原始地应力与煤层底板突水的关系
我国煤层底板突水问题的研究现状及展望
我国煤层底板突水问题的研究现状及展望发表时间：2018-12-21T11:24:30.247Z 来源：《基层建设》2018年第32期作者：郑根源[导读] 摘要：中华人民共和国成立以来，工业急需发展能源是制约工业发展的重要因素之一。
华兴能源有限责任公司唐家会煤矿安徽省淮南 232007摘要：中华人民共和国成立以来，工业急需发展能源是制约工业发展的重要因素之一。
在这段时期，煤矿是最为主要的能源。
在华北地区，煤矿存储量最大，这里有全国50%的矿井存在，占中国总煤产量的60%左右，所以在煤矿能源上占据着重要角色。
然而由于该地区自身的地质情况，其煤底板保护层完整性比较差，煤底层下埋伏着奥陶纪灰岩含水层，该土层的水压及水量都很大，很不利于煤矿开采。
因此，在华北地区的煤矿开采区中，煤层底板突水问题是一个很值得注意的问题。
关键词：煤层底板；突水灾害；注浆堵水；疏导防治；为了做好煤矿煤层底板含水层、赋水层突水防治工作，对辛置煤矿煤层底板含水层特征进行了分析，并针对煤层底板水害隐患，提出了“注浆堵水、疏水降压”综合防治措施，一方面减少了突水量，另一方面有利于加快突水的疏导。
一、煤层底板突水问题的研究现状1.煤矿水文地质条件综合研究。
水文地质研究属于煤矿水害防治中的基础性工作，是在水文地质学的研究范围之内。
（1）在20世纪60年代到70年代的防治水工作中，通过经验进行水文地质分析；（2）20世纪80年代以后，国家政府对华北的水害问题灌注了大量心血，大力支持防治水害，所以在这一时期对煤矿水文地质条件的研究成指数形式增长，同时提高了水害问题的诊断质量。
在这一时期，大量仪器和测试方法被研究出来，如MTS -I型矿井突水前兆检测系统、BX-I型应力仪和DW -II型位移测量仪、SWX-1型钻孔水位遥测系统及井下电测探法。
在煤矿水文地质条件研究方法中，最为重要的一种便是采取同位素放射性元素查找地下水。
2.水压安全采煤技术研究。
煤矿突水与断层的关系及预探j
煤矿突水与断层的关系及预探郑州富士达公司寇伟据报道，煤矿突水绝大多数是与断层有着直接关系，90%以上的突水发生在与断层破碎带极其临近的范围内，其中断层突水占74%，断层影响突水占23%，而突水在底板完整情况下则很少发生。
一般来讲，隔水层的岩体强度几十倍于岩溶水的水压，水压与矿压破坏完整隔水层形成新的突水通道的能力是很有限的，底板突水通道几乎都是底板隔水层中原有断裂裂隙在水压及采动条件下所形成的。
随着矿井开采水平的不断延伸，开采深度越来越大，灰岩承压水水压不断增加，因隐伏断层导致突水的潜在危险性也随之加大。
因此，如何通过探测找到矿区地下隐伏断层，绘制出矿区地下断层分布图，对于指导煤炭正常生产、预防突水事故，有着至关重要的意义。
断层导致突水的主要因素断层导致突水的主要原因有以下几个方面：1、断层上下两盘错动，缩短了煤层与底板含水层之间的距离，或造成断层一盘的煤层与另一盘的含水层直接接触，从而加大了煤层底板突水危险性。
2、断层的破碎带内裂隙发育、岩体破碎、强度降低，容易形成导水通道，使承压水轻易突破断层导升至煤层造成突水。
3、由于断裂带中地应力值大幅降低，同时断层破碎带岩体的导水裂隙带深度远大于正常岩体，使得承压水有可能大于最小主应力而通过张裂带的裂缝，使承压水向上导升而突水。
4、回采工作面底板岩体中存在断层时，在采动附加应力的作用下岩体易沿断层移动，底板被断层破碎带岩体的导水裂隙带破坏的深度会增大，更容易造成突水。
5、当断层破碎带或断层影响带为充水或导水构造，工作面揭露断层时即会发生突水。
