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西安科技大学 硕士学位论文 煤矿采场底板隔水层阻水能力分析与试验研究 姓名牟林 申请学位级别硕士 专业岩土工程 指导教师谷拴成；董书宁 2011-06 论文题目煤矿采场底板隔水层阻水能力分析与试验研究 专 业岩土工程 硕 士 生牟 林 （签名） 指导老师谷拴成 （签名） 董书宁 （签名） 摘 要 华北型煤田承压水上采煤底板突水理论研究大多局限于已被公认的底板隔水层，将 下组煤基底中奥陶系灰岩简单的视为富水性极不均一的含水层系统， 未考虑其顶部相关 层位潜在的阻水能力。随着煤层开采深度不断增加，下组煤底板带水压值越来越大，如 果将“隔水层”的概念仍局限在煤系地层有限的隔水层底板厚度范围之内，按照行业标 准大多数下组煤及部分上组煤储量将被评定为不能安全带压开采。 因此有必要对中奥陶 系顶部峰峰组阻水能力展开细化研究，重新评价与认识下组煤带压开采条件，对挖掘深 部煤炭资源有理论意义和工程应用价值。 本文以山西晋城寺河矿为工程背景，针对峰峰组展开阻水能力分析与试验研究，取 得以下主要成果 （1）通过野外地质调查、抽水试验、水化学测试、底板压水试验、地面钻孔流量 测井等试验手段进行了峰峰组阻水能力试验研究， 获取的大量水文地质参数表明峰峰组 富水性远小于下伏含水层并具有相对隔水层的特点。 （2）结合试验数据，从早古生代地层演化背景、峰峰组顶部古风化壳成因、岩溶 裂隙发育状态及充填特征、岩性组合等角度对峰峰组进行综合研究，得出了寺河矿东区 峰峰组一段上部及二段岩层可以作为相对隔水层的结论， 考虑一定安全储备之后可以作 为隔水层。 （3）分别从宏观尺度、中等尺度、微观尺度研究了寺河矿区煤层底板岩体破坏规 律，得出了采动条件下煤层底板阻水能力是地应力场与地层自身特性综合作用的结果。 （4）运用FLAC3D软件进行采场底板流固耦合计算，得出考虑峰峰组相对隔水层 厚度时，采场帮侧及采空区底板集中应力更容易释放，减少了应力集中导致的屈服破坏 区；奥灰水压对于采场帮侧的变形影响基本为一个定量，受采长影响小，对于采空区的 影响随采长在一定范围内呈加速增大趋势； 煤层底板破坏包括直接底板的采场扰动破坏 和奥灰含水岩层中岩水应力耦合效应导致的屈服破坏两种， 若不考虑峰峰组相对隔水层 厚度，两种破坏区将会贯通导致 15煤底板突水。 （5）考虑峰峰组相对隔水层厚度之后，运用突水系数法对下组煤带压开采条件进 行评价，得出寺河矿东区煤层底板突水系数将普遍下降至临界值以下，并具备带压开采 基础条件。 关 键 词峰峰组；古风化壳；相对隔水层；下组煤 研究类型应用研究 Subject Impermeability Analysis and Experimental Study about Coal Bed Floor in Workings Specialty Geotechnical Engineering Name Mou Lin （（Signature）） Instructor Gu Shuancheng （（Signature）） Dong Shuning （（Signature）） ABSTRACT Mechanics of floor water invasion in coal mining above confined aquifer in North China type coal field are all based on the general recognized floor aquifuge taking no account of the water resistance properties of certain layers in Ordovician limestone which is generally deemed as highly inhomogeneous aquifer。