采场底板突水条件及位置分析

　　c.　两应力场形成后，随工作面推进，各自的应力高峰线以断裂线为界向相反的方向发展，如图1d中曲线1、2、3所示。
　　采场进入正常推进后，支撑压力分布和显现的主要特点是伴随着上覆岩层的周期性运动，呈现图1中从d—b—c—d的周期性变化。
2　采场推进方向底板应力分布特征
2.1　垂直应力分布特征
　　底板中垂直应力σ_z的集中区和卸压区基本上与支撑压力的集中区和卸压区相对应，随深度z的增加，应力集中和卸压程度降低，应力分布趋向缓和；煤体下方集中应力等值线呈斜向煤壁前方的“泡”形，采空区下方卸压应力等值线呈斜向煤壁后方的“泡”形。σ_z高峰从支撑压力高峰位置处沿着与法线成θ=21.8°夹角的方向向煤体下方传播(式1，图2a)，其峰值按负指数规律(式2，图2b)衰减；σ_z的原始应力等值线是一条从煤体塑性区中支撑压力达到γH的位置以与法线成θ₁=－14.7°方向向采空区下方伸展的直线(式3，图2c)，它是σ_z的集中区和卸压区的分界线，高峰传递线和原岩应力线并不是从支撑压力高峰处和煤壁处垂直于层面的直线。

图2　推进方向底板应力等值线

x=7.77＋0.44z(1)

σ_z=2.75e^－0.0167z(2)

x=2.25－0.268z(3)

2.2　水平应力的分布特征
　　底板岩层受采动影响后，由于σ_z的高度集中和卸压，在垂直方向产生压缩和膨胀，岩层处于微弯曲状态，并伴生出水平方向的压缩和膨胀，因而出现了水平应力升高区和卸压区。煤体下方浅部应力集中，深部卸压；采空区下方浅部卸压，甚至出现拉应力，深部又有较低的应力集中。
2.3　剪应力的分布特征
　　原始应力状态下剪应力τ_zx为零，受采动影响后，在煤壁下方附近出现一个应力值较高的剪应力区。煤体底板为层状岩体，层面上粘结力c和摩擦角φ较小(岩块φ=30～35°，软弱层面φ=30～35°)，τ_zx将通过层面、软弱夹层的剪切滑移明显地增加巷道两帮移近量。当层面上c=0,φ=30°(一般层面)时，层面滑移承载系数s_r=τ_zx／［τ_zx］的等值线如图3所示，即在工作面控顶区下方有一层滑移区(s_r≥1.0)。

图3　层面滑移承载系数等值线

3　底板突水过程分析
3.1　底板高峰应力对底板的破坏
　　底板高峰应力线受到支撑压力的高峰线控制，随支撑压力高峰线的运移而运移；随支撑压力的增加(减少)而增加(减少)。而支撑压力高峰的转移是由煤体及底板的抗压强度所决定的，当高峰支撑压力超过了煤体或底板的抗压强度时，煤体或底板遭到破坏，高峰支撑压力便向煤体深部运移，直到煤体和底板的抗压强度都不小于高峰支撑压力。可见在一定的推采距离下，高峰支撑压力每运移一次，其量值便衰减一次，其衰减的规律可以用应力集中系数来表达：

K_x=1＋K₀e^－bx，

式中　K₀、b——与煤层及矸石等弹性模量有关的系数；
　　　　K_x——距煤壁x处的应力集中系数。
　　从上面分析可知，位于底板高峰应力线倾向方向的底板未遭到支撑压力的破坏，只有背着底板高峰应力线倾向方向的底板才有可能遭受破坏。底板遭受破坏的条件为：

式中　σ_d、σ_m——底板、煤体的极限抗压强度；
　　　　σ_k——峰值支撑压力。
而底板破坏的深度可以用下式求得：

2.75e^－0.0167zγH=σ_d，

即

3.2　突水条件分析
　　根据“下三带”理论，采场底板h可以划分为三带，即矿压破坏带h₁、有效隔水带h₂、原始导高带h₃。在无断层影响的情况下底板突水的条件为：

即

　　底板破坏后不一定突水。如果破坏部位的裂隙在矿压的作用下处于闭合状态，突水就不会发生，所以上式是突水的必要条件；只有裂隙张开，突水通道才能形成，因此底板突水的充分条件为：

式中　P_w——水压；
　　　σ_x——底板水平方向的应力。
3.3　底板突水位置分析
　　在底板高峰应力线与倾向于采空区的原岩应力线之间的岩层虽然已遭受破坏，但还处于压缩状态，底板应力高于原岩应力，岩石中的裂隙处于闭合状态，因此该区间只满足突水的必要条件而不满足突水的充分条件，承压水不能从该区域突出。
　　在倾向于采空区的原岩应力线方向上，底板处于卸压状态，垂向应力σ_z衰减很快，和水平应力σ_x在采空区下方浅部形成一个低压的拉应力区，使得该区各个方向的裂隙都能处于张开状态。而在较深处因水平应力的集中，使得垂向应力σ_z由最大主应力转化为最小主应力。此时处于水平方向的裂隙必定张开；而垂直裂隙因水平应力大于水压而处于闭合状态；斜向裂隙只有满足下列条件才能张开：

式中，α为裂隙的倾角。
　　承压水在较深部只能沿水平裂隙和满足α角条件的裂隙所构成的裂隙网络向上运移，进入卸压区，在老顶岩梁端部未断裂之前，选择最短的路径进入采空区。因此在支撑压力处于第一和第二阶段时，突水点首先出现于采空区。
　　支撑压力的发展一旦进入第三阶段，底板应力将重新分布。首先因支撑压力高峰应力线向深部运移及峰值的降低，而使原先已遭受破坏但处于压缩闭合状态的裂隙张开。此时承压水只要满足下列条件就能突出：

式中，σ_n为内应力区的峰值应力。
　　其次，老顶岩梁断裂触矸后，垂向应力在老塘增加，底板裂隙闭合，突水量将降低，同时突水点将向煤壁方向游移。所以在内外应力场形成之后，主要突水点的位置将处于煤壁附近的控顶区内。
4　结论
　　a.　底板高峰应力线虽倾向于煤壁前方，但它受到垂直于煤体的支撑压力控制，随支撑压力的运移而运移，随支撑压力增大、减小而增大、减小。而底板高峰应力对底板的破坏不仅受到支撑压力大小的控制，而且还受到煤体及底板岩体抗压能力的控制。
　　b.　底板突水的必要条件是矿压对底板的破坏使底板有效隔水层厚度降为零；突水的充分条件为水压不小于卸压区的侧向压力。
　　c.　在内外应力场形成之前，突水位置在采空区；内外应力场形成之后，突水位置在煤壁附近。因此根据采场突水位置可以判断超前支撑压力的情况。

*国家自然科学基金资助项目.代号：E0401，批准号：59774001

作者简介：施龙青　男　34岁　副教授　博士　煤田地质及采矿工程

作者单位：施龙青　宋振骐　山东矿业学院矿压所　泰安　271019