院特采所為代表，不僅各自獨特的理論，而且具有一個完整的研究梯隊。目前，我國防治水的研究工作處于世界領先地位。關于突水理論“下三帶”理論

“下三帶”的理論觀點最早是由山東礦業(yè)學院、井陘礦務局、峰峰礦務局等一批科技人員在實踐中提出的，并在實踐中進行應用和發(fā)展，最后由山東礦業(yè)學院的一批科研人員提出。

Ⅰ底板破壞帶；Ⅱ完整巖層帶；Ⅲ承壓水導高帶。

原位張裂與零位破壞理論由煤科總院北京開采所王作宇、劉鴻泉等人提出。該理論認為，礦壓、水壓聯(lián)合作用于工作面對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）板模型理論煤科總院北京開采所劉天泉院士，張金才等提出認為底板巖層由采動導水裂隙帶和底板隔水帶組成。運用彈性力學、塑性力學理論和相似材料模擬實驗來研究底板突水機制，采用半無限體一定長度上受均布豎向載荷的彈性解、結(jié)合庫侖—莫爾強度理論和Griffith強度理論分別求得了底板受采動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度為基準的預測底板所能承受的極限水壓力的計算公式。

關鍵層理論

中國礦業(yè)大學錢鳴高院士，梨良杰博士提出認為，煤層底板在采動破壞帶之下，含水層之上存在一層承載能力最高的巖層，稱為“關鍵層”。在采動條件下，將關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鍵層在水壓等作用下的極限破斷跨距。分析了關鍵層破斷后巖塊的平衡條件，建立了無斷層條件下采場底板的突水準則和斷層突水的突水準則?！皬姖B通道”說由中科院地質(zhì)所提出。該理論認為底板是否發(fā)生突水關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，當其被采掘工程揭穿時，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，但在工程應力、地殼應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）這一薄弱面對突水的影響，但對采動和水壓對其產(chǎn)生的影響，尤其采動礦壓的作用缺乏應有的研究?！皫r水應力關系”說煤科院西安分院提出。該學說認為底板突水是巖（底板砂頁巖）、水（底板承壓水）、應力（采動應力和地應力）共同作用的結(jié)果。采動礦壓使底板隔水層出現(xiàn)一定深度的導水裂隙，降低了巖體強度，削弱了隔水性能，造成了底板滲流場重新分布，當承壓水沿導水破裂進一步浸入時，巖體則因受水軟化而導致裂縫繼續(xù)擴展，直至兩者相互作用的結(jié)果增強到底板巖體的最小主應力小于承壓水水壓時，便產(chǎn)生壓裂擴容，發(fā)生突水。其表達式為：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力)，當I<1時不會發(fā)生突水，反之則發(fā)生突水。該學說綜合考慮了巖石、水壓及地應力的影響，揭示了突水發(fā)生的動態(tài)機理。新進展阻水能力評價保護層帶劃分：礦壓擾動帶，正常帶；底板“四帶”，新增損傷帶，正常帶經(jīng)驗公式：理論公式：斷層活化機制作用于斷層面上的剪應力和正應力分別為：

斷層面的抗剪強度為：

剩余剪應力：斷層產(chǎn)生滑移變形的條件為:

斷層伴生小斷層（或節(jié)理）的活化機制對于斷層伴生的張節(jié)理，設作用于節(jié)理面的等效張應力為T則有：由斷裂力學理論，得節(jié)理尖端的應力強度因子為

a為節(jié)理長度之半。設（采場的支承壓力），（無水平構(gòu)造應力作用），則有:

節(jié)理起裂擴展條件為

即:上式即為斷層派生節(jié)理起裂擴展的條件。當采場支承壓力增大到滿足上式時，斷層派生節(jié)理就會發(fā)生擴展。裂隙的應力強度因子有限元計算裂隙的應力強度因子模型單元劃分圖裂隙的應力強度因子X方向的應變量分布

裂隙的應力強度因子