顶板突水的国内外研究现状(最新)

顶板突水机理研究历史及现状 1 顶板突水国外研究概况 国外煤矿开采已有百年的历史，因此，对煤层覆岩变形破坏研究有了长期的实践经验和理论基础。由于地质条件及煤层赋存状态的差异性，各国相应的研究进程也不尽相同。早在1838年,比利时工程师哥诺特提出第一个理论“垂线理论”；Gonot又以实测资料为基础提出“法线理论”认为采空区上下边界开采影响范围可用相应的层面法线确定；在1885年，法

国人Fayol提出了“圆拱理论”；豪斯于1889年提出了“分带理论”，在1903年Halbaum将采空区上方的岩层看做是悬臂梁，导出地表应变与曲率半径成反比的结论； Fckardt于1913年把岩层移动过程视为各岩层逐渐弯曲的结论；英国矿业局早在1968年就颁布了海下采煤条例，对覆岩的组成、厚度、煤层采厚及采煤方法等作了具体规定；俄罗斯于1973年出版了确定导水裂隙带高度的方法指南，1981年颁布了有关水体下开采的规程，根据覆岩中黏土层厚度、煤厚、重复采动等条件的变化来确定安全采深[1]-[4]。 为揭示煤矿上覆岩层移动的结构形式和力学本质，国外许多学者及研究员提出了众多的假说和理论模型，下面介绍几种应用较广的理论[1]。 1.1 拱形冒落论和压力拱假说 拱形冒落论是俄罗斯的M．M．普罗托吉亚科夫于1907年根据结构力学中的压力曲线理论提出的；德国人哈元和吉列策尔于1928年提出了压力拱假说，补充说明了拱形冒落的假说。该假说借用了巷道顶板的成拱作用，认为采掘时在地下的岩层中形成了空间，引起覆岩冒落，直到形成一个近似拱形的顶。但是在顶板和底板所形成的压力拱，随工作面的推进不断向前移动，随采掘空间的变化而不断变化拱的跨度和高度，直到拱顶发展到地表。 1.2 悬臂梁冒落论和冒落岩块碎胀充填论 悬臂梁冒落论由德国的舒尔茨和施托克提出。该理论将工作面和采空区上方的顶板看成梁或板，初次冒落之后，一端固定在前方的岩石上，只发生弯曲而不折断。当悬臂梁的长度悬伸很大时，便发生周期性的折断，造成周期性的冒压。悬臂梁冒落论符合大面积回采所引起的顶板冒落情况，至今还在使用。而冒落岩块碎胀充填论认为，冒落的岩块可以自然地碎胀，充填采空区的空间，因而限制了顶板冒落的发展，趋向于稳定状况。这两个理论可以互相配合,解释长壁式采矿工作和大面积覆岩破坏。该假说比较适合层状岩层断裂时的情况。 1.3 冒落岩块铰结论 冒落岩块铰结论是原苏联的库兹涅佐夫提出来的，他将工作面上覆岩层的破坏分为两个带：上部的规则移动带，其移动的岩块互相联系和铰合，成一条铰链形状，在采空区上方规则地下沉；下部的不规则垮落带又分为两个部分，其上部的岩块仍按原来方向规则排列，其下部的岩块则可以自由地冒落到采空区内，杂乱无章地排列。 为了对矿井顶板突水进行有效地防治，国外采用将地面垂直钻孔且用潜水泵疏干含水层的主动防护法和建造地下帷幕的堵水截流方法。目前的预测方法主要有统计学方法、突变论方法和现场试验，如水力压裂法等。另外，还有通过物探来地了解煤层中的应力分布情况。如德、英、美等国借助槽波地震法探测落差大于煤层厚的断层，以及采用井下数字地震仪探测岩层中的应力分布；前苏联从超前孔中用无线电波法研究岩溶发育带来预防突水[15]。

