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1、矿井水害发生机理本讲稿第一页，共三十八页矿井水害从发生机理上讲，可分为四大类：1.煤层顶板水害类：包括地表水，第四系、侏罗系、第三系、煤层顶板砂岩等水害；煤层开采统称为水体下采煤。2.煤层底板水害类：承压含水层水害（包括厚层灰岩、薄层灰岩、砂岩等）。煤层开采称为承压水上采煤。3.老空、老窑水害类4.其他水害类：包括导水构造，防水设施，煤柱等引起的水害。本讲稿第二页，共三十八页顶板水害发生机理顶板水害发生主要是由于开采煤层顶板运动产生。上覆岩层的移动和破坏，形成了充水通道，使上部水体中的水渗入或溃入井下，形成灾害。上三带理论：开采煤层之上存在三带：冒落带、导水裂缝带、弯曲带。冒落带和导水裂缝带统

2、称冒裂带。本讲稿第三页，共三十八页顶板水害发生机理冒落带：指采矿工作面放顶后引起的直接垮落破坏。该带不仅透水而且透砂。裂隙带：指冒落带之上，大量出现的切层、离层和断裂隙或裂隙发育带。该带不会透砂但能透水。弯曲带：指裂隙带以上至地表的整个范围内岩体发生弯曲下沉的整体变形和沉降移动区。访带一般不具备导水能力。本讲稿第四页，共三十八页顶板水害发生机理本讲稿第五页，共三十八页水经覆岩涌入矿井机理1.开采煤层距离含水层（水体）较远，冒裂带触及不到含水层（水体），且含水层水压不足以破坏冒裂带之上的隔水层，弯曲带内的岩层虽然也可能存在伸张裂隙或离层，但这些裂隙互不连通。不会发生溃水。2.开采煤层距离含水体近

3、，冒裂带直接进入含水层，则含水层水会溃入井下。本讲稿第六页，共三十八页本讲稿第七页，共三十八页3.如果是裂隙带达到含水层，含水层中水会溃入工作面，发生突水事故；若冒落带达到含水层，不仅会发生突水事件，还会发生溃沙事件。本讲稿第八页，共三十八页导水裂隙带高度研究一些学者基于研究矿山压力的需要，对工作面顶板的“两带”主要是冒落带进行了研究。中国矿业大学的钱鸣高院士和山东科技 大学的宋振琪院士分别发展了“砌体梁”理论、和“铰接岩梁”理论。这些理论从理论上分析了冒落带的高度，为煤层顶板突水研究提供了理论基础。冒落带公式：式中，H为采高，L为弯曲带下降距离，为碎胀系数，h为冒落带高度本讲稿第九页，共三十

4、八页导水裂隙带高度研究中国矿业大学的隋旺华教授以岩体工程力学为理论依据，对覆岩的破坏机理和判据进行了研究：l l上覆岩层岩性及组合是覆岩破坏的物质基础：本讲稿第十页，共三十八页导水裂隙带高度研究岩体结构特征是覆岩破坏的控制因素l l层状完整结构体l l层状断续结构体l l层状板裂结构体l l层状碎裂结构体l l散体结构岩体本讲稿第十一页，共三十八页导水裂隙带高度研究l l地层倾角 水平和缓倾斜煤层：（水平和缓倾斜煤层：（035035）：整个工作面冒落）：整个工作面冒落带带高度基本高度基本为为同一同一层层位，并呈两端高中位，并呈两端高中间间低的低的马马鞍形鞍形 中等中等倾倾斜的煤斜的煤层层（36

5、54 3654）：冒裂）：冒裂带带下山部位低，下山部位低，上山部位高。上山部位高。急急倾倾斜煤斜煤层层（5590 5590）：上山部位极易）：上山部位极易发发生抽冒生抽冒现现象。象。l l地质构造 断层尤其是张断层附近：易形成抽冒现象，冒裂带断层尤其是张断层附近：易形成抽冒现象，冒裂带发育较高发育较高 节理密集带、褶曲轴部冒裂带发育较高节理密集带、褶曲轴部冒裂带发育较高本讲稿第十二页，共三十八页导水裂隙带高度研究l l地应力 地应力高的区域冒裂带较高地应力高的区域冒裂带较高l l地下水l l开采条件是覆岩破坏的根本原因本讲稿第十三页，共三十八页导水裂隙带高度研究三下规程集中反映了各矿区的冒裂带

