矿井水害发生机理
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由煤科总院北京开采所王作宇、刘鸿泉等
人提出。该理论认为，矿压、水压联合作 用于工作面对煤层的影响范围可分为三段： 超前压力压缩段（Ⅰ段）、卸压膨胀段 （Ⅱ段）和采后压力压缩—稳定段（Ⅲ段）
1 I 段 3 β 6 7 8 9 10 零位 II 段 2 β β ′′ ′ 4 5
1 III段
11
12
导水裂隙带高度研究
地应力
• 地应力高的区域冒裂带较高
地下水 开采条件是覆岩破坏的根本原因
导水裂隙带高度研究
《三下规程》集中反映了各矿区的冒裂带
的观测成果：
冒裂带发育的影响因素：
• 采高 • 覆岩的岩性 • 冒裂带的公式
其它研究者的成果：
安徽理工大学的桂和荣教授运用塑性屈服准则， 得出了覆岩拉破坏准则：当σ1≥σｔ时,拉破坏的 条件为ｆ=σｉ-σｔ=0;当σ1≥σ,σ2≥σｔ时,拉破坏条 件为ｆ1=σ1-σｔ=0;ｆ2=σ2-σｔ=0，
导水裂隙带高度研究
讲课人的个人观点：超限应力、有限空间问题
离层带概念提出及应用，离层带水害问题
（淮北海孜矿水害）。
底板水害发生机理
研究历史及现状
早在20世纪初，国外就有人注意到底板隔
水层的作用 40年代至50年代，匈牙利韦格弗伦斯第一 次提出底板相对隔水层的概念。 60年代至70年代，匈牙利国家矿业技术鉴 定委员会将相对隔水层厚度的概念列入 《矿业安全规程》,我国引入该概念.
断层导致隔水层厚度减少而导水
断层本身导水
断层裂隙带导水
断层活化导水
断层活化机制
x3 z
应力
xg
A θ
含水层
线
高峰
a
α
作用于断层面上的剪应力和正应力分别为：
1 sin 3 cos n 1 cos 3 sin
断层面的抗剪强度为：n C n tg 0
剩余剪应力：
n
断层产生滑移变形的条件为:
0
断层伴生小断层（或节理）的活化机制
对于断层伴生的张节理，设作用于节理面的等效张 应力为T则有： T 1 3
1
由断裂力学理论，得节理尖端的应力强度因子为
K I 1 3 a a为节理长度之半。 设 1 KH （采场的支承压力），（无水平构造应力作 用），则有:
K I (KH 2 ) a
K I K IC
节理起裂扩展条件为
(KH 2 ) a K IC 即: 上式即为断层派生节理起裂扩展的条件。当采场支承压力 增大到满足上式时，断层派生节理就会发生扩展。
裂隙的应力强度因子有限元计算
图4.3-1 裂隙模型示意图 .3-1
顶板水害发生机理
顶板水害发生主要是由于开采煤层顶板运
动产生。上覆岩层的移动和破坏，形成了 充水通道，使上部水体中的水渗入或溃入 井下，形成灾害。 上三带理论： 开采煤层之上存在三带：冒落带、导水裂 缝带、弯曲带。 冒落带和导水裂缝带统称冒裂带。
顶板水害发生机理
冒落带：指采矿工作面放顶后引起的直接
1
式中，H为采高，L为弯曲带下降距离，λ为碎胀系 数，h为冒落带高度
导水裂隙带高度研究
中国矿业大学的隋旺华教授以岩体工程力
学为理论依据，对覆岩的破坏机理和判据 进行了研究：
上覆岩层岩性及组合是覆岩破坏的物质基础：
导水裂隙带高度研究
岩体结构特征是覆岩破坏的控制因素
层状完整结构体 层状断续结构体 层状板裂结构体 层状碎裂结构体 散体结构岩体
“岩水应力关系”说
