礦壓作用下地質(zhì)構(gòu)造對底板突水的誘導機理分析

沈瑞卿

（濟南華玫礦業(yè)有限責任公司，山東 濟南 271613）

肥城煤田在煤系地層下伏巖層中賦存奧陶系和石炭系灰?guī)r含水層，其含水性很豐富，在一定的地質(zhì)條件（斷層、陷落柱）和采動影響下，通?；ビ兴β?lián)系，誘發(fā)底板突水事故會給工作面的安全生產(chǎn)帶來隱患[1-2]。目前，隨著煤炭采深的延伸，煤層距承壓含水層越近，水文條件更加復雜，底板突水因素難以確定。因此，如何準確判斷底板突水因素、采取相應措施、避免底板突水，是煤礦安全生產(chǎn)中亟需解決的課題。華玫礦業(yè)公司自1974年建礦以來，發(fā)生大小突水21余次，本文以其為對象進行研究分析。

1 礦井突水情況

濟南華玫礦業(yè)公司曾經(jīng)發(fā)生多次突水事故，其中水量大于200 m3/h的有8次，因地質(zhì)構(gòu)造誘導突水的有6次。

2 礦壓作用下地質(zhì)構(gòu)造對底板突水的影響

華玫礦業(yè)9號和10號煤距下伏五灰承壓含水層只有17～25 m，底板隔水層主要是中等抗拉強度的粉砂巖，在采場回采中，由于底板巖層中賦存的各條斷層成為突水通道的可能性很大，五灰承壓含水層的水會沿著斷層面涌入采場，也可能會沿著采動造成的斷層裂隙破碎帶透過底板涌入工作面。在工作面回采中，在采動礦壓的作用下，底板斷裂型突水往往有以下兩種。

1） 斷裂構(gòu)造帶突水：隨著回采工作面的推進，當推進至采空區(qū)底板下伏賦存有斷層構(gòu)造帶時，其在采動附加應力場的作用下發(fā)生張開、錯動等變形[5]，當斷層與底板破壞形成的最大剪切面重合時，將會發(fā)生很大程度的錯動滑移，形成貫通采空區(qū)和承壓水的水力通道，在水力作用下，斷層間摩擦系數(shù)減小，進一步發(fā)生大的剪切變形，加劇了突水程度。在這種突水方式中，礦壓作用主要表現(xiàn)為產(chǎn)生的采動附加剪應力使得斷層發(fā)生剪切錯動，采動附加拉應力使得斷層發(fā)生張拉破壞，兩者都會增大水力通道，加速水力貫通，具體過程示意圖，見圖1。

圖1 底板沿斷層裂隙帶突水示意圖

2） 連通性裂隙結(jié)構(gòu)面底板突水：當煤層底板未有斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造時，由于其隔水層中有著大量的原生裂隙結(jié)構(gòu)面相互交錯，破壞了巖體的完整性，使得巖體的強度降低，在工作面回采中，受采動礦壓的作用，這些原生裂隙結(jié)構(gòu)面在剪應力和拉應力的交互作用下，發(fā)生不同程度的延伸和擴展，產(chǎn)生貫通性的大結(jié)構(gòu)面，致使承壓水沿著裂隙結(jié)構(gòu)面上涌，因水力作用使裂隙面進一步軟化變形，使得水力連通程度加劇，最終導致煤層底板突水。導水示意圖，見圖2。在這種突水方式中，礦壓作用與上述第一種情況相似，都是裂隙結(jié)構(gòu)面發(fā)生錯動和張開變形所致。

圖2 裂隙結(jié)構(gòu)面導水示意圖

3 地質(zhì)構(gòu)造造成底板突水的規(guī)律性研究

1）綜合分析華玫礦業(yè)的較大突水資料，地質(zhì)構(gòu)造導致突水一般有其規(guī)律：①突水受底板斷裂的影響很大。②斷層或原生裂隙結(jié)構(gòu)面，其在采動影響下形成的交叉、拐角等部位最易導致突水發(fā)生，尤其是交叉部位最為明顯。③隱伏的地質(zhì)構(gòu)造最易被人忽視，由于其在不同深度的完整性都不同，故在采動應力影響下，其最易發(fā)生破壞，從而導致突水發(fā)生。

2） 單純的采動應力影響很難造成突水發(fā)生，一般都是在特定的條件下才會造成誘導突水。例如：采煤層與含水層相隔距離較小、隔水層厚度較薄及完整性較差、承壓水水壓較大等。在此類情況下，采空區(qū)底板一定深度的抗拉強度較小的巖層，在開采卸荷的作用下很易發(fā)生拉破壞，從而形成底板“斷裂帶”，當隔水層的厚度（煤層與含水層距離減去“斷裂帶”和“承壓水導升帶”的高度）難以抵抗承壓水水壓和采動礦壓的相互作用時，其會發(fā)生破壞，進而導致底板突水，底板底鼓突水示意圖，見圖3。

圖3 底板底鼓突水示意圖

3）根據(jù)梁斷裂理論，受均布載荷的固支梁兩端有最大彎矩：

式中：P為水壓、礦壓與巖層自重載荷的疊加，Pa；L為底板隔水層巖層的斷裂步距，m。

根據(jù)材料力學，梁的最大正應力：

式中：h為-完整隔水層厚度，m。要使完整隔水層不受破壞，須有：

式中：{σ}為-完整隔水層巖石允許抗拉強度，Pa。由式（1）～式（3）可知，受采動礦壓作用而誘導底板突水的因素主要有：隔水層厚度、工作面斷裂步距、承壓水壓力、巖石強度等，其主要取決于隔水層的受力大小和抗彎強度。

4 結(jié)束語

（1）受采動礦壓作用的底板突水主要有兩種方式：斷裂構(gòu)造帶突水和連通性裂隙結(jié)構(gòu)面底板突水。

（2）突水過程中，礦山壓力起誘導作用、地質(zhì)構(gòu)造起橋梁作用，含水性是突水的前提，水頭壓力起主動作用，而底板隔水層起著抑制作用。

（3） 受采動礦壓作用的底板突水的因素主要有：隔水層厚度、工作面斷裂步距、承壓水壓力和巖石強度等。

[1] 杜計平,汪理全.煤礦特殊開采方法[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,2005.

[2] 王作宇,劉鴻泉.承壓水上采煤[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1993.

[3] 魏久傳,李白英.承壓水上采煤安全性評價[J].煤田地質(zhì)與勘探.2000,28(4):57-59.

[4] 胡耀青.我國帶壓開采研究現(xiàn)狀及其展望[J].太原理工大學學報.2002,33(6):594-600.

[5] 蔣金泉,宋振驥.回采工作面底板活動及其對突水影響的研究[J].山東礦業(yè)學院學報.1987(4):1-11.