6、的观测成果：l l冒裂带发育的影响因素：采高采高 覆岩的岩性覆岩的岩性 冒裂带的冒裂带的公式公式其它研究者的成果：l l安徽理工大学的桂和荣教授运用塑性屈服准则，得出了覆岩拉破坏准则：当1时,拉破坏的条件为=-=0;当1,2时,拉破坏条件为1=1-=0;2=2-=0，本讲稿第十四页，共三十八页导水裂隙带高度研究l l讲课人的个人观点：超限应力、有限空间问题离层带概念提出及应用，离层带水害问题（淮北海孜矿水害）。本讲稿第十五页，共三十八页底板水害发生机理研究历史及现状研究历史及现状早在早在2020世纪初，国外就有人注意到底板隔世纪初，国外就有人注意到底板隔水层的作用水层的作用 4040年代至年代

7、至5050年代，匈牙利韦格弗伦斯第一年代，匈牙利韦格弗伦斯第一次提出底板相对隔水层的概念。次提出底板相对隔水层的概念。6060年代至年代至7070年代，匈牙利国家矿业技术鉴年代，匈牙利国家矿业技术鉴定委员会将相对隔水层厚度的概念列入定委员会将相对隔水层厚度的概念列入矿业安全规程矿业安全规程,我国引入该概念我国引入该概念.本讲稿第十六页，共三十八页我国在底板突水规律研究方面起始于我国在底板突水规律研究方面起始于我国在底板突水规律研究方面起始于我国在底板突水规律研究方面起始于60606060年代，年代，年代，年代，70707070年代中期，国家派科技人员去匈牙利考察，年代中期，国家派科技人员去匈牙

8、利考察，年代中期，国家派科技人员去匈牙利考察，年代中期，国家派科技人员去匈牙利考察，70707070年年年年代代代代后后后后期期期期，修修修修改改改改了了了了原原原原有有有有的的的的突突突突水水水水系系系系数数数数概概概概念念念念，并并并并应应应应用用用用于于于于实践。实践。实践。实践。80808080年年年年代代代代开开开开始始始始，以以以以煤煤煤煤炭炭炭炭科科科科学学学学研研研研究究究究总总总总院院院院西西西西安安安安分分分分院院院院、山山山山东东东东矿矿矿矿业业业业学学学学院院院院及及及及煤煤煤煤炭炭炭炭科科科科学学学学研研研研究究究究总总总总院院院院特特特特采采采采所所所所为为为为代代

9、代代表表表表，不不不不仅仅仅仅各各各各自自自自独独独独特特特特的理论，而且具有一个完整的研究梯队。的理论，而且具有一个完整的研究梯队。的理论，而且具有一个完整的研究梯队。的理论，而且具有一个完整的研究梯队。目前，我国防治水的研究工作处于世界领先地位。目前，我国防治水的研究工作处于世界领先地位。目前，我国防治水的研究工作处于世界领先地位。目前，我国防治水的研究工作处于世界领先地位。本讲稿第十七页，共三十八页关于突水理论关于突水理论“下三带下三带”理论理论“下三带下三带”的理论观点最早是由山东矿业的理论观点最早是由山东矿业学院、井陉矿务局、峰峰矿务局等一批科学院、井陉矿务局、峰峰矿务局等一批科技人

10、员在实践中提出的，并在实践中进行技人员在实践中提出的，并在实践中进行应用和发展，最后由山东矿业学院的一批应用和发展，最后由山东矿业学院的一批科研人员提出。科研人员提出。底板破坏带；底板破坏带；完整岩层带；完整岩层带；承压承压水导高带。水导高带。本讲稿第十八页，共三十八页本讲稿第十九页，共三十八页原位张裂与零位破坏理论原位张裂与零位破坏理论由煤科总院北京开采所王作宇、刘鸿泉等人提出。该理论认为，矿压、水压联合作用于工作面对煤层的影响范围可分为三段：超前压力压缩段（段）、卸压膨胀段（段）和采后压力压缩稳定段（段）本讲稿第二十页，共三十八页本讲稿第二十一页，共三十八页超前压力压缩段在其上部岩体自重力

11、和下部水压力超前压力压缩段在其上部岩体自重力和下部水压力的联合作用下整个结构呈现出上半部受水平挤压、的联合作用下整个结构呈现出上半部受水平挤压、下半部受水平引张的状态，下半部受水平引张的状态，在中部附近的底面上的原岩节理、裂缝等不连续而产在中部附近的底面上的原岩节理、裂缝等不连续而产生岩体的原位张裂。生岩体的原位张裂。在底板承压水的作用下，克服岩体结构面阻力而扩大，在底板承压水的作用下，克服岩体结构面阻力而扩大，并沿着不连续面发展或形成新的张裂，从而形成底板岩并沿着不连续面发展或形成新的张裂，从而形成底板岩体的原位张裂。体的原位张裂。煤层底板结构岩体由煤层底板结构岩体由段向段向段过渡引起其结构