2 顶板突水国内研究概况 煤矿突水事故造成严重的后果，我国煤矿生产中的重特大突水事故尤为突出，突水列瓦斯灾害之后排第二位，另外，我国60%的矿区为石炭二叠系含煤地层，其中80%受到突水 灾害的严重威胁，因此对煤矿突水机理的研究有着重大的现实意义。我国对顶板突水规律的研究起步较晚，起始于20世纪60年代，接二连三的顶板重大突水事故使人们不得不面对这个现实而又严峻的问题，顶板突水是威胁矿井安全生产的一个重要问题，不仅恶化了生产环境，而且给生产带来不安全因素。其中比较严重的顶板突水事故有：徐州矿务局大黄山煤矿一号井顶板砂岩突水事故，从1961年4月到1963年6月，先后发生过13次顶板砂岩突水事故，最大突水量为70.2-100.2 m3/h，造成淤巷、堵人、被迫停产、重开切眼、成块丢煤等重大损失；河北开滦荆各庄矿顶板砂岩突水事故，在1980年9月， 突水量在600-1244 m3/h，埋压了33组西德进口综采机组，并影响了其他采煤工作面的回采；江西丰城云庄煤矿顶板长兴灰岩岩溶水突水事故，从1972年到1973年年初，最高突水量达324.7 m3/min，使地面产生大量岩溶塌陷，危及云庄村安全。矿井顶板突水事故频发，造成了巨大的国民经济损失[2]-[4]。

20世纪60年代以前，我国对顶板突水机理的研究基本上处于认识性阶段。煤炭资源开采的重点集中在开采技术条件较好的地区，但已经有了水体下采煤的尝试。从岩层移动造成的地表沉陷等地质灾害出发，定性分析煤层的地质环境条件，进而利用经验法或类比法对导水裂隙带高度进行初步预测，其特点为：以煤层赋存条件为主要研究内容，研究方法主要为定性描述和分析。 20世纪60年代至80年代，我国开始在现场观测资料和试验研究的基础上，结合煤层的采出厚度、岩体的强度类型等，总结出不同覆岩类型条件下，煤层采出厚度与冒高、裂高的相关关系式来积累经验并指导实际生产。通过专门的观测孔来研究开采导水裂隙带高度，并就观测孔中水位变化及水的漏失量等，提出了有效和无效导水裂隙的区分。同时，试验性研究工作，特别是相似材料模拟技术也得到了较快发展，其研究特点为：以上覆岩体地质环境为主要研究内容，以导水裂隙带高度与岩体强度类型之间的关系为研究重点，研究方法已从定性描述和分析向定量化研究大幅迈进。 20世纪80年代以来，随着大量水体下积压煤炭资源的开发，我国也大规模地开展对水体下采煤覆岩导水裂隙带发育规律和防水煤柱的研究，取得了突破性的进展，其研究特点为：①研究内容更为广泛。除重点研究地质构造、地层岩性、水文地质特征、岩体结构等地质条件外，还广泛研究了与覆岩移动变形有关的原岩应力场。在深入研究岩体力学特性、时间效应的基础上，对裂隙带的演变过程进行动态分析；②研究方法更为先进。广泛地应用物理模拟和数值模拟方法，使研究的深度不仅仅局限于覆岩移动变形、破坏现象等方面，而且从覆岩变形破坏过程，影响因素等方面去探讨导水裂隙带的形成机理，并在此基础上进行预测。我国于1985年制订的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，详细规定了导水裂隙带在各种条件下的计算公式及导水裂隙带形态的描述。 随着我国顶板突水事故的日趋严重，人们对矿井顶板突水机理的研究也越来重视，许多地质界、采矿界、岩石力学界等各个领域的研究者纷纷加入，现代统计数学、损伤力学、断裂力学、弹塑性力学、流变力学等理论和现代测试技术及计算机技术的快速引入，使得矿井顶板突水机理无论从横向还是纵向都得到了前所未有的发展，并在实践中形成了许多各具特色的理论和学说。我国顶板突水机理研究主要有“上三带”理论、岩移“四带”理论、“关键层”理论、岩移角理论、砌体梁平衡说、采场薄板矿压理论、拱形理论、覆岩破坏学说及“两带”高度研究等，这些理论或学说的研究为国内研究顶板突水奠定了重要的理论基础，也拓宽了人们对顶板突水机理的认识[5]。当前我国在矿井顶板水突水机理研究方面比较有特色的几种理论将介绍如下。 2.1 “上三带”理论 [6] 煤炭科学研究总院刘天泉院士就煤层开采后的覆岩运动和破坏特征提出了覆岩破坏学说。