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。

 

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　　【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。在收集华北型煤矿底板破坏实测
数据的基础上，利用回归分析法，并结合损伤力学理论建立了底板深度的破坏公式，但对
于底板隔水层在渗透水压作用下尚未进行理论分析。笔者通过材料力学理论分析得出底板隔
水层固支梁两端的底界面拉应力最大，首先产生损伤破坏。在此基础上，考虑了损伤区内孔
隙压力的影响，计算得出损伤变量的临界值

DC。根据几何损伤理论，底板损伤区内所受的

有效应力由岩石骨架所受的应力和裂隙内的孔隙压力来平衡，损伤区的有效应力

σ′与无损

状态应力

σ 及损伤区残余水压力 q′的关系如下： 

　　当

D=DC 时，岩体骨架发生屈服破坏，岩体内部形成微裂纹且裂纹端部应力集中并形

成翼状裂纹。在老顶初次来压之前，随着工作面的不断推进，底板隔水层卸压程度逐渐增加，
隔水层底界面由压缩区向卸压膨胀区过渡的岩体所受的拉应力逐渐增加，损伤区裂纹密度
不断增加并相互贯。

 

　　

1.3 底板隔水层断裂力学模型 

　　随着

“下三带”、“下四带”理论的提出，专家们对底板导升破坏带高度也进行了大量的研

究。笔者在底板隔水层底界面由压缩区向卸压膨胀区过渡的岩体损伤破坏并形成宏观裂纹的
基础上，结合材料力学理论建立底板隔水层断裂力学模型，以更加合理地分析底板隔水层
导升带高度。在隔水层易破坏区域形成宏观裂纹的情况下，对裂纹进行力学分析。为简化计
算，在分析裂纹端部的应力集中系数时，忽略剪应力的影响。由于底板承压水作用引起隔水
层向卸压采空区挤压变形，因此隔水层底界面形成的宏观裂纹受到远场拉应力及水压渗透