12、状态段过渡引起其结构状态的质变，处于压缩的岩体应力急剧卸压，围岩的贮存能的质变，处于压缩的岩体应力急剧卸压，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岩体能量的重新平衡，从而引起采场底板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的零位破坏.本讲稿第二十二页，共三十八页板模型理论板模型理论煤科总院北京开采所刘天泉院士，张金才等提出煤科总院北京开采所刘天泉院士，张金才等提出煤科总院北京开采所刘天泉院士，张金才等提出煤科总院北京开采所刘天泉院士，张金才等提出认为底板岩层由采动导水裂隙带和底板隔水带组

13、成。认为底板岩层由采动导水裂隙带和底板隔水带组成。认为底板岩层由采动导水裂隙带和底板隔水带组成。认为底板岩层由采动导水裂隙带和底板隔水带组成。运用弹性力学、塑性力学理论和相似材料模拟实验运用弹性力学、塑性力学理论和相似材料模拟实验运用弹性力学、塑性力学理论和相似材料模拟实验运用弹性力学、塑性力学理论和相似材料模拟实验来研究底板突水机制，采用半无限体一定长度上受来研究底板突水机制，采用半无限体一定长度上受来研究底板突水机制，采用半无限体一定长度上受来研究底板突水机制，采用半无限体一定长度上受均布竖向载荷的弹性解、结合库仑均布竖向载荷的弹性解、结合库仑均布竖向载荷的弹性解、结合库仑均布竖向载荷的弹

14、性解、结合库仑莫尔强度理论莫尔强度理论莫尔强度理论莫尔强度理论和和和和GriffithGriffith强度理论分别求得了底板受采动影响的最强度理论分别求得了底板受采动影响的最强度理论分别求得了底板受采动影响的最强度理论分别求得了底板受采动影响的最大破坏深度。大破坏深度。大破坏深度。大破坏深度。将底板隔水层带看作四周固支受均布载荷作用下的弹将底板隔水层带看作四周固支受均布载荷作用下的弹将底板隔水层带看作四周固支受均布载荷作用下的弹将底板隔水层带看作四周固支受均布载荷作用下的弹性薄板，然后采用弹塑性理论分别得到了以底板岩层性薄板，然后采用弹塑性理论分别得到了以底板岩层性薄板，然后采用弹塑性理论分别

15、得到了以底板岩层性薄板，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基准的预测底板所能承受的极限水抗剪及抗拉强度为基准的预测底板所能承受的极限水抗剪及抗拉强度为基准的预测底板所能承受的极限水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。压力的计算公式。压力的计算公式。压力的计算公式。本讲稿第二十三页，共三十八页关键层理论关键层理论 中国矿业大学钱鸣高中国矿业大学钱鸣高 院士，梨良杰博士提院士，梨良杰博士提出出认为，煤层底板在采动破坏带之下，含水层之上存在认为，煤层底板在采动破坏带之下，含水层之上存在认为，煤层底板在采动破坏带之下，含水层之上存在认为，煤层底板在采动破坏

16、带之下，含水层之上存在一层承载能力最高的岩层，称为一层承载能力最高的岩层，称为一层承载能力最高的岩层，称为一层承载能力最高的岩层，称为“关键层关键层关键层关键层”。在采动。在采动。在采动。在采动条件下，将关键层作为四边固支的矩形薄板，然后按条件下，将关键层作为四边固支的矩形薄板，然后按条件下，将关键层作为四边固支的矩形薄板，然后按条件下，将关键层作为四边固支的矩形薄板，然后按弹性理论和塑性理论分别求得底板关键层在水压等作弹性理论和塑性理论分别求得底板关键层在水压等作弹性理论和塑性理论分别求得底板关键层在水压等作弹性理论和塑性理论分别求得底板关键层在水压等作用下的极限破断跨距用下的极限破断跨距用

17、下的极限破断跨距用下的极限破断跨距。分析了关键层破断后岩块的分析了关键层破断后岩块的平衡条件，建立了无断层条件下采场底板的突水准平衡条件，建立了无断层条件下采场底板的突水准则和断层突水的突水准则。则和断层突水的突水准则。本讲稿第二十四页，共三十八页本讲稿第二十五页，共三十八页“强渗通道”说 由中科院地质所提出。该理论认为底板是否发生突由中科院地质所提出。该理论认为底板是否发生突水关键在于是否具备突水通道。这分为两种情况：水关键在于是否具备突水通道。这分为两种情况：其一，底板水文地质结构存在与水源勾通的固有突其一，底板水文地质结构存在与水源勾通的固有突水通道，当其被采掘工程揭穿时，即可产生突破性

