1、工作面快速通过陷落柱技术分析摘 要：岩溶陷落柱系指坚硬的非可溶性岩层向下伏岩溶洞穴坍塌的老基岩塌陷。岩溶陷落柱不仅给地面工程带来危害，而且也可对地下采矿造成严重影响。就煤矿生产而言，岩溶陷落柱的存在，由于其形状、大小不一，内部地层杂乱无章，破坏了煤层的连续性，给煤矿的井巷工程布置与施工、采煤方法及采掘机械的选择等增加了相当大的困难。每年由此而造成的经济损失高达数亿元人民币。岩溶陷落柱有可能穿透地下含水层，在井下一旦被导通，便会给煤矿生产造成不堪设想的严重后果；还可能使其周围煤炭氧化，从而失去可采价值，减少井田的煤炭储量，使得矿井服务年限缩短，甚至可造成报废井巷工程的重大经济损失。本论文主要论述
2、溶岩陷落柱在国内的存在以及治理的现状、溶岩陷落柱突水的问题的治理、巷道和工作面过陷落柱的顶板支护等问题。本论文采用类比研究、参考有关现场实测数据和实践经验、结合统计方法、回归理论分析，对工作面过陷落柱时候的生产安全和产量提高等做了研究，提出了一些建议和想法。关键词：陷落柱，综采1 绪论1.1研究内容及意义煤炭工业是目前我国的支柱能源产业，其安全生产则是煤炭工业稳定、持续、高速发展的根本保证。但煤炭生产属特殊作业，受到自然地质条件、生产过程复杂等众多因素影响，致使灾难危险因素多，时常遇到水、火、瓦斯、煤尘和冒顶等多种自然灾害的威胁，因此煤矿安全问题也较其他行业更重要、更复杂、更难解决，给国家和企
3、业造成了无法估量的经济损失和社会影响。煤矿安全问题历来就是煤矿生产的头等大事，关系国家和集体的财产、煤矿职工生命安全和身心健康。矿井水灾是煤矿灾害之一，在煤矿事故中占相当大的比例，造成的生命和财产损失非常巨大。陷落柱是和奥灰相连接的地质构造，其充水性和导水性直接威胁安全生产，是酿成水灾的重要因素，因此研究陷落柱导水性意义重大，深入研究陷落柱的水文地质特征及分布规律，防止事故的发生，成为矿井安全生产中亟待解决的问题。岩溶陷落柱是我国北方型石炭二叠纪煤田的一种特殊隐伏垂向构造，是煤系下伏灰岩中的大跨度溶洞发生持续向上的塌陷所产生的三维形态呈柱状的塌落岩块堆积体，广泛分布于20个煤田45个煤矿区，在
4、各煤田，都有着密度不同的分布。本课题从矿区的地质构造、水文地质条件研究入手，通过对矿区的地下水的水化学特征及补、径、排条件来探寻岩溶陷落柱的成因及发育规律。1.2国内外研究现状1.2.1岩体结构研究现状在岩体结构方面，国内外学者进行了大量的研究，取得了显著进展和成效。岩体力学是在20世纪50年代后期形成的，以法国J.Talobre的岩体力学的出版为标志。早期的岩体力学研究是以岩块为研究对象，人们把岩体看成一种材料，直接引用材料力学研究中发展起来的连续介质理论，人们还没有意识到岩体的特殊性和复杂性。大量的工程实践表明，特别是1959年12月，法国Malpassat坝的失事，1960年10月意大利
5、设计精巧的Vajont坝的滑坡造成的水库失效等大型工程事故的惨痛教训，人们开始重视对岩体中裂隙节理基本性质，力学特征的研究。事实上，岩体与岩石不同，其中存在大量的节理、裂隙、层面等不连续面(或称结构面)。岩体在这些不连续结构面的切割下，形成一定的岩体结构，并赋存于一定的地质环境中的地质体。奥地利J.Stini一再强调：应该对岩体结构面，如节理、裂隙、断层进行观测和考察，研究它们的作用及其对岩石力学性质的影响。60年代，谷振德、孙玉科提出了“岩体力学”概念和岩体结构控制岩体稳定性的重要观点。1974年意大利L.Broili曾提出了五条岩体力学性质定理，强调岩体力学性质的影响大于岩石力学性质的影响
6、，岩体强度和变形取决于岩体结构面的特征。在大量试验和实践的基础上，20世纪70年代末和80年代初，孙广忠等明确提出“岩体结构控制论”，奠定岩体力学的基本理论，推动了岩体力学进入岩体结构力学的研究阶段。结构面和结构体是岩体结构的两个基本单元，是岩体力学规律形成的基础，它们相互排列组合，形成了各种各样的岩体结构，控制了岩体的变形和破坏。岩体结构是沉积建造和构造改造作用的结果，其形成和演化的实质就是在沉积作用和构造作用的双重控制下，岩体内外物质和能量的交换过程。在岩体结构内，各组成要素表现为多层次性、非线性和不确定性等。谷振德(1979)，孙广忠(1988，1993)，陈昌彦(1997)等提出了不同
