矿井顶板水害防治进展.ppt

矿井顶板水害防治理论与技术新进展;主要内容;一、顶板水防治传统理论及应用;“上三带”传统理论简介;覆岩破坏移动分带示意图 ;冒落带 ;导水裂缝带： 裂隙带和冒落带都没有隔水能力，两者之和称为导水裂缝带 导水裂缝带=冒落带+破裂带 顶板突水机理： 导水裂缝带发育的高度穿过或者抵达顶板含水层，则顶板水就会涌入或者溃入到采场。;《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》（[2000]第18号） ;非急倾斜厚煤层分层开采导水裂缝带高度计算公式; 顶板突水机理的研究一直采用“上三带”理论，忽视了该理论提出的背景及力学理论基础，即该理论是上世纪80年代初开采浅部煤层时，以弹性力学为假设条件提出的，因此在大采深大跨度条件下，“上三带”理论需要丰富和发展。;“上三带”理论提出背景及适用条件; 无论是浅部煤层的开采，还是深部煤层的开采，无论是分层开采，还是综放开采，一律采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中的计算公式，忽视了《规程》中公式提出的背景和适用条件。;《规程》公式背景及适用条件;二、顶板水防治现代理论及应用;“上四带”理论 在采空区，从开采的煤层到地表，根据覆岩运动的强度，可以划分四个层带即：垮落带（冒落带）、裂隙带（破裂带）、离层带、弯曲带（沉降带）。;“上四带”理论模型;“上四带”理论适用性;根据“上四带”理论导水裂缝带高度研究进展： 施龙青根据“上四带”理论模型，在研究了大采深大跨度工作面导水裂缝带影响因素基础上，给出考虑多因素的导水裂缝带高度计算公式。;三、大采深大跨度条件下导水裂隙带高度计算研究;1、矿井开采特点;2 导水裂缝带高度主要影响因素分析; 当工作面推进到与工作面跨度距离接近时，便产生第一次的周期性来压，出现第二次明显的压力重新分布，此时塑性区范围不仅出现显著膨胀扩容现象,而且还出现了明显的破碎区,导致顶板岩层冒落，并随着周期性矿山压力的出现，在采厚不变的前提下，冒落带的高度相对稳在一定数值范围内。; 开采厚度越大，顶板塑性区的范围也越大,同时提供给冒落岩层的空间也越大,因此造成冒落带的高度也越大。 因此，开采厚度是冒落带高度的决定因素。 ;（2）开采深度 根据地质力学理论及岩石力学理论，地应力是随着地层的深度增加而增加。煤层开采后，顶板上覆岩层运动导致导水裂隙带的形成，覆岩运动的幅度和速度直接影响着导水裂隙带的高度，而促使覆岩运动的力源为矿山压力。; 根据矿山压力控制理论，矿山压力的大小和采深成正比。煤层的开采深度越深，矿山压力越大，覆岩运动规模越大，导水裂隙带越发育。 因此，采深是导水裂隙带发育的控制因素。;（3）工作面跨度(斜长) 根据材料力学理论，两端固定的岩梁弯曲度和岩梁的跨度成正比。煤层开采工作面的跨度越大，顶板岩梁向下弯曲的幅度越大，岩梁断裂几率越高，则裂隙带发育的高度越大。; 另外,相似材料模拟研究证明，采空区上方导水裂隙带的形态是“拱形”，即“裂隙拱”，而不是通常认为的“马鞍形”。“裂隙拱”的半径和工作面跨度成正比，其数值小于或等于工作面跨度的一般。 可见，工作面跨度是裂隙带的最重要控制因素。 ;采场覆岩岩层拱形破裂 ; （4）岩石的力学性质根据岩石力学理论,岩石中裂隙相互贯通方式有三种，即岩桥张拉型破坏、岩桥剪切型破坏、岩桥拉剪复合型破坏。而矿山压力作用下导水裂隙带的形成是属于岩桥拉剪复合型; 因此岩石的力学强度，特别是抗剪强度的是阻止导水裂隙带发育的重要力学因素，即岩石的抗剪强度越大，越不利于导水裂隙带的发育。 ;（5）岩层的组合特征 岩层的组合特征受到原始沉积环境控制。煤系地层的岩石可分为硬岩和软岩。其中硬岩主要包括灰岩、砾岩、粗砂岩、中砂岩和细砂岩；软岩主要包括粘土岩、泥岩、粉砂岩及煤层。; 在通常的情况下,采空区顶板岩层的组合如果是“上软下硬型”，则在覆岩岩运动过程中上、下岩层将以相同的曲率一起协同向采空区弯曲；如果是“上硬下软型”,则在覆岩岩运动过程中上、下岩层向采空去弯曲的曲率不一致，便形成“离层带”。 因此岩层的组合不仅影响到采动覆岩破断裂隙的贯通度，而且是控制离层带的决定因素。 ;3 导水裂隙带高度计算公式 ; 离层存在是绝对的。 只是在浅部开采条件下，由于离层带呈现裂缝状空间，从而忽略其存在，并构成了“上三带”理论。 在大采深大跨度开采条件下，离层带则呈现开阔的空间，因此采空区上方可分出冒落带、裂隙带、离层带和弯曲沉降带，即 “上四带”。; 显然，所有没有出现离层时的导水裂隙带的高度小于或等于出现离层时的导水裂隙带高度。在“上四带”理论中，导水裂隙带的高度则为