断层构造类型及其导致突水性能断层突水可分为两种基本类型，一种是断层原始状态下就可以导水而引发的突水；另一种是断层本身不导水，由于采动影响，导致断层活化而引发的突水。
典型的断层破碎带，其横剖面分为两部分：内带——断裂构造岩带；外带——断层影响带。
1、断裂构造岩带的构成。
由断层构造岩及断层带上的岩石在断层作用中被搓碎、研磨片、甚至重结晶、再定向又固结的岩石组成。
煤矿开采中的地应力特点与运用分析
建材发展导向2018年第18期120人们都知道，地球的公转以及自传时时刻刻都在进行，同时在地球运动的过程中，还会产生很多天然的应力，这种应力在地层中的破坏力以及能量都比较大。
原岩应力属于潜藏在未受到地层干扰中的一种天然的应力。
人们在挖掘井下巷道时，就会被扰动，从而在巷道中出现一种新的应力。
此时的应力就被称之为次生应力。
煤矿在开采的过程中，需要做好巷道德掘进工作，同时，还需要对工作面进行回采处理，和其他的地下工程采矿工作一样，对该项工作进行研究具有非常重要的意义。
1 地应力概述所谓的地应力，又可以将其称为岩体的初始应力以及绝对应力，也就是潜藏在没有被干扰的地层中的天然应力。
地球的公转以及自传、地球内部应力、地幔热对流、地心引力、板块边界受压等地球的各种运动过程是产生地应力的主要原因。
在目前存在的这些地应力中，构造应力以及重力应力是其中的重要内容，人们在进行井下巷道挖掘工作时，就会干扰到原始的应力，并且在巷道中形成一种新的应力。
岩石所表现出的力学特征以及地应力场都能够直接影响到煤矿井下巷道围岩的矿压特征。
1.1 原岩应力原始岩石应力也称为绝对应力和初始应力。
它通常在采煤前留在岩体中。
应力的原因通常包括构造运动，岩体质量和地质构造应力。
1.2 开采中地应力地应力场的变化与工程有直接关系。
如果岩石受到压力损坏，将影响项目的正常运行。
因此，在设计矿山并支持设计时，必须准确掌握地应力的方向和大小。
重要信息，在开采煤矿的过程中，大多数挖掘工程都会影响周围的地面应力而不是岩石的强度。
在煤矿建设中，如果能够全面分析地应力，可以在很大程度上避免地应力。
岩石造成的破坏确保了道路的稳定性。
2 煤矿开采中地应力的特点分析随着社会经济的不断发展，科学技术也不断提高，人们对矿山工程地应力的认识也在不断提高。
人们对采矿工程中的地应力有一定的了解，并对项目可能的地应力进行了大量的检查，为研究煤的地应力特征提供了一定的技术依据。
煤层底板突水理论现状研究
煤层底板突水理论现状研究我国的煤炭资源的开采受水害威胁严重，尤其是随着开采深度、开采强度、开采速度、开采规模的增加和扩大，来自底部灰岩发育的裂隙岩溶高承压水的威胁日趋严重，煤层底板在采动的影响下其破坏也日趋加剧，许多矿井突水事故与之密切相关。
矿井突水机制是一个涉及采矿工程、工程地质、水文地质、岩体力学、岩体水力学、渗流力学等多门学科的理论课题，弄清楚突水理论机制对于防范底板突水以及底板岩层控制与管理具有重要的理论意义和实际应用价值。
2.底板突水理论研究2.1底板相对隔水层[1]早在20世纪初，欧洲的一些学者就注意到煤矿开采过程中底板隔水层的作用，并从若干次底板突水资料中认识到，只要煤层底板有隔水层，突水次数就少，突水量也小，隔水层越厚则突水次数及突水量越少。
20世纪40年代至50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。
他指出，煤层底板突水不仅与隔水层厚度有关，而且还与水压力有关。
突水条件受相对隔水层厚度的制约。
相对隔水层厚度是等值隔水层厚度与水压力值之比。
同时提出，在相对隔水层厚度大于1.5m/atm的情况下，开采过程中基本不突水，而80%～88%的突水都是相对隔水层厚度小于此值。