煤科院西安分院提出。该学说认为底板突水是岩 （底板砂页岩）、水（底板承压水）、应力（采 动应力和地应力）共同作用的结果。采动矿压使 底板隔水层出现一定深度的导水裂隙，降低了岩 体强度，削弱了隔水性能，造成了底板渗流场重 新分布，当承压水沿导水破裂进一步浸入时，岩 体则因受水软化而导致裂缝继续扩展，直至两者 相互作用的结果增强到底板岩体的最小主应力小 于承压水水压时，便产生压裂扩容，发生突水。 其表达式为：I=Pw/ z (I为突水临界指数, Pw为 底板隔水岩体承受的水压；z为底板岩体的最小主 应力)，当I<1时不会发生突水，反之则发生突水。 该学说综合考虑了岩石、水压及地应力的影响， 揭示了突水发生的动态机理。
裂带触及不到含水层（水体），且含水层 水压不足以破坏冒裂带之上的隔水层，弯 曲带内的岩层虽然也可能存在伸张裂隙或 离层，但这些裂隙互不连通。不会发生溃 水。 2. 开采煤层距离含水体近，冒裂带直接进 入含水层，则含水层水会溃入井下。
Hsh
Hb
3.如果是裂隙带达到含水层，含水层
中水会溃入工作面，发生突水事故； 若冒落带达到含水层，不仅会发生突 水事件，还会发生溃沙事件。
超前压力压缩段在其上部岩体自重力和下部水压 力的联合作用下整个结构呈现出上半部受水平挤 压、下半部受水平引张的状态， 在中部附近的底面上的原岩节理、裂缝等不连续 而产生岩体的原位张裂。 在底板承压水的作用下，克服岩体结构面阻力而 扩大，并沿着不连续面发展或形成新的张裂，从 而形成底板岩体的原位张裂。 煤层底板结构岩体由Ⅰ段向Ⅱ段过渡引起其结构 状态的质变，处于压缩的岩体应力急剧卸压，围 岩的贮存能大于岩体的保留能，便以脆性破坏的 形式释放残余弹性应变能以达到岩体能量的重新 平衡，从而引起采场底板岩体的零位破坏.
导水裂隙带高度研究
一些学者基于研究矿山压力的需要，对工作面顶板 的“两带”主要是冒落带进行了研究。中国矿业 大学的钱鸣高院士和山东科技 大学的宋振琪院士 分别发展了“砌体梁”理论、和“铰接岩梁”理 论。这些理论从理论上分析了冒落带的高度，为 煤层顶板突水研究提供了理论基础。
冒落带公式： h H L
导水裂隙带高度研究
地层倾角
• 水平和缓倾斜煤层：（0~35°）：整个工作面冒落 带高度基本为同一层位，并呈两端高中间低的马鞍 形 • 中等倾斜的煤层（36~54 °）：冒裂带下山部位低， 上山部位高。 • 急倾斜煤层（55~90 °）：上山部位极易发生抽冒 现象。
地质构造
• 断层尤其是张断层附近：易形成抽冒现象，冒裂带 发育较高 • 节理密集带、褶曲轴部冒裂带发育较高
板模型理论
煤科总院北京开采所刘天泉院士，张金才等提出 认为底板岩层由采动导水裂隙带和底板隔水带组 成。 运用弹性力学、塑性力学理论和相似材料模拟实 验来研究底板突水机制，采用半无限体一定长度 上受均布竖向载荷的弹性解、结合库仑—莫尔强 度理论和Griffith强度理论分别求得了底板受采动 影响的最大破坏深度。 将底板隔水层带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了以 底板岩层抗剪及抗拉强度为基准的预测底板所能 承受的极限水压力的计算公式。
关键层理论
中国矿业大学钱鸣高
院士，梨良杰博士提
出