7、级别的结构面对岩体结构效应的贡献是不同的。为此按结构面的自然规模将其分为五级，一般认为I、II和III级结构面为不同规模的断层和断裂带，IV、V结构面多为随机分布的节理裂隙。当前随着新科学、新技术和新方法的不断引入，取得了很大发展。Pinnaduwa.H.S.Kulatilake(1997)提出了盒分维值在节理化岩体统计均质分区中的应用。王金安，谢和平(1997)研究了剪切过程中岩石节理粗糙度分形及力学特征；在岩体力学计算中，除了将结构面单独处理外，采用降低弹模的方法，建立节理岩体等效本构关系进行模拟，均取得良好效果。谭学术(1994)探讨层状复合岩体的宏观强度及其当量物理学性质，对不同岩石组
8、成的层状岩体，在假设层面均质条件下，给出了三维应力理论强度条件表达式。何满朝(1993)对含结构面的岩体进行连续性概化，提出了连续性模型和连续微元尺寸条件，不同尺寸和不同岩体结构面的工程岩体，其连续微元尺寸有所不同，从而为结构面的处理提供了理论依据。但是目前对岩体结构面的几何形态和力学性质的描述依然十分粗糙，特别是环境因素对它们的影响上缺乏可靠依据，对沉积岩体结构特性认识不够深入。岩体力学至今强调的是连续介质理论，虽然考虑了材料非线性问题，但从几何场理论的角度来看，它仍然是小变形近似理论，因此，从原始沉积入手，研究岩体的岩性结构和环境因素及其对力学性质的影响，建立可靠的岩体结构地质力学模型和本
9、构关系，是工程岩体力学研究的重要内容。1.2.2岩体渗流力学发展及现状自1856年达西提出著名达西定律以来，连续介质渗流研究己日趋完善。从上世纪五十年代后，国内外许多学者对裂隙岩体的渗流进行了许多理论探索和实验研究。Barenblett(1960)，Streltsora(1975)，Iwai(1976)，Snow(1965，1984，1985)等学者把裂隙介质视为连续介质，提出了有关裂隙渗流的立方定律，并导出了裂隙岩体的渗透张量。wilson和witherspoon(1970)，Maina(1972)分析比较了视为连续介质与不连续介质的结果，提出最大裂隙间距与最小边界尺寸之比分别大于l/50或
10、l/20时，应按不连续介质考虑。Barenblett(1960)提出双重介质模型，将裂隙岩体视为两个连续介质组成，即孔隙介质储水，裂隙介质导水，分别建立孔隙、裂隙介质渗流模型，用孔隙和裂隙间的水量交换来组建藕合方程。warren和Root(1963)提出了类似的模型，他们认为，岩体裂隙具有均质正交的裂隙系统，裂隙相互连通，每一方位裂隙平行一个渗透主轴，垂直于每一主轴的裂隙等距分布，裂隙隙宽和间距恒定；每一岩块裂隙系统均具有均质各向同性的渗流特性，孔隙、裂隙之间存在水量交换。Trelesova (1976)提出类似双重介质渗流模型，认为岩体由裂隙和岩块组成，岩块在水平方向无限延伸，岩块厚度和裂隙
11、宽度不变，且岩块厚度远大于裂隙宽度，裂隙中的水流是水平流，岩块中的水流是垂直流。Wittke(1986)不考虑岩块的渗流，以真实裂隙网络辗布为基础，运用线单元建立了裂隙网络水流的线素模型，并发展为裂隙岩体渗流的裂隙网络模型。Cvarlienko(1998)等提出考虑岩体微观到宏观裂隙渗流的双重标准化法。Wei (1999)等提出了岩体水力学化学特性的离散一连续介质耦合模型。在我国，自80年代以后，许多学者对裂隙岩体渗流进行了深入研究。田开铭(1986)在室内进行了不等宽交叉裂隙的水力学实验，得出了交叉裂隙具有偏流效应，后发展为偏流理论。田开铭，万力(1989)对裂隙岩体渗流做了许多工作，发表了