由此，许多承压水上采煤的国家引用了相对隔水层厚度大于2m/atm就不会引起煤层底板突水的概念。
这期间前苏联学者B.斯列萨列夫将煤层底板视作两端固定的承受均布载荷作用的梁，并结合强度理论，推导出底板理论安全水压值的计算公式。
20世纪70年代至80年代末期，很多国家的岩石力学工作者在研究矿柱的稳定性时，研究了底板的破坏机理。
其中最有代表性的是C.F.Santos(桑托斯)，Z.T.Bieniawski(宾尼威斯基)。
他们基于改进的Hoek-Brown岩体强度准则，引入临界能量释放点的概念分析了底板的承载能力。
2.2突水系数理论我国的底板突水规律研究始于20世纪60年代，当时注意到匈牙利底板相对隔水层理论在实践中的应用，在焦作矿区水文地质大会中，以煤科总院西安勘探分院为代表，提出了采用突水系数作为预测预报底板突水与否的标准。
浅析煤层底板隔水层突水形成机理分析
浅析煤层底板隔水层突水形成机理分析【摘要】近年来，随着浅部煤炭资源的日益枯竭，煤矿深不断增加，底板突水问题受到越来越多的学者重视，关于底板突水的机理，提出过多种理论及假说，具有代表性的有：“下四带”理论，突变理论，底板关键层理论。
目前，关于底板导升破坏带高度的研究主要通过现场观测、经验公式获得，尚未进行理论推导。
为此，笔者运用材料力学理论确定了在承压水作用下，采场隔水层底界面由压缩区向卸压膨胀区过渡的岩体最易发生损伤破坏，且随着工作面的推进，损伤程度不断加剧。
当损伤因子达到损伤变量的临界值Dc时产生细微裂隙。
运用断裂力学理论建立断裂力学模型，并分析其在水压及矿山压共同作用下的应力强度因子。
最后，从损伤断裂能量的角度分析确定了隔水层易破坏区域形成初始宏观裂纹的损伤断裂能量释放率计算公式，并对初始宏观裂纹损伤断裂能量释放率与其各影响参数的关系进行了分析，为进一步研究底板突水提供了理论依据。
【关键词】煤层底板；隔水层；力学负荷；断裂；结论1 底板隔水层承压水导升力学模型1.1 底板隔水层力学分析工作面自开切眼到老顶初次断裂的过程中，采空区范围不断扩大，采空区内底板岩体处于卸压状态，此时可以将底板隔水层简化为板模型进行力学分析。
并且根据弹塑性理论可以认为板上的载荷沿着短跨方向传递到支撑边界上，单向板可近似地作为梁进行处理。
首先对底板隔水层作如下假定：将底板隔水层简化为两端固支的平面应变梁；取梁为单位宽度；底板采动破坏带不具备承载能力；忽略底板承压水对底板岩体的渗流破坏作用及腐蚀软化作用。
在正常的地质和开采条件下，多数工作面的底板突水发生在老顶初次来压和周期来压期间。
假定煤层开采之前，岩体内的裂隙是闭合的，随着煤层的开挖，底板隔水层处于卸压状态。
将底板隔水层简化为弹性梁，在老顶未达到初次断裂时，建立底板隔水层力学模型，如图1所示。
1.2 底板隔水层损伤机理分析岩石材料是经过长时间地质作用形成的一种天然产物。
矿井突水机理研究（可编辑）
矿井突水机理研究一、我国主要煤矿区矿床突水特点及其发生发展规律（一）、我国主要煤矿区矿床突水特点近年来，煤炭开采形式发生较大变化，老矿井，特别是中、东部矿井浅部煤炭资源已逐渐枯竭，煤矿企业转而开发深部受奥灰岩溶水威胁的煤炭资源。
据初步估算，在中国东部冀、豫、鲁等省的煤矿区，深部太原组煤炭（下组煤）约占总资源量的40％～70％，开发潜力很大。
但深部岩溶水突水问题是制约下组煤开采的重要因素，以山东省下组煤开采矿区的统计资料为例，截至20世纪90年代末，井下奥灰突水、渗水事件超过300余次，且多与导水断层有关。
比较大的突水事故岩溶水来势迅猛，初期突水量为1083～10640m3/h，严重威胁矿井的生产安全。