“上三带”理论成为我国研究顶板突水机理的重要理论基础，根据长壁开采后覆岩变形 破坏特征及其导水性能，将上覆岩层分为“三带”，即冒落带、裂隙带和整体弯曲下沉带。煤层开采形成采空区，其上覆岩层失去支撑，原始受力状态发生变化，顶板岩层就会发生移动、变形以至破坏和垮落。随着开采面积的不断扩大，岩层的移动与变形从煤层顶板一直发展到地表，最后在覆盖岩层内部形成破坏，在地表形成下沉盆地和塌陷坑、裂隙等破坏现象。如果覆岩破坏垮落后形成的裂隙，波及到煤层顶板以上含水层乃至地表，就有可能成为含水层水或地表水进入井下的通道。在采空区上方，根据覆岩采动破坏程度，从开采煤层的顶板开始，由下而上大致可以划分为三个不同的破坏影响带:冒落带、裂隙带和弯曲带。 (l)冒落带 采煤工作面放顶后，顶板发生逐层垮落，直到垮落岩石接触上覆岩层，此垮落破坏范围为冒落带。顶板垮落的特征与冒落带高度的大小取决于煤层的采厚、回采方法、采空区面积、覆岩岩性及煤层倾角的大小。根据我国一些矿区的实测资料，冒落带的高度一般为煤层采厚的2～6倍 (2)裂隙带 在顶板岩石自由垮落后，冒落带上方的岩层继续下沉弯曲，当其弯曲超过本身强度就会产生张裂隙，以至断裂。这一过程逐层向上发展，直到上覆岩层整体下沉弯曲为止，这部分称为裂隙带。 (3)弯曲带 此带位于裂隙带上方直到地表的整个覆岩。岩层呈平缓的弯曲，没有大的断裂，有时产生离层，甚至在拉伸部位产生局部的微小张裂隙，但这些裂隙连通性很弱或不连通，局部有可能导致渗透性增大。通常，将冒落带和裂隙带合在一起称为冒裂带。它的发育规律及其最大高度对采煤工作是非常重要的，是决定防水煤岩柱尺寸的重要依据。煤层倾角不同时，“三带”(尤其是冒落带、裂隙带)的形态有所不同。这是由于随着煤层倾角的增大，在倾斜方向上产生冒落岩块的向下滚动加剧，采空区下部容易被充填，从而限制了冒落带、裂隙带下边缘的向上发展。 2.2 岩移“四带”理论 [7] 岩移“四带”模型是表现采后覆岩变形破坏状况与力学结构特征的采后覆岩结构力学模型。它是由山东科技大学高延法教授在突破传统“三带”理论观念的基础上，提出的将上覆岩层依其破坏后的力学结构特征划分为破裂带、离层带、弯曲带和松散冲积层带的岩移“四带”理论。该理论认为采后覆岩结构具有分带性最下部两侧为煤柱及顶板岩层，中部为垮落研石和断裂岩块，这些岩层已丧失了结构的连续性，只对上部岩层起支承作用，称为破裂带；破裂带之上，各岩层呈分层叠和结构，彼此层面为滑动接触，垂向各层间结构连续，各层自身的结构连续各自独立弯曲变形，称为离层带；离层带之上，各岩层层面为原有的弹性接触，保持原有的力学结构性质，以整体形式弯曲下沉，称为弯曲带；最上部是具有独立结构特征和力学性质的松散冲积层，称为松散冲积层带。近年来通过工程观测和实验研究发现，覆岩在移动过程中的确会出现离层带。即在覆岩移动的动态过程中的一定时期内，在导水裂隙带之上整体弯曲带以下，存在着可用于注浆的离层带。 2.3 “关键层”理论 [8] 中国工程院院士钱鸣高就采场顶板覆岩运动受一些特定的岩层控制提出了“关键层”理论。由于煤系岩体的分层特性差异，各岩层在岩体活动中的作用是不同的，有些较为坚硬的厚岩层在活动中起控制作用，有些较为软弱的薄岩层在活动中起加载作用，其自重大部分由坚硬的厚岩层承担，我们把在岩体活动中其主要控制作用的岩层称之为关键层。“关键层”理论认为关键层的断裂将导致全部或相当部分的上覆岩层产生整天运动，可依据岩层的变形和破断特征对其进行判别，在关键层破断时，其上部全部岩层或局部岩层的下沉变形是相互协调一致的，前者是岩层活动的主关键层，后者是亚关键层。通过“关键层”理论，可以在