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1、淺談煤層底板隔水層突水形成機理研究【摘要】近年來，隨著淺部煤炭資源的日益枯竭,煤礦深不斷增加，底板突水問題受到越來越多的學者重視，關于底板突水的機理，提出過多種理論及假說，具有代表性的有：“下四帶”理論，突變理論，底板關鍵層理論。目前,關于底板導升破壞帶高度的研究主要通過現(xiàn)場觀測、經(jīng)驗公式獲得，尚未進行理論推導。為此，筆者運用材料力學理論確定了在承壓水作用下，采場隔水層底界面由壓縮區(qū)向卸壓膨脹區(qū)過渡的巖體最易發(fā)生損傷破壞，且隨著工作面的推進，損傷程度不斷加劇。當損傷因子達到損傷變量的臨界值De時產(chǎn)生細微裂隙。運用斷裂力學理論建立斷裂力學模型，并分析其在水壓及礦山
2、壓共同作用下的應力強度因子。最后，從損傷斷裂能量的角度分析確定了隔水層易破壞區(qū)域形成初始宏觀裂紋的損傷斷裂能量釋放率計算公式，并對初始宏觀裂紋損傷斷裂能量釋放率與其各影響參數(shù)的關系進行了分析，為進一步研究底板突水提供了理論依據(jù)?！娟P鍵詞】煤層底板；隔水層；力學負荷；斷裂；結論1底板隔水層承壓水導升力學模型1.1底板隔水層力學分析工作面自開切眼到老頂初次斷裂的過程中，釆空區(qū)范圍不斷擴大，采空區(qū)內底板巖體處于卸壓狀態(tài)，此時可以將底板隔水層簡化為板模型進行力學分析。并且根據(jù)彈塑性理論可以認為板上的載荷沿著短跨方向傳遞到支撐邊界上，單向板可近似地作為梁進行處理。首先對底
3、板隔水層作如下假定：將底板隔水層簡化為兩端固支的平面應變梁；取梁為單位寬度；底板采動破壞帶不具備承載能力；忽略底板承壓水對底板巖體的滲流破壞作用及腐蝕軟化作用。在正常的地質和開采條件下，多數(shù)工作面的底板突水發(fā)生在老頂初次來壓和周期來壓期間。假定煤層開采之前，巖體內的裂隙是閉合的，隨著煤層的開挖，底板隔水層處于卸壓狀態(tài)。將底板隔水層簡化為彈性梁，在老頂未達到初次斷裂時，建立底板隔水層力學模型，如圖1所示。1.2底板隔水層損傷機理分析巖石材料是經(jīng)過長時間地質作用形成的一種天然產(chǎn)物。在收集華北型煤礦底板破壞實測數(shù)據(jù)的基礎上，利用回歸分析法，并結合損傷力學理論建立了底板
4、深度的破壞公式，但對于底板隔水層在滲透水壓作用下尚未進行理論分析。筆者通過材料力學理論分析得出底板隔水層固支梁兩端的底界面拉應力最大，首先產(chǎn)生損傷破壞。在此基礎上，考慮了損傷區(qū)內孔隙壓力的影響，計算得出損傷變量的臨界值DC。根據(jù)幾何損傷理論，底板損傷區(qū)內所受的有效應力由巖石骨架所受的應力和裂隙內的孔隙壓力來平衡，損傷區(qū)的有效應力0’與無損狀態(tài)應力。及損傷區(qū)殘余水壓力q‘的關系如T：當D=DC時，巖體骨架發(fā)生屈服破壞，巖體內部形成微裂紋且裂紋端部應力集中并形成翼狀裂紋。在老頂初次來壓之前，隨著工作面的不斷推進，底板隔水層卸壓程度逐漸增加，隔水層底界面由壓縮區(qū)向卸壓
5、膨脹區(qū)過渡的巖體所受的拉應力逐漸增加，損傷區(qū)裂紋密度不斷增加并相互貫。1.3底板隔水層斷裂力學模型隨著'‘下三帶”、'‘下四帶”理論的提出，專家們對底板導升破壞帶高度也進行了大量的研究。筆者在底板隔水層底界面由壓縮區(qū)向卸壓膨脹區(qū)過渡的巖體損傷破壞并形成宏觀裂紋的基礎上，結合材料力學理論建立底板隔水層斷裂力學模型，以更加合理地分析底板隔水層導升帶高度。在隔水層易破壞區(qū)域形成宏觀裂紋的情況下，對裂紋進行力學分析。為簡化計算，在分析裂紋端部的應力集中系數(shù)時，忽略剪應力的影響。由于底板承壓水作用引起隔水層向卸壓采空區(qū)擠壓變形，因此隔水層底界面形成的宏觀裂紋受到遠場拉應力
6、及水壓滲透擴展的共同作用。綜合以上分析，建立斷裂力學模型，如圖2所示。選取以往相關參數(shù)，a二0.02,os二5MPa,p二4MPa,Y=2500kn/m3,h=40m,q=lMPa,L=35m,E=15GPao分析整理出裂紋損傷斷裂能量釋放率與其各影響因素的關系，如圖3所示。從圖3(a)可以看出，隨著巖體的抗拉強度及彈性模量的增加，裂紋損傷斷裂釋放能量的能力逐漸降低，當小于等于裂紋損傷斷裂能量釋放率的臨界GIC時，底板隔水層突水危險性降低。這表明通過采用底板注漿或者其他加固手段，增加巖體的力學特性，從而降低底板突水危險系數(shù)。從圖3(b)中可以看出，隨著老頂初次來
7、壓步距的增加，裂紋損傷斷裂釋放能量的傾向性逐漸增強，當GI2GIC時，裂紋擴展，底板突水危險性增加；隨著底板隔水層厚度的降低，裂紋損傷斷裂釋放能量的能力也逐漸增高，表明底板突水危險性增加，這與現(xiàn)場觀測的結論相吻合。從圖3(c)中可以看出，隨著采空區(qū)垮落殲石及底板破壞帶質量的增加，裂紋擴展的損傷斷裂釋放能量能力逐漸減小，因此，在頂板較為堅硬的情況下，強制放頂可以增加等效正向載荷，即增加底板抑制裂紋變形突水的能力。底板承壓水壓力的增加，使裂紋損傷斷裂能量釋放率隨之增加，因此，降低底板水壓可以有效控制裂紋擴展，從而減小底板突水危險性。當?shù)装逅疄榫植克畨?，或者沒有補給水
8、源時，可以采用疏降水壓的