因此，开展矿井突水机理与水文地质勘探技术的研究，对于查明矿床水文地质条件，有效解决下组煤的开采突水问题，保障煤矿安全生产，是目前煤矿工业急待解决的问题，对解决中国东部煤炭后备资源日渐枯竭问题具有重要的现实意义。
为此，中国煤炭地质总局水文地质局于2007年8月27日以煤水地办发[2007]74号文下达中国煤炭地质总局Ⅰ类科研项目《煤矿安全生产地质评价技术》子课题三：《矿突水机理与水文地质勘探技术研究》，委托中国煤炭地质总局水文地质工程地质环境地质勘查院承担该科研项目。
二、采动岩体破裂特征及规律（一）不同岩性组合，采动岩体结构的破坏情况二、采煤方法对煤层底板的影响2.1、煤层底板突水因素底板突水是采动矿压、下伏含水层的水压、隔水层厚度及导水裂隙共同作用的结果。
2.1、1 采动矿压煤层采动后使岩体平衡状态被破坏，发生围岩变形、移动和破坏，从而对回采工作面与巷道产生矿山压力，出现底板隆起及扰动裂隙带，改变煤层下伏含水层地下水赋存、运移条件，触发和诱发矿井底板突水，引起下伏含水层地下水天然流场改变而集中流入矿井。
矿压与采煤工作面的关系为：1）采煤工作面宽度越大，则支撑压力越大，对底板的破坏深度越大。
2）采煤工作面长度越长，悬顶区的跨度就越大，下伏含水层的水压对悬顶区隔水底板所产生的纵横弯矩也越大，就越容易使底板破坏而突水。
煤矿顶板突水因素分析
煤矿顶板突水因素分析【摘要】过去较长时期中，由于煤矿顶板水害导致煤炭开采中的重大事故较少，因而对顶板水害预测的研究不如底板水害预测那样受到重视。
但自二十世纪70年代以来，随着煤矿综合机械化的普及，顶板水害对正常生产的影响日益突出。
因此，研究分析煤矿开采时的充水条件，总结突水规律，预测顶板水害和超前制订防治措施，对确保矿井安全生产和提高生产效率具有十分重要的意义[1]。
【关键词】顶板水害预测；突水规律；防治措施1.煤层顶板突水预测理论方法顶板突水机理研究主要有“上三带”[2]理论、岩移“四带”理论等学说。
煤炭科技研究院刘天泉院士按照长壁开采后，覆岩变形特征及其导水性能，将上覆岩层分为“三带” [3]，即冒落带、裂缝带和整体弯曲下沉带，该理论目前为国内研究顶板突水的主要理论基础。
“两带高度”即冒落带和裂缝带，对矿井顶板突水研究有重要意义，经大量实践研究，总结了两带高度公式，拓展了“上三带”理论的实用性。
此后，山东科技大学高延法教授突破了传统的三带观念，提出岩移“四带”模型[4]，对第四纪岩层的作用、特征及对岩移的影响作了对比计算分析，得出了四带划分的必要性，认为岩层结构力学模型应划分为破裂带、离层带、弯曲带和松散冲击层带，进一步拓宽了对顶板突水机理的认识。
其他相关专家学者对在此基础上对不同区域的突水机理进行了分析与总结。
2.影响顶板充水含水层富水性的主要因素分析[5]影响顶板充水含水层富水性的因素是多方面的，并且各方面之间的关系比较复杂”根据我国多年来大量煤层顶板突水案例的系统分析与研究，影响煤层顶板充水含水层富水性的主要控制因素主要包括：1）顶板充水含水层的岩性特征：主要包括含水层厚度、有效含水层厚度与隔水岩段厚度比（脆、塑性岩厚度比）等；2）顶板充水含水层的渗流特征：主要包括单位涌水量、渗透系数、冲洗液消耗量、井下突水情况、近期水位变化等；3）水化学特征：主要包括地下水中主要离子毫克当量百分比；4）地质构造特征：主要包括断层、裂隙、褶皱及岩溶陷落柱等。
煤与瓦斯突出机理
区域性防范措施
要点一
优化采掘布置
合理安排采掘工作面，避免形成高应力集中区，降低煤与 瓦斯突出的风险。
要点二
加强瓦斯抽采
通过加大瓦斯抽采力度，降低煤层瓦斯压力，从而降低突 出的发生。
局部性防范措施
实施超前钻孔
在工作面实施超前钻孔，释放煤层内部应力，降低突出 的发生。
使用防突挡板
在工作面安装防突挡板，防止突出的煤和瓦斯冲出工作 面，保障作业人员的安全。