As depth of coal mining increases rapidly，the water pressure on bed floor of under-group coal becomes even greater，if we again restricted floor aquifuge in finite thickness of coal measure strata，many percents of under-group coal seams and even some upper and lower groups are not safe for exploitation according to industry standard。So it’s necessary to carry out detailed research on the water resistance properties of Fengfeng Group at the top of Ordovician limestone and ruate the condition of mining above aquifer。 The water resistance properties analysis and experimental study about Fengfeng Group is set in Sihe coal mine of Jincheng Anthracite Mining Group，results are as follows 1 Experimental study on water resistance properties of Fengfeng Group has been done by field geological surveying， pumping test， hydrochemical survey， water pressure test on bed floor and borehole flow survey， conclusions which proves characteristics of confining layer is held by Fengfeng Group shows that the water abundance of it is far less than upper Majiagou Group。 2 Comprehensive research about Paleozoic evolution background，cause of ation of paleo-weathering crust，development and filling state of Karst fissure and lithological associations export a conclusion that Fengfeng 2 member and upper part of Fengfeng 1 member can be seen as relative aquifuge when considering a safety factor。 3 Research about destruction rule of coal bed floor was done on macro-scale、 medium-scale and micro-scale in Sihe coal mine， results show that water resistance properties of coal bed floor is the interaction of stress field and the own characteristics of rock。 4 Based on fluid-solid coupling by using FLAC3D program，when considering relative aquifuge，concentrated stress in rib of workings and mined-out area releases easier and yield region is reduced。