12、各向异性裂隙介质渗透性的研究与评价。张有天(1997)对裂隙水的运动和求解方法提出了独到的见解。陈钟祥(1980)针对圆形均质地层中有一口圆心井的典型情况，通过一类新的特殊函数获得了双重孔隙介质渗流方程的精确解。朱学愚，谢春红(1990)提出了一种计算裂隙渗流的多孔介质模型和有限元法，这种理论和方法的最大优点是在于可以把局部坐标系下的各向异性导水系数转化为全局坐标系下的各向异性导水系数，从而简化了计算。王泳嘉(1991，1999)提出了用离散单元法求解裂隙岩体渗流的基本思路。周志芳等(1993，1997)应用有限元分析法反演了裂隙岩体的渗透系数张量，并提出了裂隙岩体渗流分析的混合网络有限元法，
13、以反映各级裂隙对渗流的影响。万力等(1993)提出三维裂隙网络的多边形单元渗流模型。莫海鸿等(1997)提出了裂隙介质网络水流的拓扑模型。王洪涛等(1997，1998)提出了三维随机裂隙网络非稳定流模型。肖裕行等(1997，1999)对裂隙岩体水力等效连续介质中的物理量进行了讨论。周创兵等(1997)对岩体裂隙面形态与水力特性的关系进行了研究；还对岩体节理非饱和渗流特性、节理张开度概率模型与随机模拟进行了研究。郑少河，赵阳升(1999)进行了气一固二相流体裂缝渗流规律的模拟实验研究。李定方(1999)采用流体力学方法研究了粗糙裂隙和充填裂隙的水流特性，分析了充填裂隙接触面积对流态的影响。张有天
14、，周维恒(1999)就渗流对裂隙岩质边坡的影响进行了研究。杜广林等(2000)提出裂隙介质中的多重裂隙网络渗流模型。王媛，速宝玉(2002)对单裂隙面渗流特性及等效水力宽度进行了研究。国内外还有许多其他学者在裂隙岩体渗流方面做了大量的研究工作。1.2.3岩溶陷落柱研究现状二十世纪五十年代以来，人们对岩溶陷落柱的成因、形态、分布及探查手段做了大量的研究工作。导水型陷落柱危害巨大，对它的预测是煤矿开采过程中必须首先解决的重大问题。但多年以来，人们对陷落柱的研究一直很不充分，虽然有许多有关陷落柱的文章发表，但作者多是从事煤矿井下工作的地质人员。人们对陷落柱在成因、分布、空间形状、物质组成等方面进行了
15、的论述，对因它而形成的地质灾害预防及补救等方面也有述及。但由于陷落柱发生的随机性和隐伏性，上述方面对陷落柱的预测均起不到关键作用。目前，已有的文献资料表明，对陷落柱的探测及预测一般采取的方法，主要集中在两方面：一方面，开展常规勘探，如：钻探、无线电波透视法探测、直流电法勘探等，都不能很好地对陷落柱的位置和形态进行探测。多年来，对陷落柱进行物探方法研究的报道多属单个物探分支单位，多具有片面性。中国矿业大学对直流电法探测陷落柱进行了研究，以数值模拟，水槽物理模拟等为手段，取得了一些重要成果。另外，采用地震波方法探测陷落柱进行了一定的研究，具有一定的指导意义。有些单位及研究人员也进行了物探方法探测陷
16、落柱的研究，如张献民等进行了高密度电法探陷落柱的有限元数值模拟及实际探测，得出了一些有益结论。杨德义等人认为，绕射波是地震探测陷落柱的标志，并提出了“延迟绕射波”的概念。人们对野外施工方法、资料处理等方面尚无岩溶陷落柱岩体结构力学特征及其突水风险预测的研究一以刘桥矿为例新的见解，仅对陷落柱发育位置作出定性评价，由于技术自身及岩溶陷落柱的复杂性等因素，往往容易造成误判或漏判。另一方面，从陷落柱的发育规律、成因机理、导突水、柱体及围岩岩体结构特征等方面开展研究。项远法(1993)通过对岩溶陷落柱突水事例和实验室的模拟试验，证实岩溶陷落柱围岩破碎，应力大大降低，是导致陷落柱突水的必要条件。胡宝林(1997)根据层状沉积岩层的断裂力学机理和洞穴的再发育过程，提出了煤系地层陷落柱多期活动模式。吴基文(1998)认为，构造作用控制着陷落柱的形成。杨为民(2001)提出泥石浆型堆积是煤层段岩溶陷落柱主要充填物，并指出柱边贯通性节理在高水头作用下成为最优通道。岩溶陷落柱安润莲(2002)从多个角度阐述了陷落柱的