围岩应力
围岩应力的大小和分布可能影响煤体的稳定 性和瓦斯的压力，从而影响突出的发生。
04
煤与瓦斯突出的预防措施
预测预报
综合指标法
利用煤与瓦斯突出的危险性预测指标，对工 作面进行危险性评估，预测可能发生突出的 区域。
地球物理法
利用地震波、声波等方法探测煤层内部结构 ，分析煤层应力分布，预测煤与瓦斯突出的
突出煤量
抛出的煤量，单位为t。
突出瓦斯量
抛出的瓦斯量，单位为m³。
突出强度
突出煤量和突出瓦斯量的总和，单位为t·m³。
特征
突发性
突出发生前无明显征兆，具有极大的隐蔽性和 危险性。
复杂性
突出类型多样，影响因素众多，发生机理复杂。
灾难性
破坏巷道，造成人员伤亡和财产损失，影响矿井安全生产。
突出分类
按动力现象分类 按突出强度分类 按发生机理分类 按发生地点分类
地质构造作用
断层
断层处的煤体结构较为破碎，且瓦斯 含量较高，因此容易发生突出。
褶皱
褶皱处的煤体受到较大的水平应力， 容易发生突出。
水文地质作用
地下水
地下水对煤体的软化作用可以降低煤体的强度，同时水压也可以对煤体产生一定的冲击力，从而增加 突出的风险。
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第18卷 第4期岩石力学与工程学报18(4):419～423
1999年8月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringAug.,1999
原始地应力与煤层底板突水的关系3李家祥1 李大普2 张文泉1 刘伟韬1(1山东矿业学院科研处 泰安 271019) (2泰安煤炭局 泰安 271000
)
摘要 以某深部矿井水压致裂应力测量资料为依据,分析了煤层底板岩体在矿山压力和原始地应力的联合作用下,
在阻抗水能力方面的变化。探讨了隔水层带的阻水机理及构造破碎带易于突水的原因。分析了地应力、水压与裂缝扩展的关系,得出了原始地应力与煤层底板突水之间的关系。关键词 地应力,矿山压力,底板突水,水压致裂分类号 TD322.3
1 引 言煤层底板突水严重影响着矿井的安全生产,对于煤层底板突水的研究,已有许多论著,并已得出了水量和水压是突水的前提条件,地质构造是突水的主因及控制因素,采矿活动是突水的诱导和触发因素,隔水层强度是阻抗突水的主要因素等结论。但是,对地应力与底板突水的关系研究较少,本文将利用水压致裂理论,对地应力与底板突水的关系及隔水层的阻水机理进行探讨,并分析断裂破碎带易于突水的原因。
2 水压致裂法基本理论假定岩石是均质、线弹性、各向同性的,注入的液体在岩石空隙中流动时遵循达西定律,岩石中有一个主应力方向与钻孔轴平行。则水压致裂的力学模型可简化为一个平面问题,相当于两个主应力σ1(最大主应力)和σ2(最小主应力)作用在一半径为
a的圆孔的无限大平板上,据弹性力学分析圆孔外任一点M处的应力为σr=[(σ1+σ2)/2][1-(a2/r2)]+
[(
σ
1-σ2)/2]cosθ[1-(4a2/r2)+(3a4/r4)]
σθ=[(σ1+σ2)/2][1+(a2/r2)]-
[(
σ
1-σ2)/2]cosθ[1+(3a4/r4)]
τrθ=-τθr=
-[(σ1-σ2)/2]sin2θ[1+(2a2/r2)-(3a4/r4)]
(1)式中:σr为M点径向应力;σθ为切向应力;
τ
rθ,τ
θr
为剪应力;r为M点到圆孔中心的距离。当r=a
时,即为圆孔壁上的应力状态,由式(1)可得出如图1所示的孔壁A,B两点的应力集中分别为σA=3σ2-σ1(2)
σB=3σ1-σ2(3)
使孔壁产生张性破裂的外加液压Pc称为临界破裂压力。临界破裂压力等于孔壁破裂处的应力集中加上岩石的抗张强度T再减去岩石中的孔隙压力P