The influence of ordovician water pressure on rib distortion is almost constant and has no relation to the length of mining field，while in the mined-out area，the value increases with a acceleration。That means the floor in mined-out area gets more sensitivity upon ordovician water pressure than that in rib area。The floor damage include mining-induced fracture of direct floor and fluid-solid coupling caused yield region in Fengfeng Group，which may get a coalescence and cause a water inrush into 15 seam from floor without the relative aquifuge。 5 The condition of mining above aquifer in east zone of Sihe coal mine was uated by of coefficient of water inrush，recalculated value considering the relative aquifuge was generally below critical value and safety mining become possible。 Key words Fengfeng Group Paleo-weathering Crust Relative Aquifuge Under-group Coal Seams Thesis Application Study 学 位 论 文 独 创 性 说 明 学 位 论 文 独 创 性 说 明 本人郑重声明 所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 日期 学 位 论 文 知 识 产 权 声 明 书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。 学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名 指导教师签名 年 月 1 绪论 1 1 绪论 1.1 问题提出及研究的意义 中国为世界能源消费大国，目前我国能源消费结构中，煤炭占据了主导地位，所占 比重为 67.7，石油为 22.7，水电、核电、风能、太阳能为 7，天然气所占比重仅为 2.6，形成了以煤炭资源为主，多种能源形式互补的基本格局。由此可见煤炭资源为我 国目前的主要能源，并在未来数十年时间内将占据主导地位。 我国煤炭资源分布具有很强的区域性，目前约 90的煤炭资源产至华北煤田，严峻 的矿山水害形式一直严重影响着我国煤矿安全生产，制约了国民经济稳步健康发展。据 统计，1990 年至今，煤矿因突水淹没的事故多达 200 余起，造成直接经济人员、财产损 失多大 300 多亿元人民币。随着近年来煤炭资源需求量逐渐增大，煤矿水害呈现出愈演 愈烈之势，在所有水害事故的突水形式中，以底板承压区突水最为严重。 华北水资源匮乏，随着浅部水资源的逐渐枯竭，迫使大批城市将深埋的奥灰岩溶水 作为城市主要供水水源。我国华北已有缺水城市 300 多座，大批煤矿也呈现水资源供不 应求之势，因此，深部奥灰岩溶水极其宝贵，应加以保护和长远的规划利用。 浅埋于奥灰水头之下的煤层，通过疏降可以实现安全开采，但大范围的疏降势必带 来地下水环境的严重破坏，影响城市水源补给。对于底板奥灰水头值极高的区域，疏降 可行性极小，带压开采将成为必然选择。为解放深埋煤炭资源，探索带压开采问题，我 国大批科研院所从不同学科角度进行了煤层底板突水机理研究，取得了大量研究成果。 目前最具代表性的理论包括“突水系数理论”[1]、 “下三带”理论[2]、 “强渗通道说”[3]、 “原位张裂和零位破坏”[4]、 “板壳理论”[5]、 “关键层理论”[6]、 “递进导升理论”[7]、 “岩水应力说”[8-10]等。