关键层突变破断的冲击能诱发离层突水机理研究

覆岩的离层突水水害逐渐成为了一种主要水害,使得离层突水机理研究成为了亟需解决的难题,为了弄清离层突水过程,研究离层突水机理这一关键问题,以突变理论、结构力学及材料力学等理论为基础,通过覆岩离层中的关键层的受力分析,建立了离层关键层的力学模型;以能量分析为出发点,求得了离层关键层的总势能函数表达式;以力学平衡为前提,构建了用能量来表达的离层关键层发生破断的尖点突变模型,并计算了离层关键层破断后释放的冲击能;从能量守恒及离层下伏软岩隔水层的力学性质分析出发,提出了软弱隔水层吸收关键层破断释放的冲击能后,发生"压裂"和"劈裂"2种离层水突涌模式,并预测了工作面发生离层突水的位置。最后,以郭家河煤矿特厚煤层3煤的离层突水为例,在充分分析地质条件及水文地质条件的基础上,凭借现场实测、室内试验、理论分析等多种手段,对文中提出的离层突水机理进行了应用。研究结果表明:离层关键层的突然破断是一种能量跃迁方式,可用尖点突变模型来解释;提出的导水裂隙带范围内"压裂"和"劈裂"2种突水模式能预测离层突水位置;离层突水预测位置与实际发生的离层突水位置基本一致。