矿井顶板水害防治理论与技术新进展

矿井顶板水害防治理论与技术新进展主要内容顶板水防治传统理论及应用顶板水防治现代理论及应用大采深大跨度条件下导水裂隙带高度计算研究现代物探技术顶板水防治中应用一、顶板水防治传统理论及应用“上三带”传统理论简介“上三带”理论在采空区，从开采的煤层到地表，根据覆岩运动的强度，可以划分三个层带即：垮落带（冒落带）、裂隙带（破裂带）、弯曲带（沉降带）。覆岩破坏移动分带示意图12abIIIIIIcⅠ—垮落带（冒落带）；Ⅱ—裂隙带（破裂带）；Ⅲ—弯曲带（沉降带）hh1h2h3冒落带裂隙带弯曲带“上三带”理论模型导水裂缝带：裂隙带和冒落带都没有隔水能力，两者之和称为导水裂缝带导水裂缝带=冒落带+破裂带顶板突水机理：导水裂缝带发育的高度穿过或者抵达顶板含水层，则顶板水就会涌入或者溃入到采场。《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》（[2000]第18号）HbHhHshHbHhHsh(b)(a)缓倾斜（0°~35°）中倾斜（36°~54°）急倾斜（﹥54°）非急倾斜厚煤层分层开采导水裂缝带高度计算公式9.80.22.1100HliMM1030MHli6.56.36.1100HliMM1020MHli0.40.51.3100HliMM1010MHli0.30.80.5100HliMM岩性计算公式（一）计算公式（二）坚硬中硬软弱极软弱顶板突水机理的研究一直采用“上三带”理论，忽视了该理论提出的背景及力学理论基础，即该理论是上世纪80年代初开采浅部煤层时，以弹性力学为假设条件提出的，因此在大采深大跨度条件下，“上三带”理论需要丰富和发展。“上三带”理论应用现状“上三带”理论提出背景及适用条件上世纪80年代初刘天泉院士提出。当时开采条件为浅部开采，受到支护技术限制，采深不超过500m。浅部煤层开采覆岩运动具有“连贯性”特点，而深部煤层的开采则由“突变性”和“间断性”特点。无论是浅部煤层的开采，还是深部煤层的开采，无论是分层开采，还是综放开采，一律采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中的计算公式，忽视了《规程》中公式提出的背景和适用条件。导水裂缝带高度研究现状《规程》公式背景及适用条件浅部煤层开采，即采深小于500m。分层开采，单层采厚1m—3m，累计采厚不超过15m。只考虑采厚单因素的总结出的经验公式。二、顶板水防治现代理论及应用“上四带”理论在采空区，从开采的煤层到地表，根据覆岩运动的强度，可以划分四个层带即：垮落带（冒落带）、裂隙带（破裂带）、离层带、弯曲带（沉降带）。“上四带”现代理论简介“上四带”理论模型hh1h2h3h4离层带冒落带裂隙带弯曲带“上四带”理论适用性具有普遍意义，深部煤层开采更明显覆岩岩性组合具有明显的“上硬下软”的特点井田开采面积大解释大型顶板突水现象根据“上四带”理论导水裂缝带高度研究进展：施龙青根据“上四带”理论模型，在研究了大采深大跨度工作面导水裂缝带影响因素基础上，给出考虑多因素的导水裂缝带高度计算公式。三、大采深大跨度条件下导水裂隙带高度计算研究1、矿井开采特点目前我国多数矿井开采现状是采深大于500m,工作面跨度大于120m,采用综采或综放开采工艺,因此具有采深大、采厚大、工作面跨度(斜长)大的特点.显然,采用规程中的公式计算这种开采条件下工作面导水裂隙带高度是不合理的.大量的生产实践证明,影响导水裂隙带发育的主要因素不仅有开采厚度,而且还有采深、工作面开采跨度、岩石的力学性质及岩层组合结构等.2导水裂缝带高度主要影响因素分析(1)开采厚度根据矿山压力控制理论，工作面的采空区是处于无支护条件下，当工作面推进到一定距离后，便产生初次来压，出现第一次明显的压力重新分布，即采空区周边，特别是顶板出现了明显的塑性区。