0,
即
Pc=3σ2-σ1+T-P0(4)
孔壁破裂后,若继续注液增压,则裂缝将向纵深扩展。若停止注液增压,并保持压裂回路密闭,则裂缝立即停止延伸,趋于闭合。当达到刚刚保持裂缝张开时的平衡压力叫做瞬时关闭压力P
s,
它等于垂直
于裂缝面的最小主应力,即Ps=σ2(5)
如果再次对封隔段注液加压,使破裂重新张开,
则可得到裂缝重新张开的压力Pr。由于这时岩石已经破裂,所以抗张强度T=0,由式(4)得Pr=3σ2-σ1-P0(6)
由式(4),(6)可得岩石的抗张强度T为T=Pc-Pr(7)
由式(5),(6)可得最大水平主应力σ1为
1997年3月2日收到初稿,1998年5月27日收到修改稿。3国家自然科学基金(5967400)和山东省自然科学基金(Y97E06083)资助项目。
作者李家祥简介:男,37岁,硕士,1982年毕业于山东矿业学院采矿工程系采矿工程专业,现任副教授,主要从事矿井特殊开采方面的研究工作。图1 圆孔壁上的应力集中Fig.1 Stressconcentrationsattheholewall
σ1=3Ps-Pr-P0(8)
铅直应力可据上覆岩石的重力计算,即σv=ρgH(9)
式中:ρ为岩石的密度,g为重力加速度,H为深度。
3 水压致裂观测数据3.1 水压致裂观测数据水压致裂现场位于某矿井下石门巷道内,在巷道底板向下打了3个垂直孔,孔径φ89mm,各孔深度分别为:1号孔33m,2号孔20.3m,3号孔50.3
m。岩层倾角α=40°,局部裂隙发育,岩石试件抗压强度为45.34～201.27MPa,弹性模量为2.6×10
4
～5.6×10
4
MPa,3个孔共分7段压裂,压裂的岩性
有泥岩、粉砂岩、中砂岩和铝土岩。3.2 数据处理将所测各点的Pc,Ps,Pr,P0及测点附近岩石的平均密度ρ=2.4g/cm3输入计算机,得出计算结果如表1所示,并自动绘出各测孔主应力与深度的关系曲线,见图2,3。图4～6为现场压裂曲线及印
模。4 地应力与煤层底板突水的关系4.1 承压水沿底板裂缝上升机制及地应力与裂缝扩展的关系根据水力压裂的力学原理,当裂缝形成后,只要有足够的压裂液及能使裂缝张开并延伸的压力,
那么裂缝就会沿着阻力最小的方向延伸。但当岩石是各向同性的、均匀的,那么裂缝就会一直发展下去,直到遇到界面,然后据界面的性质或下一岩层的性质决定裂缝能否发展下去。考虑到具有原始裂隙的岩层,设在承压水的作用下使裂缝重新张开并得到延伸的最小压力为P′,
据水力压裂理论,应有P′>P
s,
即欲使裂缝得到延
伸,必须有一个能够克服最小主应力的缝内压力才行。但裂缝扩展所需的缝内压力除了取决于最小主应力外,还与裂缝的类型、尺寸以及岩层的性质有关。根据文[1]的研究表明,当上层岩层中的弹性模
图2 1号孔主应力随深度的变化Fig.2 ThecurvesofprincipalstressesvaryingwithdepthofholeNo.1
表1 现场水力压裂应力测量结果Table1 Thestressresultsmeasuredbyhydrofracturingmethod
孔号压裂深度/m岩性P
c/MPaPs/MPaPr/MPaP0/MPaσH/MPaσh/MPaσv/MPa
T/MPa
τHmax/MPaσH
方向
1#121926泥岩细砂岩铝土岩12.6210.444.985.124.074.265.063.942.260.120.190.2610.188.0810.265.124.074.2610.4810.6410.817.506.502.632.532.013.002#19粉砂岩7.694.314.560.198.184.3110.643.131.94N87°E