认为，煤层底板在采动破坏带之下，含水层之上 存在一层承载能力最高的岩层，称为“关键层”。 在采动条件下，将关键层作为四边固支的矩形薄 板，然后按弹性理论和塑性理论分别求得底板关 键层在水压等作用下的极限破断跨距。分析了关 键层破断后岩块的平衡条件，建立了无断层条件 下采场底板的突水准则和断层突水的突水准则。
老顶 直接顶 煤 层
关 键 层
含 水层
“强渗通道”说
由中科院地质所提出。该理论认为底板是否发生 突水关键在于是否具备突水通道。这分为两种情 况：其一，底板水文地质结构存在与水源勾通的 固有突水通道，当其被采掘工程揭穿时，即可产 生突破性的大量涌水，构成突水事故；其二，底 板中不存在这种固有的突水通道，但在工程应力、 地壳应力以及地下水共同作用下，沿袭底板岩体 结构和水文地质结构中原有的薄弱环节发生形变、 蜕变与破坏，形成新的贯穿性强渗通道而诱发突 水。前者属于原生通道突水，后者属于再生或次 生通道突水。该理论重视了地质构造（包括断层 和节理）这一薄弱面对突水的影响，但对采动和 水压对其产生的影响，尤其采动矿压的作用缺乏 应有的研究。
矿井水害 发生机理
矿井水害从发生机理上讲，可分为四大类：
1.煤层顶板水害类：包括地表水，第四系、 侏罗系、第三系、煤层顶板砂岩等水害； 煤层开采统称为水体下采煤。 2.煤层底板水害类：承压含水层水害（包括 厚层灰岩、薄层灰岩、砂岩等）。煤层开 采称为承压水上采煤。 3.老空、老窑水害类 4.其他水害类：包括导水构造，防水设施， 煤柱等引起的水害。
垮落破坏。该带不仅透水而且透砂。 裂隙带：指冒落带之上，大量出现的切层、 离层和断裂隙或裂隙发育带。该带不会透 砂但能透水。 弯曲带：指裂隙带以上至地表的整个范围 内岩体发生弯曲下沉的整体变形和沉降移 动区。访带一般不具备导水能力。
顶板水害发生机理
水经覆岩涌入矿井机理
1.开采煤层距离含水层（水体）较远，冒
裂隙的应力强度因子
模型单元划分图
裂隙的应力强度因子
X方向的应变量分布
裂隙的应力强度因子
Y方向的应力分布
老空、老窑水害及其他水害发生机理
老空、老窑水害：长期或短期积水，水压增
大到一定程度，突破或人为破坏阻挡物 （煤柱或煤岩块体），积水快速溃下，造 成灾害。 导水构造沟通含水层与开采煤层破坏区； 防水设施，强度不足，施工质量差，达不 到要求；围岩长期渗流，变形破坏； 煤柱尺寸不足，强度不足以抵抗水压等引 起水害
新进展
阻水能力评价 保护层带划分：矿压扰动带，正常带；
底板“四带”，新增损伤带，正常带
经验公式：
h1 9.7639 ln
理论公式：
h 59.88ln
H 0.183 L 0.1665 0.837 A 5.7349 20.56
K maxH
C
Leabharlann Baidu 断层导水机理
断层导致隔水层与含水层对接
关于突水理论
“下三带”理论
“下三带”的理论观点最早是由山东 矿业学院、井陉矿务局、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 东矿业学院的一批科研人员提出。 Ⅰ底板破坏带；Ⅱ完整岩层带；Ⅲ承 压水导高带。
I
h1
破坏带
IIh2
保护带
断层带
III
h3
导升带
原位张裂与零位破坏理论
我国在底板突水规律研究方面起始于60年代， 70年代中期，国家派科技人员去匈牙利考察， 70年代后期，修改了原有的突水系数概念，并应 用于实践。 80年代开始，以煤炭科学研究总院西安分院、山 东矿业学院及煤炭科学研究总院特采所为代表， 不仅各自独特的理论，而且具有一个完整的研究 梯队。 目前，我国防治水的研究工作处于世界领先地位。