当工作面推进到与工作面跨度距离接近时，便产生第一次的周期性来压，出现第二次明显的压力重新分布，此时塑性区范围不仅出现显著膨胀扩容现象,而且还出现了明显的破碎区,导致顶板岩层冒落，并随着周期性矿山压力的出现，在采厚不变的前提下，冒落带的高度相对稳在一定数值范围内。开采厚度越大，顶板塑性区的范围也越大,同时提供给冒落岩层的空间也越大,因此造成冒落带的高度也越大。因此，开采厚度是冒落带高度的决定因素。（2）开采深度根据地质力学理论及岩石力学理论，地应力是随着地层的深度增加而增加。煤层开采后，顶板上覆岩层运动导致导水裂隙带的形成，覆岩运动的幅度和速度直接影响着导水裂隙带的高度，而促使覆岩运动的力源为矿山压力。根据矿山压力控制理论，矿山压力的大小和采深成正比。煤层的开采深度越深，矿山压力越大，覆岩运动规模越大，导水裂隙带越发育。因此，采深是导水裂隙带发育的控制因素。（3）工作面跨度(斜长)根据材料力学理论，两端固定的岩梁弯曲度和岩梁的跨度成正比。煤层开采工作面的跨度越大，顶板岩梁向下弯曲的幅度越大，岩梁断裂几率越高，则裂隙带发育的高度越大。另外,相似材料模拟研究证明，采空区上方导水裂隙带的形态是“拱形”，即“裂隙拱”，而不是通常认为的“马鞍形”。“裂隙拱”的半径和工作面跨度成正比，其数值小于或等于工作面跨度的一般。可见，工作面跨度是裂隙带的最重要控制因素。采场覆岩岩层拱形破裂离层形成的矿山压力采空区（4）岩石的力学性质根据岩石力学理论,岩石中裂隙相互贯通方式有三种，即岩桥张拉型破坏、岩桥剪切型破坏、岩桥拉剪复合型破坏。而矿山压力作用下导水裂隙带的形成是属于岩桥拉剪复合型因此岩石的力学强度，特别是抗剪强度的是阻止导水裂隙带发育的重要力学因素，即岩石的抗剪强度越大，越不利于导水裂隙带的发育。（5）岩层的组合特征岩层的组合特征受到原始沉积环境控制。煤系地层的岩石可分为硬岩和软岩。其中硬岩主要包括灰岩、砾岩、粗砂岩、中砂岩和细砂岩；软岩主要包括粘土岩、泥岩、粉砂岩及煤层。在通常的情况下,采空区顶板岩层的组合如果是“上软下硬型”，则在覆岩岩运动过程中上、下岩层将以相同的曲率一起协同向采空区弯曲；如果是“上硬下软型”,则在覆岩岩运动过程中上、下岩层向采空去弯曲的曲率不一致，便形成“离层带”。因此岩层的组合不仅影响到采动覆岩破断裂隙的贯通度，而且是控制离层带的决定因素。3导水裂隙带高度计算公式（1）“上四带”理论导水裂缝带高度煤系地层为沉积岩，其基本特征是具有层理构造，因此层理是不同力学性质岩层之间的原生分界面。特别是在大跨度的工作面条件下，随开采深度增加，因为硬岩和软岩力学特征差异显著，上、下岩层之间会出现明显的离层现象,形成“离层带”。离层存在是绝对的。只是在浅部开采条件下，由于离层带呈现裂缝状空间，从而忽略其存在，并构成了“上三带”理论。在大采深大跨度开采条件下，离层带则呈现开阔的空间，因此采空区上方可分出冒落带、裂隙带、离层带和弯曲沉降带，即“上四带”。显然，所有没有出现离层时的导水裂隙带的高度小于或等于出现离层时的导水裂隙带高度。在“上四带”理论中，导水裂隙带的高度则为冒落带、裂隙带和离层带之和。导水裂缝带=冒落带+裂隙带+离层带（2）无渗流场影响导水裂隙带高度计算公式首先根据“上四带”理论，推导在考虑上述因素和没有渗透应力场作用，即上覆岩体不含水的情况下，导水裂隙带高度理论计算公式。根据矿山压力控制理论，顶板岩梁的断裂是由于矿山压力超过了岩层的抗拉剪强度所致，那么顶板岩层如果不破裂，必须满足下列表达式：Hk(1)k—顶板应力集中系数；—顶板岩层加权平均比重；H—未破裂岩层的埋深；—未破裂岩层的最大抗剪强度根据实用矿山压力控制理论，支承压力峰值集中系数和工作面斜长有如下关系：xLCK1(2)LxC—工作面跨度；—岩梁之间力的传递系数.顶板应力峰值k随以煤层顶界面为基准，沿顶板法向高度Z增加呈线性衰减，其通式为：kKZ(3)—顶板峰值衰减系数顶板峰值衰减系数主要受到两种因素影响，一是煤层的开采厚度；二是顶板岩层的岩性组合特征。