这些理论研究的开展是建立在目前已经得到普遍认可的隔水层 之上的，随着煤层埋藏深度的逐渐加深，隔水层厚度逐渐降低，底板水压力不断增加， 如果将“隔水层”的概念仍局限在煤系地层有限的隔水层底板厚度范围之内，按照相关 行业标准（如最新的煤矿防治水规定 ）超过 60的下组煤及部分上组煤储量将被评 定为受奥灰水威胁程度高，不能安全带压开采，这也将对本来严峻的煤炭资源形势产生 深远的负面影响。 我国奥陶系地层在华北地区广泛发育，由于过去的几十年间主要开采浅埋煤层，上 组煤受奥灰水威胁并不十分严重，对奥陶系灰岩的总体认识是一个高度非均质和具有各 向异性的岩溶裂隙含水层。国外主要产煤大国煤田基底主要为不可溶岩，很少存在带压 开采问题，相关文献均将其视为含水层系统来研究[11-15]。因此，前人的工作主要将精力 集中在研究已知的隔水层上，很少从阻水性层面挖掘奥陶系灰岩相关层位的利用价值。 西安科技大学硕士学位论文 2 已有研究资料证明，在奥灰峰峰组可能存在一定厚度的隔水层段[16]，隔水层与中奥陶系 之后整个华北地壳上升，经历了奥陶系上统至石炭系下统之间近 1 亿年长期风化剥蚀所 形成的奥陶系古风化壳有关。紧迫的煤炭资源安全形势和峰峰组岩溶裂隙含水层的独特 成因，为重新研究下组煤底板的阻水性能提供了契机，成为今后下组煤开采必须解决的 防治水工作问题之一。 因此，本文将研究方向定为研究峰峰组阻水性能，寻找可以为下组煤带压开采 所利用的相对隔水层。通过工程实例，采用室外试验与测试，室内理论分析与试验研究 的手段，从定性与定量的角度研究峰峰组顶部相关岩层的阻水能力及厚度，论证其能否 作为可以利用的相对隔水层这一命题，并在此基础上重新对下组煤带压开采条件评价。 研究方法及成果可以在条件相似的矿区加以推广运用，为解决深部煤层带压开采问题， 解放深部煤炭资源提供理论支持和数据支撑，具有深远的现实意义。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 奥陶系岩溶裂隙含水层相关研究现状 （1）奥陶系层控规律研究 奥陶系一名最初创于英国（Lapworth，1879）[17]，目前英国奥陶系被分为六个统， 即 Tremadoc、Arenig、Llanvirn、Llandeilo、Caradoc、Ashgill 统。这一分类曾被长期视 作奥陶系国际分类标准。近年来虽对各统的层型一再重新研究，但由于它们多分散在不 同剖面上，其相应的界限并不整齐（多有重叠或缺失） ，一再改动，已很难再用作国际 统一分类标准了。因而，在英国以外的地区纷纷建立本区域的地层系统。如 Jaanusson 用于波罗的海地区的 Oeland、Viru 和 Harju 三个统名，而北美一直使用着 Canadian、 Champlainian、Cincinnatian 三个统名。产生这种情况的原因在于各自都强调本区域的古 地理变迁和层型所起的作用。中国奥陶系目前采用三分法，即分为上、中、下奥陶统。 中国奥陶系分布广泛、发育完整、沉积类型齐全、生物群极为丰富，是研究世界奥 陶系的重要地区之一。研究中国奥陶系的人员众多、延续时间较长，其中影响较大的， 始于 1924 年李四光对三峡地区奥陶系“宜昌石灰岩”及“艾家山系”的建立[18]，以及 孙动涛在 1921 年之后的数年间对河北开平马家沟石灰岩、亮家山石灰岩和冶里组的建 立。之后 20 余年，俞建章（1930） 、孙去涛（1931、1933、1935） 、许杰（1934、1948） 盛莘夫（1934）等分别从头足类、笔石、三叶虫等古生物角度对中国北方、长江中、下 游及浙江等地的奥陶系进入了较深入的研究[19]， 为这些地区奥陶系地层系统的建立奠定 了基础。1949 年以后，广大地质工作者和科研人员在大范围内开展了对奥陶系的研究， 并取得很大进展， 大部分主要分布区内的地层层序已初步建立。 1954 年王鸿祯将张文堂、 王水考虑生物（头足类）划分出的马家沟石灰岩，分别称为上、下马家沟组，60 年代被 1 绪论 3 华北大多数省 120 万区调广泛采用（1975，上马家沟组之上增加了峰峰组）[20]。