D01:10.13374j.isml00103x2006.09.003 第28卷第9期 北京科技大学学报 Vol.28 Na 9 2006年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sep.2006 陷落柱概化模式及突水力学判据 尹尚先)武强2) 1)华北科技学院安全工程中心，北京1016012)中国矿业大学资源与安全工程学院.北京100083 摘要按照与采面或者巷道的位置关系，将陷落柱突水模式分为项底部突水模式和侧壁突水模 式2种模式以及薄板理论子模式，剪切破坏理论子模式，厚壁筒突水子模式和压裂突水子模式等 4种子模式.薄板理论子模式适用于筒盖关键层完整且厚度较小的情况突水判据为极限弯矩；剪 切破坏理论子模式应用条件为筒盖关键层厚度较大，突水判据为二次抛物线方程；厚壁圆筒破坏 的弹性极限压力因屈服经验准则不同而有所差异但均与岩层强度成正比：压裂突水子模式描述 的是地下水通过压裂与其他固有构造导通而发生突水，临界破裂压力可以借鉴水压裂的计算公 式。由突水案例的分析计算表明，突水模式及突水判据简单易行，切合实际，且有足够的准确性 关键词采矿工程：陷落柱：突水模式：薄板理论，厚壁筒；剪切破坏；水压裂理论判据 分类号P6422:TF745.21 表1岩溶陷落柱突水统计表 1 问题的提出 Table I Statistics of water inrushes from paleo-sinkholes in China 岩溶陷落柱是华北型石炭二迭纪煤田的一种 最大突水量/ 损失程度 发生地点 突水时间 特殊岩溶塌陷，广泛分布在我国华北山西高原、太 (m3-min-1) (经济损失) 行山、吕梁山以及晋陕蒙、冀、鲁、豫、苏、皖等地近 开滦范各庄 2053 19840602 淹4井 20个煤田45个煤矿区刂，其中尤以山西太原西 邢台东庞矿 1167 2003-04-12 淹并(3亿元) 山及汾河沿岸、太行山中段煤田更为普遍.岩溶 皖北任楼矿 576 19960304淹井(35亿元) 陷落柱属于隐伏垂向构造，其导致的突水具有隐 肥城国家庄 550 19930105 淹井 蔽性、突发性且导通丰富岩溶地下水等特点，对煤 徐州张集矿 402 199702-18 淹井 矿安全生产、环境及当地人民生活危害极大，据 焦作李封矿 120 1967-03-29 淹井 统计（表1），解放后由岩溶陷落柱引起的矿井突 辉县吴村矿 40 1999-11-25 淹采区 水重大事故8起均造成巨大经济损失和不良后 安阳铜治矿 23 196508-25 淹井 果，尤其是开滦范各庄矿发生的岩溶陷落柱透水 灾害为世界采矿史上罕见.随着开采深度和强 的研究则很少，且理论基础是梁、薄板理论或者非 度的增加，开采环境日趋复杂，水压、地应力和瓦 连续块体理论5-).尽管有关岩溶陷落柱的研究 斯不断增大，陷落柱导致的水害问题更加突出（从 较多，适合于其特殊性的突水模式及力学模型尚 表1可以看出，1995年之后包括2003年东庞矿 未建立.本文在陷落柱突水研究的基础上-？，总 突水，陷落柱突水发生频率及强度均有所加大， 结划分了陷落柱突水模式，建立了相应的力学模 其防治水的任务将更加紧迫、艰巨， 型，并运用适当的力学方法推导了相应的突水理 目前的研究将突水基本上归结为构造突水和 论判据，为突水的预测预报奠定了基础 完整岩层突水2种模式)，构造突水则主要集中 在断层（带）突水的研究上9，对陷落柱突水模式 2陷落柱突水模式 收稿日期：2005-10-12修回日期：200605-18 陷落柱的形态大致分为横截面为圆、椭圆、矩 基金项目：教有部新世纪优秀人才支持计划资助项目(No.NCET 形或不规则椭圆形的柱体或截锥体.按照陷落柱 一040254)，国家科学基金委员会战略研究项目，高等学校科技 与采面或者巷道的位置关系，当陷落柱不穿过采 创新工程重大项目培育资金项目(Na200+295)和广东省自然 科学基金资助项目(No.04300109) 面或者巷道时（图1和图2），其突水部位为陷落 作者简介：尹尚先(1964一).男，教授，博士 柱顶部或底部，称之为顶底部突水模式：当陷落柱陷落柱概化模式及突水力学判据 尹尚先1) 武 强2) 1)华北科技学院安全工程中心, 北京 101601 2)中国矿业大学资源与安全工程学院, 北京 100083 摘 要 按照与采面或者巷道的位置关系, 将陷落柱突水模式分为顶底部突水模式和侧壁突水模 式 2 种模式, 以及薄板理论子模式、剪切破坏理论子模式、厚壁筒突水子模式和压裂突水子模式等 4 种子模式.