3#193742中砂岩细砂岩粉砂岩13.444.566.008.174.563.129.170.190.370.428.9314.5014.904.566.008.1710.6411.0711.198.882.194.253.37
N87°E
N87°E
注:表中所列深度为压裂中心点至巷道底板的深度。巷道底板至地表深434m。τHmax为最大水平剪应力。
・024・ 岩石力学与工程学报1999年图3 3号孔主应力随深度的变化Fig.3 ThecurvesofprincipalstressesvaryingwithdepthofholeNo.3
图4 2号孔19m段应力2时间记录曲线Fig.4 Thestress2timerecordingcurve(depth:19m,hole:2)
图5 3号孔19m段应力2时间记录曲线Fig.5 Thestress2timerecordingcurve(depth:19m,hole:3)
图6 2号孔印模图Fig.6 ThemarkofholeNo.2
量(
E
2)比下层岩层的弹性模量(E1)小得多时,则
在下层岩层中的裂缝愈接近于交界面愈易扩展,最后穿过界面延伸到上一岩层中;反之,当上一岩层的弹性模量(
E
2)比下一岩层的弹性模量(E1)大得
多时,则上一岩层要对下一岩层中的裂缝的扩展起着阻挡作用,最终使裂缝终止于界面上。文[7]的研究表明,岩层界面的性质与裂缝的扩展有很大关系,弱的界面能阻止裂缝的扩展,迫使压裂液沿界面扩展而不论界面两边岩层的相对性质如何。联结强的界面最终能使裂缝穿过界面而延伸进弹性模量较小的岩层。然而,如果在岩层中接近界面处含有天然裂隙,不论这些裂隙是否与界面连通,都将使该岩层减小对裂缝延伸的阻挡作用。下面考虑承压水上升至界面后的情形。可分为2
种情况:(1)是裂缝穿过界面继续向上一岩层发展,
使裂缝在上一岩层也得到延伸。其条件是:水压变化不大,水量充足,界面联结强,上一岩层的弹性模量(E2)小于下一岩层的弹性模量(E1),
或者是在上一
岩层中接近界面处有裂缝。(2)承压水不能继续上升。它的条件是:界面联结弱,或上一岩层的弹性模量E2大于下一岩层的弹性模量E
1,
在界面处没有
裂隙,或水头损失大,不足以克服最小主应力。在生产实际中由于在界面处不可能没有任何裂隙,所以只有水压降低到最小主应力以下,或水压原本就远小于最小主应力,才能有效地阻止承压水的上升。4.2 隔水层带的阻水原理综上所述,隔水层带主要是依靠其本身的厚度和强度在地应力的帮助下有效地阻抗承压水的突出。只有在隔水层带具有一定的厚度之后,才有可能使裂隙不连通。这样在地应力的帮助下阻止承压水的上升。有了一定的厚度后,水对岩层的长期溶蚀作用也不是很可怕的。隔水层带的强度主要是防止由于强大的矿压和水压联合作用将底板剪切破坏。由于岩层的抗张强度较小,所以只有在地应力的作用下,才能有效地阻止承压水对裂缝的扩展和延伸,地应力越大对阻止底板突出越有利。但是事物总是一分为二的,有它有利的一面,就必然有它不利的一面。如果底板较薄,煤层开采后,在采空区内就会形成周围固支的薄形板,在强大的地应力作用下,就有可能产生底鼓、剪切及张裂而突水,并造成巷道的变形和破坏。在此情况下,地应力又成了有利于突水的附加因素。据文[2,3]的研究,当隔水层带的厚度大于其矿山压力对工作面底板岩体的影响深度时,则地应力将有利于阻止煤层底板的突水。设隔水层带的厚度为h,采空区底板应力降低区内的最小平面跨度为L,则当h/L<1/5时,隔水层带变成了薄板[4],这时地应力的增大将有利于煤
・124・第18卷 第4期李家祥等.原始地应力与煤层底板突水的关系