根据 1959 年第一届全国地层会议的决定，由张文堂执笔对奥陶系作了系统总结，并于 1962 年出版了中国的奥陶系专著，此后，经过近 20 年各方面对奥陶系作了进一步深入 研究。在岩石地层学、生物地层学和年代地层学方面均取得了重大进展。从 1975 年开 始，在中国地质科学院主持下，由赖才根等执笔，再次对中国的奥陶系进行了全面、深 入的总结，提出了新的划分方案，确定了各阶的层型剖面。此划分方案已经在 1979 年 召开的第二届全国地层会议认可。 行政区划上属于华东区的山东、 江苏、 安微三省虽将马家沟组局限于 “马家沟灰岩” 的一部分（即上马家沟组） ，分别创立了诸如北庵庄组、寨山组、萧县组（相当于下马 家沟组）和阁庄组、八陡组、晃所组、老虎山组（相当峰峰组）等，但并未被广大地层 工作者所引用， 仅属地方性地层单位而已。 又如分布限于华北西缘的马家沟组以上地层， 由于其顶底出露不全，厚度巨大，无可靠标志和研究程度较低，因而先后建立了岩性相 近而又无法对比的、彼此关系不清的、繁多的岩石地层单位。如克里摩组、乌拉力克组、 拉什仲组（关士聪等，1955） 、平凉页岩（袁复礼，1923） 、龙门洞组（张文堂，1979） ， 背锅山灰岩（车福鑫，1963） 、车道组（林宝玉，1975） 、姜家湾组（杜德民，1984） 、 段家峡组（孙肇才等，1975） 、唐陵群（陕西区调队，1985） 、桃曲坡组（林宝玉，1975） 、 赵老峪组（陈景雏等，1986）等。 林曾平等（1982）对邯邢矿区奥陶系划分三组八段[21]，即上马家沟组和下马家沟组 各分为上中下 3 段，峰峰组分为上下 2 段；冯增昭等（1983）将鄂尔多斯中奥陶统统称 马家沟群[22]，又根据沉积相和沉积旋回细分为马家沟一组～马家沟六组，其中的马一组 和马二组相当于下马家沟组，马三组和马四组相当于上马家沟组，马五组和马六组相当 于峰峰组；范春学等（2001）利用奥陶系中统在峰峰矿区鼓山出露较完整的条件把奥陶 系分为三组八段，即下马家沟组（2 段） 、上马家沟组（3 段） 、峰峰组（3 段） ，与林曾 平的划分区别在于下马家沟组的二分和峰峰组的三分[23]。 华北地区区域地层表山西省分册 （1979 年）中对山西省各分区地层及标准剖 面进行了详细描述和划分。 山西省奥陶系和华北陆台其他地区一样， 只发育下统和中统。 下统在山西以往均未做进一步划分，但和河北省开平标准剖面对比底部薄层细晶白云 岩（或灰岩）夹钙质（白云岩）页岩相当于冶里组，上部含燧石条带或结核白云岩，相 当亮甲山组。在山西大部分地区下统北厚南薄，由 318m 到 35m，相差悬殊，从层位上 看，自北而南上部地层逐渐缺失，以至亮甲山组全部缺失，冶里组亦残存不全。这是由 于中奥陶世之前侵蚀、 剥蚀作用所致。 奥陶系中统一般在山西以往统称为 “马家沟灰岩” 。 三分性明显，即由泥灰岩、泥质白云岩灰岩灰岩夹泥质白云岩，组成的三个旋回。 按 75 年 10 月华北奥陶系专题会议[24]，下部旋回称为下马家沟组，中部旋回称为上马家 沟组，上部旋回（多不完整）称为峰峰组。奥陶系中统岩性和厚度在全省基本稳定，厚 西安科技大学硕士学位论文 4 550400m （东部略厚于西部） ，但山西省南北端由于中石炭世前的剥蚀作用，保留不全， 甚至大部分或全部缺失。 （2）华北奥陶系岩溶研究 华北地区涉及的许多矿产资源均与奥灰岩有着直接或间接关系。因此，随着矿产资 源的勘探与开发，华北地区对有关奥灰岩溶问题认识早，相对来说研究较好。研究内容 上主要涉及以下四个方面①金属、非金属矿床（石膏、高岭土、铁矿等）的勘探开发。 如马继民（1988 年）在研究河南石炭纪铝土矿及其下部“山西式”铁矿的成因时，建立 了第一风化岩溶期，埋藏还原期及第二风化岩溶期的矿床地质演化模式，实际上相 当于古岩溶演化分期。②油气储层（冀中坳陷、鄂尔多斯盆地等）的勘探开发。如汪蕴 建等（1987 年）在研究冀中坳陷古潜山油气储层时，运用古水文地质分析原理，分析了 有关奥灰古岩溶现象（未作详细讨论） 。近年来随着陕甘宁盆地油气勘探的深入，有关 奥灰储层古岩溶的论文已有多篇出现。③石炭及二叠系煤层勘探开发。由于奥灰水直接 威胁煤层开采，故有关奥灰岩溶问题在“六五” 、 “七五”期间曾列专项课题研究。