人提出。该理论认为，矿压、水压联合作 用于工作面对煤层的影响范围可分为三段： 超前压力压缩段（Ⅰ段）、卸压膨胀段 （Ⅱ段）和采后压力压缩—稳定段（Ⅲ段）
1 I 段 3 β 6 7 8 9 10 零位 II 段 2 β β ′′ ′ 4 5
1 III段
11
12
导水裂隙带高度研究
地应力
• 地应力高的区域冒裂带较高
地下水 开采条件是覆岩破坏的根本原因
导水裂隙带高度研究
《三下规程》集中反映了各矿区的冒裂带
的观测成果：
冒裂带发育的影响因素：
• 采高 • 覆岩的岩性 • 冒裂带的公式
其它研究者的成果：
安徽理工大学的桂和荣教授运用塑性屈服准则， 得出了覆岩拉破坏准则：当σ1≥σｔ时,拉破坏的 条件为ｆ=σｉ-σｔ=0;当σ1≥σ,σ2≥σｔ时,拉破坏条 件为ｆ1=σ1-σｔ=0;ｆ2=σ2-σｔ=0，
导水裂隙带高度研究
讲课人的个人观点：超限应力、有限空间问题
离层带概念提出及应用，离层带水害问题
（淮北海孜矿水害）。
底板水害发生机理
研究历史及现状
早在20世纪初，国外就有人注意到底板隔
水层的作用 40年代至50年代，匈牙利韦格弗伦斯第一 次提出底板相对隔水层的概念。 60年代至70年代，匈牙利国家矿业技术鉴 定委员会将相对隔水层厚度的概念列入 《矿业安全规程》,我国引入该概念.
断层导致隔水层厚度减少而导水
断层本身导水
断层裂隙带导水
断层活化导水
断层活化机制
x3 z
应力
xg
A θ
含水层
线
高峰
a
α
作用于断层面上的剪应力和正应力分别为：
1 sin 3 cos n 1 cos 3 sin
断层面的抗剪强度为：n C n tg 0
剩余剪应力：
n
断层产生滑移变形的条件为:
0
断层伴生小断层（或节理）的活化机制
对于断层伴生的张节理，设作用于节理面的等效张 应力为T则有： T 1 3
1
由断裂力学理论，得节理尖端的应力强度因子为
K I 1 3 a a为节理长度之半。 设 1 KH （采场的支承压力），（无水平构造应力作 用），则有:
K I (KH 2 ) a
K I K IC
节理起裂扩展条件为
(KH 2 ) a K IC 即: 上式即为断层派生节理起裂扩展的条件。当采场支承压力 增大到满足上式时，断层派生节理就会发生扩展。
裂隙的应力强度因子有限元计算
图4.3-1 裂隙模型示意图 .3-1
顶板水害发生机理
顶板水害发生主要是由于开采煤层顶板运
动产生。上覆岩层的移动和破坏，形成了 充水通道，使上部水体中的水渗入或溃入 井下，形成灾害。 上三带理论： 开采煤层之上存在三带：冒落带、导水裂 缝带、弯曲带。 冒落带和导水裂缝带统称冒裂带。
顶板水害发生机理
冒落带：指采矿工作面放顶后引起的直接
1
式中，H为采高，L为弯曲带下降距离，λ为碎胀系 数，h为冒落带高度
导水裂隙带高度研究
中国矿业大学的隋旺华教授以岩体工程力
学为理论依据，对覆岩的破坏机理和判据 进行了研究：
上覆岩层岩性及组合是覆岩破坏的物质基础：
导水裂隙带高度研究
岩体结构特征是覆岩破坏的控制因素
层状完整结构体 层状断续结构体 层状板裂结构体 层状碎裂结构体 散体结构岩体
“岩水应力关系”说
