断层构造对煤层底板突水的影响分析.pdf

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1、第31卷第1期化T矿产地质V_0l_3lN0．12009年3月GEOLOGYOFCHEMICALMINERALSMaL20O9技术方法断层构造对煤层底板突水的影响分析海龙梁冰辽宁工程技术大学力学与工程学院，辽宁阜新，123000提要在原岩应力、地质构造、地下水等因素基础上，从应力场和渗流场共同作用的角度出发，研究含底板岩体在内的采场岩体系统的变形与破坏。研究结果表明，随着工作面向前推进，底板岩层的破坏深度和范围逐渐增加，底板岩层中水平应力低于承压水压力的深度也逐步增大。随着开挖接近断层，断层对应力分布情况的影响越来越明显

2、，最终在断层处造成突水。为了预防底板突水的发生，合理留设防水煤岩柱是必要的工程措施。关键词煤炭开采底板突水断层构造中图分类号：TD3文献标识码：A文章编号：1006—5296(2009)0卜0031一O40引言n质的控制方程为：(1)几何方程=主1(+川)(1)煤炭开采多为地下作业，在井巷开拓和煤层，(2)平衡方程=0(2)回采过程中，不可避免地要接近、揭露或波及破坏某些含水层(体)。这既可能是一般性的滴淋(3)本构关系=H∈材一水，也可能突破性地大量涌出，形成水害。断裂cp=一∈(3)构造薄弱带及节理是造成突水的主要因

3、素。大量资料表明，80％以上的底板突水是发生在断裂构(4)达西定律q，=一P(4)造附近。实体隔水层的岩体强度几倍几十倍于岩．，溶水的水压，水压和矿压破坏隔水层形成新的突对各向同性的介质，应力一应变关系张量水通道的能力是有限的。底板突水通道几乎都是Hl

4、H为：底板隔水层中原有断裂裂隙所形成的。2G(+国劂)5)1底板承压水上采煤的流固耦合Biot应力系数以及储存系数c可写成女口_T式：计算“j一3(1，一V)解决煤层底板突水问题应在考虑原岩应力、B(1—2v)(1+V)地质构造、地下水、采动影响等因素基础上，从^=———

5、!—l二——————————二———(＼6)，．：应力场和渗流场共同作用的角度出发，研究含底298(1—2V)(1+V)板岩体在内的采场岩体系统的变形与破坏[51。式中为skempton孔隙压力系数；V，V分1．1基本方程别为排水与不排水情况下的泊松比。对于可压缩的均质、各向同性、饱和等温的(5)流体运动的连续性方程：多孔介质，在小变形条件下，Biot给出了多孔介堡osv：盟oqX+盟Uqy+堕oq：(f7)＼8t瓠az第一作者简介：海龙(1975～)，男，主要从事地下1：程流固鹃合问题的研究1：作，讲师，在读博士收稿日

6、期：2008—12—15化工矿产地质将式(4)代入式(7)可得流体流动的运动形耦合渗流数学模型的矩阵表达形式：方程：G一G一G一一8：=一一一vVpnI(8X)l[M,rMJ[p,J⋯ty1啦G一豫G一豫G一．式中为刚度矩阵；M为孔隙压力对应1．2数学模型的建立节点力矩阵；M为流量矩阵。，为结点f时刻应力平衡方程的位移；为结点t时刻的孔隙压力。R为结点+G．0(9一f})§一一载荷矩阵；S为体积压缩模量矩阵。求解时，从f=0时刻开始，每次增加求可以改写为：解出，、，代人流动方程求出S，从而可以进行反复循环直至满足精度为止

7、。(1O)2断层对底板突水影响的模型分析川为了研究断层构造对底板突水的影响，建立式(10)分别对、z求导，相加后，式的计算模型为二维模型，模型高度为302m，长两边积分得：度为800m，在计算范围内，煤层埋深300m，煤层厚度2m，模型包括煤层上方100m厚的岩层，()占p+，(11)模型上部按至地表的岩体自重施加垂直方向的得承压含水层中应力与变形耦合渗流的数载荷5MPa，煤层下方包括100m厚的底板岩层，学方程：隔水层的厚度为40m，各岩层的地质构造均设为k水平。为了进行比较分析，本文建立的断层情况一V~p_：(12)

8、，I一十I为竖向断层，断层深度为煤层底板以下40m。卜2v根据相关资料，设定各岩层的初始岩性性质1．3数学模型的求解如表1所示。采用变分原理，导出承压含水层中应力与变表1各岩层的物理力学参数Table1Physicalmechanicsparametersofthelayers底板承压水在临近隔水层处的压力值为岩采用弹塑性本构模型，屈服准则采用摩尔库仑准3MPa，孔隙水压力随深度增加而增加。模型侧面则，模型走向模拟开挖，开挖为分步进行，一次开限制水平移动，模型底面限制垂直移动。计算中煤挖20m，采全厚。在煤层开挖前煤层底

9、板承压水已第1期海龙梁冰：断层构造对煤层底板突水的影响分析经存在，所以在对煤层开挖进行模拟前，分别对模型添加承压水压力，在临近隔水层处的压力值为3MPa，并进行初始化，形成原始的地应力状态。图1至图9是水平开采逐渐接近断层情况下底板承压水在隔水层底部处的压力值为3MPa，工作面中部沿走向剖面上岩层水平应力()-、()