有关 岩溶问题主要围绕两个方面一是岩溶作用分期问题；二是与奥灰突水通道相关的岩溶 陷落柱问题。其中“陷落柱”问题探讨较多，但至今其形成时代、形成原因等方面仍有 很大分歧。④基础理论及奥灰水资源勘探开发。包括沉积学、岩石学、矿床学、地层学、 地貌学及水文工程地质学等学科中零星涉及有关奥灰岩溶问题。 （3）华北奥陶系峰峰组隔水性研究 目前，在煤矿水害防治中奥灰突水危险性评价预测时，把奥灰统统当作含水层，未 考虑其可能的隔水性，认为煤层埋藏越深，奥灰水压越大，危险性也就越大，致使某些 井田或某些采区预测的突水危险性偏大，大量的下组煤基本上都不敢开采。随着诸多华 北石炭、二叠系煤田进入下组煤开采，研究奥陶系峰峰组地层岩溶发育规律及能否为下 组煤开采提供隔水屏障十分重要。 李定龙，王桂梁等（1997）在对华北地区奥陶系灰岩岩溶进行详细的研究后认为， 华北奥陶系在经过 150Ma 的沉积间断后，重新接受上石炭统地层的沉积，形成分布较 均匀的铝土泥岩， 经过后期岩层的压实和泥质充填， 奥陶系灰岩不会有较大的溶洞出现， 即使出现也被上部巨厚的岩层压实、垮落形成角砾岩难以保存[25-26]。于国芳[27]（2005） 对山西柳林地区的沙曲煤矿的研究成果表明， 峰峰组和上马家沟组是 2 个相对独立的含 水层段，上马家沟组地层透水性较好，富水性为中等至丰富的含水层，峰峰组为富水弱 到极弱的岩层，峰峰组一段可以作为相对隔水层。张传凤（2008）对山西阳泉矿区峰峰 组碳酸盐岩进行偏光显微镜、扫描电镜、全应力应变下的渗透性试验研究，分析了不 同岩性沉积岩石的应变渗透率试验曲线，阐述了不同岩性岩石在变形破坏过程中渗透 性变化的规律，得出岩石的一般应变渗透曲线。研究表明，岩石的应变渗透率曲线 是岩性、结构、应力状态等各种影响因素综合反映的结果，该煤田峰峰组碳酸盐岩可作 1 绪论 5 为隔水层或相对隔水层[28]。王长申等（2009）以潞安矿区漳村矿下组煤补充勘查漳 54 号水文地质孔为取样孔，通过岩石薄片鉴定、X 射线荧光光谱分析、岩石微结构分析等 综合试验，分析了峰峰组岩性、孔隙结构特征及其垂向分布规律。研究表明峰峰组上部 和下部存在隔水层，中间为弱含水层岩性组合，峰峰组可利用关键隔水层的厚度为 142 m[29]。白喜庆等（2009）通过对在山东、河北、山西从事多年岩溶水文地质勘探研究工 作中大量勘探资料统计分析得出，即奥陶系顶部普遍有一层相对隔水层[30]。这一相对隔 水层的存在不但能很好地解释许多预测突水危险区并未发生突水，预测安全的区域发生 突水是隔水层中存在局部缺陷造成的，而且为下组煤开采的防治水工作提供了科学依 据。同时通过对新驿煤田奥灰顶部岩性、裂隙岩溶充填情况及钻探漏水、测井出水段等 各方面的综合研究，论证了奥灰顶部相对隔水性。将奥陶系顶部相对隔水层作为整个煤 层底板隔水层的一部分进行底板突水危险性评价，可以使评价结果更准确。付雷等 （2010）依据王家岭煤矿中奥陶统峰峰组岩性特征及采样分析结果，把该组划分为四个 层段风化淋滤段、上部含石膏段、厚层泥晶灰岩段和下部含膏岩段。在分析该区水文 孔抽水试验和岩样溶蚀实验结果的基础上，结合区域的水文地质特征、构造特点、岩性 等方面情况，分段分析了峰峰组的隔水特性，分析认为风化淋滤段、上部含石膏段和 厚层泥晶灰岩段隔水能力较弱，下部含膏岩段隔水能力很强[16]。 1.2.2 煤层底板突水机理研究现状 （1）国外研究现状 煤矿突水问题在东欧的匈牙利、波兰、南斯拉夫、俄罗斯等国家也大量存在，特别 是匈牙利， 其灰岩强含水层对煤矿的威胁程度不亚于我国。 40 年代匈牙利的韦格弗伦斯 第一次提出底板相对隔水层的概念[31-32]，认为煤层底板突水和底板隔水层厚度及水压力 有关。他提出相对系数的概念（即隔水层厚度与水压力之比） ，并认为 1.5m/atm 为突水 判据。60 年代初，匈牙利开展以“保护层”为中心的突水理论研究，并在 80 年代特别 注意到煤层底板的应力状态和底板完整性，匈牙利国家矿山研究院采用了原位地应力测 试和数值计算的方法评价底板的稳定性。 前苏联继 B.斯列萨列夫 40 年代提出固定梁的概念[33]并以此判断底板的强度之后， 就一直沿用基于水压力平衡的理论公式来评价采煤工作面的围岩破裂值，其他采用线性 经验公式或经验数值；在 80 年代末，前全苏矿山地质力学和测量科学研究院突破传统 线性关系，指出导水裂隙和采厚呈平方根关系。 