煤科院西安分院提出。该学说认为底板突水是岩 （底板砂页岩）、水（底板承压水）、应力（采 动应力和地应力）共同作用的结果。采动矿压使 底板隔水层出现一定深度的导水裂隙，降低了岩 体强度，削弱了隔水性能，造成了底板渗流场重 新分布，当承压水沿导水破裂进一步浸入时，岩 体则因受水软化而导致裂缝继续扩展，直至两者 相互作用的结果增强到底板岩体的最小主应力小 于承压水水压时，便产生压裂扩容，发生突水。 其表达式为：I=Pw/ z (I为突水临界指数, Pw为 底板隔水岩体承受的水压；z为底板岩体的最小主 应力)，当I<1时不会发生突水，反之则发生突水。 该学说综合考虑了岩石、水压及地应力的影响， 揭示了突水发生的动态机理。
裂带触及不到含水层（水体），且含水层 水压不足以破坏冒裂带之上的隔水层，弯 曲带内的岩层虽然也可能存在伸张裂隙或 离层，但这些裂隙互不连通。不会发生溃 水。 2. 开采煤层距离含水体近，冒裂带直接进 入含水层，则含水层水会溃入井下。
Hsh
Hb
3.如果是裂隙带达到含水层，含水层
中水会溃入工作面，发生突水事故； 若冒落带达到含水层，不仅会发生突 水事件，还会发生溃沙事件。
超前压力压缩段在其上部岩体自重力和下部水压 力的联合作用下整个结构呈现出上半部受水平挤 压、下半部受水平引张的状态， 在中部附近的底面上的原岩节理、裂缝等不连续 而产生岩体的原位张裂。 在底板承压水的作用下，克服岩体结构面阻力而 扩大，并沿着不连续面发展或形成新的张裂，从 而形成底板岩体的原位张裂。 煤层底板结构岩体由Ⅰ段向Ⅱ段过渡引起其结构 状态的质变，处于压缩的岩体应力急剧卸压，围 岩的贮存能大于岩体的保留能，便以脆性破坏的 形式释放残余弹性应变能以达到岩体能量的重新 平衡，从而引起采场底板岩体的零位破坏.
导水裂隙带高度研究
一些学者基于研究矿山压力的需要，对工作面顶板 的“两带”主要是冒落带进行了研究。中国矿业 大学的钱鸣高院士和山东科技 大学的宋振琪院士 分别发展了“砌体梁”理论、和“铰接岩梁”理 论。这些理论从理论上分析了冒落带的高度，为 煤层顶板突水研究提供了理论基础。
冒落带公式： h H L
导水裂隙带高度研究
地层倾角
• 水平和缓倾斜煤层：（0~35°）：整个工作面冒落 带高度基本为同一层位，并呈两端高中间低的马鞍 形 • 中等倾斜的煤层（36~54 °）：冒裂带下山部位低， 上山部位高。 • 急倾斜煤层（55~90 °）：上山部位极易发生抽冒 现象。
地质构造
• 断层尤其是张断层附近：易形成抽冒现象，冒裂带 发育较高 • 节理密集带、褶曲轴部冒裂带发育较高
板模型理论
煤科总院北京开采所刘天泉院士，张金才等提出 认为底板岩层由采动导水裂隙带和底板隔水带组 成。 运用弹性力学、塑性力学理论和相似材料模拟实 验来研究底板突水机制，采用半无限体一定长度 上受均布竖向载荷的弹性解、结合库仑—莫尔强 度理论和Griffith强度理论分别求得了底板受采动 影响的最大破坏深度。 将底板隔水层带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了以 底板岩层抗剪及抗拉强度为基准的预测底板所能 承受的极限水压力的计算公式。
关键层理论
中国矿业大学钱鸣高
院士，梨良杰博士提
出
认为，煤层底板在采动破坏带之下，含水层之上 存在一层承载能力最高的岩层，称为“关键层”。 在采动条件下，将关键层作为四边固支的矩形薄 板，然后按弹性理论和塑性理论分别求得底板关 键层在水压等作用下的极限破断跨距。分析了关 键层破断后岩块的平衡条件，建立了无断层条件 下采场底板的突水准则和断层突水的突水准则。
