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1、文章編號:1003-5923(2000)02-0049-03采場底板斷層突水判別方法112施龍青,曲有剛,徐望國(1.山東科技大學,山東泰安271019;2.湘潭工學院,湖南湘潭411201)摘要:根據(jù)“以巖層運動為中心”的礦山壓力理論,煤體在礦山壓力作用下將出現(xiàn)非彈性區(qū)。礦山壓力高峰應力在底板中的傳播不是垂直向下的,而斜向煤壁前方。位于底板高峰應力線前方(煤壁前方)的巖石具有隔水性能,承壓水只能通過斷層從位于底板高峰線后方(采空區(qū)方向)的底板中突出。采場斷層發(fā)生突水的條件為煤層開采造成的底板破壞深
2、度不小于底板高峰應力線與斷層交點的深度。關鍵詞:礦山壓力;底板破壞深度;斷層;突水中圖分類號:TD327.3文獻標識碼:A采場底板斷層的突水不應該僅僅被看成地質(zhì)非彈性區(qū)包括破碎區(qū)和塑性區(qū),其范圍xg為:及水文地質(zhì)現(xiàn)象的一種表現(xiàn),而應該被看成礦山壓11(s-*)/xg=ln*[P-2(ecc2-1)](1)力顯現(xiàn)的一種特殊表現(xiàn)形式。有了這一認識,我們1c就找到了巷道突水和采場突水的根本區(qū)別,即礦山2fkp式中1=(2)h壓力貫穿于采場突水的始終。本文根據(jù)采場支撐壓1+sin力及底板應力的
3、分布規(guī)律,分析了采場斷層突水的kp=(3)1-sin力學機理,給出了采場底板斷層是否突水的判別方P=kmaxH(4)法。M0St2=(5)2fkp1支撐壓力的分布特征St=tg!(6)采場附近煤體上的支撐壓力往往超過其極限M0=tg?0(7)強度,在煤壁附近形成非彈性區(qū)。按照彈性軟化模2CcosSc=(8)1-sin型,分別處于彈性、軟化和流動的區(qū)域相應地稱為[1]以上各式中符號的意義如下:彈性區(qū)、塑性區(qū)、破碎區(qū),如圖1所示。f—巖層與頂?shù)装逯g的摩擦系數(shù);h—煤層*厚度;—煤體的內(nèi)摩擦角
4、;c—單軸壓縮時的殘余強度,Pa;P—最大支撐壓力;kmax—峰值應力集中系數(shù);—上覆巖層的容重;H—煤層采深;M0—煤體塑性軟化模量;?0—煤體塑性軟化角;St—塑性區(qū)煤體應變梯度;!—塑性區(qū)煤層與頂?shù)装遄冃谓侵?C—煤體的粘聚力。塑性區(qū)x2范圍為:hx2=(9)M0St破碎區(qū)x1范圍為:x1=xg-x2(10)圖1工作面前方煤體變形區(qū)域2采場底板應力分布特征Ⅰ—破碎區(qū);Ⅱ—塑性區(qū);Ⅲ—彈性區(qū)采場底板在推進方向受開采影響的基本情況基金項目:國家自然科學基金資助項目,代號:E0401,批準號:5
5、9774001礦山壓力與頂板管理2000.№2·49·如圖2、3所示。開采深度為H的煤體下方垂直集沿底板高峰應力線的傾向方向,支撐壓力峰值中應力z等值線呈斜向煤壁前方的“泡”形,采空狀態(tài)向原始應力狀態(tài)過渡,相應地煤層底板由壓縮區(qū)下方卸壓應力等值線呈向后方的“泡”形。煤層狀態(tài)向原巖狀態(tài)過渡。受支撐壓力峰值壓縮的底板開采后,底板出現(xiàn)應力升高和降低、壓縮和膨脹變一旦遭到破壞,支撐壓力峰值就會向深部移動,即形等現(xiàn)象,且引起拉伸破壞、剪破壞、層面和軟弱離煤壁更遠,相應地底板高峰應力線也向深部移夾層剪切滑移以
6、及斷層面重新活動,這一系列活動動。因此,未遭受支撐壓力峰值壓縮的底板不會破是底板突水的誘發(fā)因素。壞,從而在底板高峰應力線與斷層之間的底板巖層具有原始的隔水性能。沿底板高峰應力線的傾向相反的方向,即向采空區(qū)方向,支撐壓力由峰值狀態(tài)向低應力狀態(tài)過渡,相應地煤層底板由壓縮狀態(tài)向膨脹狀態(tài)過渡。因這部分的煤層底板都已遭受過支撐壓力峰值的破壞,所以喪失了原始的隔水性能,可成為導水通道。圖2采場底板垂直應力z/H的分布圖圖3采場底板活動概貌[2]煤層開采造成底板破壞深度h用下式表示:圖4斷層突水機理圖h=-25
7、.18+0.00911H+0.0448#-底板通過斷層構成突水通道的條件為:煤層開0.3113F+7.9291lnL(11)采造成的底板破壞深度h不小于底板高峰應力線式中:H—采深;#—煤層傾角;L—工作面斜長;與斷層交點的深度z,即:F—底板巖層堅固性系數(shù)。h≥z(15)3斷層突水條件分析4討論如圖4所示,煤壁到斷層的距離為a,高峰應(1)如果x3等于0,x2不等于0,即斷層煤柱力傳播角為?,高峰應力線與傾角為a的斷層交于處于塑性狀態(tài)和破壞狀態(tài),此時含水層的承壓水不A點,z為交點距煤層的深度。以A
8、為頂點,彈性[3]僅能從采場底板突出,而且還能從煤體滲透出來,區(qū)煤層長度x3為底的三角形面積為:x2并且煤體將會逐漸完全失去阻水能力,最終被沖13sin!sin(90°-?)S=x3z=22sin(!+90°-?)垮,其道理如下。整理得下式:首先,此時的斷層煤柱阻水能力主要來源之一x3=a-xg(12)為處于塑性區(qū)煤體中的尚未同導水裂隙溝通的裂x3sin!cos?sin!cos?z==(a-xg)(13)隙。這些導水裂隙在承壓水的作用下,很容易擴張,cos(!-?)c