欧美各国技术经济条件较好，对该问题的研究资料较少，主要用经验公式或经验值 评价。关于煤矿开采底板变形与破坏，M.鲍莱茨基等给出了不同的概念[34]底板开裂、 底臌、底板断裂和大块底板突起。N.A.多尔恰尼诺夫等认为，在高应力作用下（如深部 开采） ，岩体或支承压力区出现渐进的脆性破坏，其破坏形式是裂隙渐渐扩展并发生沿 西安科技大学硕士学位论文 6 裂隙的剥离和掉块，从而为底板高压水突入矿井创造了条件[35]。实质上，对煤层底板突 水问题的研究与岩体水力学问题的研究密不可分。岩体水力学是一门始于 60 年代末的 新兴学科[36]，自 1968 年 Show D.T 通过实验发现平行裂隙中渗透系数的立方定律[37]以 后，人们对裂隙流的认识从多孔介质流中转变过来。1974 年 LouiS[38]根据钻孔抽水实验 得到裂隙中水的渗透系数和法向地应力服从指数关系。以后德国的 Erichsenls[39]又从裂 隙岩体的剪切变形分析出发建立了渗流和应力之间的耦合关系。 1986 年 Oda[40]用裂隙几 何张量统一表达了岩体渗流与变形之间的关系。1992 年 Derek Elsworth[41]将似双重介质 岩石格架的位移转移到裂隙上，再根据裂隙渗流服从立方定理的关系，建立渗流场计算 的固液耦合模型，并开发了有限元计算程序。从此，采用固液耦合模型就成为研究突 水过程的一个主要方面。 （2）国内研究现状 目前国内运用的较广泛的理论大致可以分为突水系数法、“下三带”理论、强渗流 说、板壳理论，原位张裂和零位破坏理论、关键层理论、递进导升理论、岩水应力说， 具体分述如下 ① 突水系数法 突水系数法是经验性方法，并进入了矿井防治水规定，作为带压开采分区的标 准，为带压开采技术的发展作出了贡献。实际运用中也存在诸多问题，突水系数法容易 造成误判，致使有些具备带压开采条件的区域不能开采，而有些被判定为能开采的区域 却发生突水事故。 ② “下三带”理论 该观点最早是山东科技大学（原山东矿业学院）、井径矿务局、峰峰矿务局等一批 科技人员在实践中提出的，并在实践中进行应用和发展，最后由山东科技大学的一批科 研人员将其上升到一定理论高度。理论认为开采煤层底板也像采动覆岩一样存在着三 带，即底板破坏带，完整岩层带，承压水导高带。“下三带”理论比较适合用于研究 煤层采动条件下底板破坏、突水规律以及底板的阻水性，在生产实践及科研中得到了较 为广泛的应用。 ③ 强渗通道说 “强渗通道说”是中科院地质所运用工程地质力学研究煤层开采时的围岩的变形、 破坏和失稳问题所取得的最新进展。“强渗通道说”解释突水机理的基本观点有二其 一是底板水文地质结构存在与水源沟通的固有的富水强渗通道，当其被采掘工程穿过 时，即可能产生突发性的大量突水、造成突水危害；其二是底板中不存在这种固有的强 渗通道，但在工程应力、地壳应力以及地下水的共同作用下，沿袭底板岩体结构和水文 地质原有的薄弱带发生变形、蜕变与破坏，形成新的贯穿性强渗通道而诱发突水。前者 叫做“原生通道突水”，后者叫做“再生或次生通道突水”。 1 绪论 7 ④ 原位张裂和零位破坏 煤炭科学总院北京开采所王作宇、刘鸿泉提出底板岩体移动的“原位张裂和零位破 坏”理论。该理论认为被开采的煤层在矿压、水压的联合作用下，工作面对底板水平的 影响范围分为三段，即超前压力压缩段、御压膨胀段和采后压缩到稳定段。“原位张裂 与零位破坏”理论仅仅从矿山压力及承压水压力角度，解释了煤层开采过程中的底板破 坏过程，并没有从本质上简明地说明突水发生的机理，而且也没有考虑底板岩体构造特 征对岩体力学特性损伤的影响，现场人员极少应用。 ⑤ 板壳理论 煤科总院北京开采所刘天泉、张金才等从力学分析角度出发，提出了底板岩体“两 带”的模型，即底板岩体由采动导水裂隙带及底板隔水带组成。该理论引用断裂力学工 型裂纹的力学模型，求出采场边缘应力场的分布的弹性能，并应用 Comulom-Mohr 破坏 准则及格林菲斯破坏准则，求出矿山压力对底板的最大破坏深度。而对隔水带的处理是 将其看作四周固支受均布载荷作用下的弹性薄板，然后采用弹塑性理论分别得到底板岩 层抗剪及抗拉强度为基准的预测底板所能承受的极限水压的计算公式。