老顶 直接顶 煤 层
关 键 层
含 水层
“强渗通道”说
由中科院地质所提出。该理论认为底板是否发生 突水关键在于是否具备突水通道。这分为两种情 况：其一，底板水文地质结构存在与水源勾通的 固有突水通道，当其被采掘工程揭穿时，即可产 生突破性的大量涌水，构成突水事故；其二，底 板中不存在这种固有的突水通道，但在工程应力、 地壳应力以及地下水共同作用下，沿袭底板岩体 结构和水文地质结构中原有的薄弱环节发生形变、 蜕变与破坏，形成新的贯穿性强渗通道而诱发突 水。前者属于原生通道突水，后者属于再生或次 生通道突水。该理论重视了地质构造（包括断层 和节理）这一薄弱面对突水的影响，但对采动和 水压对其产生的影响，尤其采动矿压的作用缺乏 应有的研究。
矿井水害 发生机理
矿井水害从发生机理上讲，可分为四大类：
1.煤层顶板水害类：包括地表水，第四系、 侏罗系、第三系、煤层顶板砂岩等水害； 煤层开采统称为水体下采煤。 2.煤层底板水害类：承压含水层水害（包括 厚层灰岩、薄层灰岩、砂岩等）。煤层开 采称为承压水上采煤。 3.老空、老窑水害类 4.其他水害类：包括导水构造，防水设施， 煤柱等引起的水害。
垮落破坏。该带不仅透水而且透砂。 裂隙带：指冒落带之上，大量出现的切层、 离层和断裂隙或裂隙发育带。该带不会透 砂但能透水。 弯曲带：指裂隙带以上至地表的整个范围 内岩体发生弯曲下沉的整体变形和沉降移 动区。访带一般不具备导水能力。
顶板水害发生机理
水经覆岩涌入矿井机理
1.开采煤层距离含水层（水体）较远，冒
裂隙的应力强度因子
模型单元划分图
裂隙的应力强度因子
X方向的应变量分布
裂隙的应力强度因子
Y方向的应力分布
老空、老窑水害及其他水害发生机理
老空、老窑水害：长期或短期积水，水压增
大到一定程度，突破或人为破坏阻挡物 （煤柱或煤岩块体），积水快速溃下，造 成灾害。 导水构造沟通含水层与开采煤层破坏区； 防水设施，强度不足，施工质量差，达不 到要求；围岩长期渗流，变形破坏； 煤柱尺寸不足，强度不足以抵抗水压等引 起水害
新进展
阻水能力评价 保护层带划分：矿压扰动带，正常带；
底板“四带”，新增损伤带，正常带
经验公式：
h1 9.7639 ln
理论公式：
h 59.88ln
H 0.183 L 0.1665 0.837 A 5.7349 20.56
K maxH
C
Leabharlann Baidu 断层导水机理
断层导致隔水层与含水层对接
关于突水理论
“下三带”理论
“下三带”的理论观点最早是由山东 矿业学院、井陉矿务局、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 东矿业学院的一批科研人员提出。 Ⅰ底板破坏带；Ⅱ完整岩层带；Ⅲ承 压水导高带。
I
h1
破坏带
IIh2
保护带
断层带
III
h3
导升带
原位张裂与零位破坏理论
我国在底板突水规律研究方面起始于60年代， 70年代中期，国家派科技人员去匈牙利考察， 70年代后期，修改了原有的突水系数概念，并应 用于实践。 80年代开始，以煤炭科学研究总院西安分院、山 东矿业学院及煤炭科学研究总院特采所为代表， 不仅各自独特的理论，而且具有一个完整的研究 梯队。 目前，我国防治水的研究工作处于世界领先地位。