薄板理论子模式适用于筒盖关键层完整且厚度较小的情况, 突水判据为极限弯矩;剪 切破坏理论子模式应用条件为筒盖关键层厚度较大, 突水判据为二次抛物线方程;厚壁圆筒破坏 的弹性极限压力因屈服经验准则不同而有所差异, 但均与岩层强度成正比;压裂突水子模式描述 的是地下水通过压裂与其他固有构造导通而发生突水, 临界破裂压力可以借鉴水压裂的计算公 式.由突水案例的分析计算表明, 突水模式及突水判据简单易行, 切合实际, 且有足够的准确性. 关键词 采矿工程;陷落柱;突水模式;薄板理论;厚壁筒;剪切破坏 ;水压裂;理论判据 分类号 P642.2 ;TF 745 +.21 收稿日期:2005 10 12 修回日期:2006 05 18 基金项目:教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目(No .NCET -04-0254), 国家科学基金委员会战略研究项目, 高等学校科技 创新工程重大项目培育资金项目(No.2004-295)和广东省自然 科学基金资助项目(No .04300109) 作者简介:尹尚先(1964—), 男, 教授, 博士 1 问题的提出 岩溶陷落柱是华北型石炭二迭纪煤田的一种 特殊岩溶塌陷, 广泛分布在我国华北山西高原 、太 行山 、吕梁山以及晋陕蒙 、冀、鲁、豫 、苏 、皖等地近 20 个煤田 45 个煤矿区 [ 1] , 其中尤以山西太原西 山及汾河沿岸、太行山中段煤田更为普遍.岩溶 陷落柱属于隐伏垂向构造 ,其导致的突水具有隐 蔽性 、突发性且导通丰富岩溶地下水等特点, 对煤 矿安全生产、环境及当地人民生活危害极大 .据 统计(表 1), 解放后由岩溶陷落柱引起的矿井突 水重大事故 8 起, 均造成巨大经济损失和不良后 果,尤其是开滦范各庄矿发生的岩溶陷落柱透水 灾害为世界采矿史上罕见[ 2] .随着开采深度和强 度的增加, 开采环境日趋复杂 ,水压、地应力和瓦 斯不断增大,陷落柱导致的水害问题更加突出(从 表 1 可以看出 , 1995 年之后包括 2003 年东庞矿 突水, 陷落柱突水发生频率及强度均有所加大), 其防治水的任务将更加紧迫、艰巨 . 目前的研究将突水基本上归结为构造突水和 完整岩层突水 2 种模式 [ 3] ,构造突水则主要集中 在断层(带)突水的研究上[ 4] ,对陷落柱突水模式 表 1 岩溶陷落柱突水统计表 Table 1 Statistics of water inrushes from paleo-sinkholes in China 发生地点 最大突水量/ (m 3·min -1) 突水时间 损失程度 (经济损失) 开滦范各庄 2 053 1984 06 02 淹4井 邢台东庞矿 1 167 2003 04 12 淹井(3 亿元) 皖北任楼矿 576 1996 03 04 淹井(3.5 亿元) 肥城国家庄 550 1993 01 05 淹井 徐州张集矿 402 1997 02 18 淹井 焦作李封矿 120 1967 03 29 淹井 辉县吴村矿 40 1999 11 25 淹采区 安阳铜冶矿 23 1965 08 25 淹井 的研究则很少 ,且理论基础是梁、薄板理论或者非 连续块体理论[ 5 7] .尽管有关岩溶陷落柱的研究 较多, 适合于其特殊性的突水模式及力学模型尚 未建立.本文在陷落柱突水研究的基础上[ 1 7] ,总 结划分了陷落柱突水模式 ,建立了相应的力学模 型,并运用适当的力学方法推导了相应的突水理 论判据,为突水的预测预报奠定了基础 . 2 陷落柱突水模式 陷落柱的形态大致分为横截面为圆 、椭圆、矩 形或不规则椭圆形的柱体或截锥体 .按照陷落柱 与采面或者巷道的位置关系, 当陷落柱不穿过采 面或者巷道时(图 1 和图 2), 其突水部位为陷落 柱顶部或底部 ,称之为顶底部突水模式 ;当陷落柱 第 28 卷 第 9 期 2006 年 9 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .28 No.9 Sep.2006 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2006.09.003