但由于它的实用 性比较差，因此，这种模型在实际生产中很难推广和应用。 ⑥ 关键层理论 中国矿业大学钱鸣高院土将采场顶板覆岩运动受关键层控制的理论观点引申到底 板突水研究中，从而认为关键层是控制突水的主要原因。所谓的关键层，是指底板中含 水层以上承载能力最高的一层岩层。该理论认为，一旦关键层破裂，就会引发突水。由 于关键层可以看成薄板，因此在力学研究手段上采用了薄板模型。 ⑦ 递进导升理论 “递进导升”理论，该理论由煤炭科学院西安分院王经明于 1994 年在进行煤层底板 观测时提出。该理论认为在煤层底板隔水层和承压含水层之间存在着导升现象，即承压 水沿上覆隔水层的裂隙带入侵现象。 在采动矿压和水压的共同作用下， 裂隙开裂、 扩展、 入侵高度递进发展，当和上部的底板破坏带相接时即发生突水。这一理论很好的解释了 采动过程中发生在工作面附近的突水现象。 ⑧ 岩水应力关系说 该理论是西安分院水文所王成绪等发展的一种突水预测理论，该理论把复杂的底板 突水问题简单地归纳为岩（底板隔水层岩体）水（底板承压水）应力（采动应力和构造 应力），其的主要判据为 a、 1 tancp，此时裂隙剪破坏； b、Tp-，、 p取绝对值，此时裂隙拉破坏； 其中抗剪强度；内摩擦角； 1 c内聚力；T充填材料的抗拉强度。 西安科技大学硕士学位论文 8 总的来说，前人对煤层底板突水机理进行了系统的研究，并形成了诸多成熟的理论 体系，这些理论都是基于已经被公认的隔水层而开展的，很少有人针对奥陶系峰峰组的 阻水性能做系统的试验及理论研究，因而有必要在前人研究成果的基础上，对奥陶系灰 岩作为煤系地层基底展开新的认识。 1.3 选题的依据及难点 （1）选题依据 本论文选题的主要依据是针对目前紧缺的煤炭资源形势和亟待解决的深部煤炭资 源防治水工作问题，通过开展下组煤底板岩层阻水能力研究课题，提炼有利于下组煤带 压开采的有利因素，寻求对峰峰组岩溶裂隙含水层的新认识，实现解放深部煤炭资源与 安全开采的双赢。 （2）选题的难点 本文的难点是研究峰峰组是否存在有效的相对隔水层存在，需要研究的核心问题主 要分一下几方面 ① 峰峰组相对岩溶裂隙含水层的水文地质特征，其与上马家沟组岩溶裂隙含水层 的水力联系情况。 ② 峰峰组形成的相关地质背景和与古奥灰岩溶之间存在什么关系，如何定性或定 量评价其阻水性能。 ③ 不同时空尺度下，下组煤底板天然应力场、渗流场的耦合特性，在采掘条件以 及奥灰水压共同作用下，下组煤底板水对上覆煤层带压开采条件的影响规律研究。 以上述若干问题为主线，本文将以现场勘探工程为基本背景，结合实验与测试获取 数据，通过综合分析、研究的手段，探索适用于深埋煤炭资源采掘形势的防治水工作研 究方法。 1.4 研究内容、技术路线及主要创新点 1.4.1 研究内容 依托山西晋城寺河矿下组煤科技开发项目，本文通过野外调研、现场水文地质勘探 与测试、室内数值计算与综合分析、研究相结合的方法，针对下组煤底板峰峰组岩溶裂 隙含水层展开研究工作，主要研究内容如下 （1）奥灰埋藏条件野外地质调研 收集整理矿井已有勘探资料，踏勘矿区及周边地区奥灰露头区，对其顶部风化壳进 行直观认识，初步了解其成因类型、层序、接触关系、裂隙发育、分布及充填情况等， 结合华北型煤田奥陶系地层发育情况，还原峰峰组古地质背景。 1 绪论 9 （2）奥灰峰峰组阻水能力试验研究 结合抽水试验、水化学分析、流量测井、压水试验成果，进行峰峰组阻水能力试验 研究，分析峰峰组的水文地质特性。 （3）峰峰组隔水层段阻水性能综合评价 研究峰峰组顶部古风化壳的地质成因、岩溶裂隙发育状态，收集相关钻孔资料，统 计峰峰组岩性分布规律，提出并论证相对隔水层的相关命题，结合前面的研究成果对峰 峰组组水性能进行综合评判。 （4）下组煤采场底板流固耦合研究 通过定性分析与定量研究的方法，研究应力渗流耦合规律。运用 FLAC3D有限差分 程序， 考虑峰峰组相对隔水层厚度值， 建立应力渗流仿真模型， 真实模拟在奥灰水压、 矿压及特定回采方式下，底板岩体的破坏变化规律，为下组煤带压开采提供数据支撑。 （5）下组煤带压
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