同煤层的开采厚度的关系是负相关的，即：煤层开采厚度越大，顶板峰值衰减系数越小。而同顶板岩层的岩性组合特征的关系是，顶板岩性越坚硬，顶板峰值衰减系数越小。联立式(1)、(2)、(3)，并取式(1)的等号，得顶板出现离层的高度：)1(1HLCzx(4)z——离层的高度根据顶板“上四带”划分理论,离层带以上的岩层处于弹性弯曲状态，不具备导水性。因此可以将近似看成导水裂隙带发育的高度，即：)1(1HLCzhx(5)从公式(5)中可见,工作面斜长是决定导水裂隙带发育最大高度的重要因素之一，导水裂隙带高度同工作面斜长成正相关。在这个公式中，开采厚度对导水裂隙带的影响体现在矿山压力衰减系数中。在大采深的条件下，(5)式中趋于0HLCLCxx1因此(5)式可改写为：LChx(6)根据实用矿山压力控制理论岩，梁之间力的传递比率与煤层强度和岩梁自身的强度和运动发展情况有关，煤层强度越高，岩梁强度越低，值将相对增加，即：xCxC岩煤kCx(7)(7)式中为比例系数，将(7)代入(6)式,则kLkh岩煤(8)由(8)式可知，在大采深条件下，导水裂隙带的高度和岩层的抗压强度成反比，而和工作面的跨度成正比。可见工作面跨度(斜长)是开采深部煤层时导水裂隙带发育高度的重要控制因素。（3）渗流场—矿山压力耦合作用下导水裂隙带高度计算公式。无论是规程中给的经验公式，还是上面推导出的公式(6)、公式(8)，都没有考虑开采煤层顶板含水层中水的因素。理论研究和实验研究表明，承压含水层中的水对裂隙发育具有促进作用，主要体现在以下四个方面：水化膨胀作用降低了裂隙面的摩擦系数、水化膨胀作用有助于裂隙面的张开、水崩解软化作用有利于裂隙扩展、水的浸泡作用使得岩石强度降低.水对岩石强度的影响表现在水对岩的软化作用,其影响的程度可以用软化系数衡量,它是饱和试样的单轴极限抗压强度与风干试样单轴极限抗压强度之比./根据公式(8)推导出渗流场—矿山压力应力场耦合作用下,大采深工作面的导水裂隙带高度理论计算公式为：Lpkkhww0(11)由式（11）可知，含水层水压越大,则导水裂隙带高度越大。即在相同的地质条件和开采条件下，工作面顶板存在承压水含水层时的导水裂隙带高度要比无承压水含水层时的导水裂隙带高度大。4实例分析鲍店煤矿1303综放工作面开采3煤,平均厚度8.7m,平均采高6.9m.,3煤以上基岩总厚度为140~300m,工作面埋深620m,煤层倾角4°~15°,平均8°左右,倾斜长壁仰斜推进,全部垮落法管理顶板,工作面顶板含水层无水,工作面长1264.5m,跨度为135m,岩梁之间力的传递系数与矿山压力衰减系数比值在0.5左右.现场实测压力表压力表进气阀放气阀调压阀堵孔操作台压力表调压阀接高压气源放水阀接高压水源注水操作台流量表进水阀巷道钻机钻窝岩体钻杆钻孔探管耐压软管高压胶管导水裂缝带发育过程停采线-200-220-240-260-280-300柱状灭火道3煤51015202530354045505560657075808590908585909595100100105105110120125606570758022°22°22°（L/min）M-2M-1M-3（m）H-钻孔深度Q-注水漏失量利用公式(6)计算获得的导水裂缝带高度为67.5m,比实测值多了3m,误差率仅为4.7%.根据规程的公式(1)计算获得的导水裂缝带高度为76.02m,比实测值多了11.52m,误差率为17.9%.可见公式(6)对于预计大采深条件下导水裂隙带高度具有一定的实用价值.四、现代物探技术在顶板水防治中应用电法勘探的分类电场性质直流电法交流电法电阻率法充电法自然电场法激发极代法频率域电磁法时间域电磁法无线电波透视法地质雷达电测深法电剖面法高密度电法大地电磁测深法音频大地电磁法可控源音频大地电磁法电磁场音频测深瞬变电磁法（TEM)(AMT)(CSAMT)（FEM)（电阻率CT）(MT)技术问题的提出无论是三极电法探测技术，还是偶极