18、水通道，当其被采掘工程揭穿时，即可产生突破性的大量涌水，构成突水事故；其二，底板中不存在的大量涌水，构成突水事故；其二，底板中不存在这种固有的突水通道，但在工程应力、地壳应力以这种固有的突水通道，但在工程应力、地壳应力以及地下水共同作用下，沿袭底板岩体结构和水文地及地下水共同作用下，沿袭底板岩体结构和水文地质结构中原有的薄弱环节发生形变、蜕变与破坏，质结构中原有的薄弱环节发生形变、蜕变与破坏，形成新的贯穿性强渗通道而诱发突水。前者属于原形成新的贯穿性强渗通道而诱发突水。前者属于原生通道突水，后者属于再生或次生通道突水。该理生通道突水，后者属于再生或次生通道突水。该理论重视了地质构造（包括断层和

19、节理）这一薄弱面论重视了地质构造（包括断层和节理）这一薄弱面对突水的影响，但对采动和水压对其产生的影响，对突水的影响，但对采动和水压对其产生的影响，尤其采动矿压的作用缺乏应有的研究。尤其采动矿压的作用缺乏应有的研究。本讲稿第二十六页，共三十八页“岩水应力关系”说 煤科院西安分院提出。该学说认为底板突水是岩（底煤科院西安分院提出。该学说认为底板突水是岩（底板砂页岩）、水（底板承压水）、应力（采动应力和板砂页岩）、水（底板承压水）、应力（采动应力和地应力）共同作用的结果。采动矿压使底板隔水层出地应力）共同作用的结果。采动矿压使底板隔水层出现一定深度的导水裂隙，降低了岩体强度，削弱了隔现一定深度的导

20、水裂隙，降低了岩体强度，削弱了隔水性能，造成了底板渗流场重新分布，当承压水沿导水性能，造成了底板渗流场重新分布，当承压水沿导水破裂进一步浸入时，岩体则因受水软化而导致裂缝水破裂进一步浸入时，岩体则因受水软化而导致裂缝继续扩展，直至两者相互作用的结果增强到底板岩体继续扩展，直至两者相互作用的结果增强到底板岩体的最小主应力小于承压水水压时，便产生压裂扩容，的最小主应力小于承压水水压时，便产生压裂扩容，发生突水。其表达式为：发生突水。其表达式为：I=Pw/z (II=Pw/z (I为突水临界指为突水临界指数数,Pw,Pw为底板隔水岩体承受的水压；为底板隔水岩体承受的水压；z z为底板岩体的为底板岩体

21、的最小主应力最小主应力)，当，当I1I1时不会发生突水，反之则发生时不会发生突水，反之则发生突水。该学说综合考虑了岩石、水压及地应力的影突水。该学说综合考虑了岩石、水压及地应力的影响，揭示了突水发生的动态机理。响，揭示了突水发生的动态机理。本讲稿第二十七页，共三十八页新进展阻水能力评价保护层带划分：矿压扰动带，正常带；底板“四带”，新增损伤带，正常带 经验公式：理论公式：本讲稿第二十八页，共三十八页断层导水机理断层导致隔水层与含水层对接断层导致隔水层厚度减少而导水断层本身导水断层裂隙带导水断层活化导水本讲稿第二十九页，共三十八页断层活化机制本讲稿第三十页，共三十八页作用于断层面上的剪应力和正应

22、力分别为：断层面的抗剪强度为：剩余剪应力：断层产生滑移变形的条件为:本讲稿第三十一页，共三十八页断层伴生小断层（或节理）的活化机制对于断层伴生的张节理，设作用于节理面的等效张应对于断层伴生的张节理，设作用于节理面的等效张应力为力为T T则有则有：由断裂力学理论，得节理尖端的应力强度因子为由断裂力学理论，得节理尖端的应力强度因子为 a a为节理长度之半。为节理长度之半。设设 （采场的支承压力），（无水平构造应力作用）（采场的支承压力），（无水平构造应力作用），则有，则有:节理起裂扩展条件为节理起裂扩展条件为 即即:上式即为断层派生节理起裂扩展的条件。当采场支承压力增上式即为断层派生节理起裂扩展的

23、条件。当采场支承压力增大到满足上式时，断层派生节理就会发生扩展。大到满足上式时，断层派生节理就会发生扩展。本讲稿第三十二页，共三十八页裂隙的应力强度因子有限元计算本讲稿第三十三页，共三十八页裂隙的应力强度因子模型单元划分图本讲稿第三十四页，共三十八页裂隙的应力强度因子 X方向的应变量分布 本讲稿第三十五页，共三十八页裂隙的应力强度因子 Y方向的应力分布 本讲稿第三十六页，共三十八页老空、老窑水害及其他水害发生机理老空、老窑水害：老空、老窑水害：长期或短期积水，水压增大到一定程度，突破或人为破坏阻挡物（煤柱或煤岩块体），积水快速溃下，造成灾害。导水构造沟通含水层与开采煤层破坏区；防水设施，强度不足，施工质量差，达不到要求；围岩长期渗流，变形破坏；煤柱尺寸不足，强度不足以抵抗水压等引起水害本讲稿第三十七页，共三十八页本讲稿第三十八页，共三十八页