1、浅析底板突水机理及防治摘要: 煤层底板突水是煤矿五大动力灾害之一, 在煤炭开采过程中，由于煤层的开挖和底板的变形、破坏，在底板中形成导水裂 隙带。当裂隙带发展到含水层时，在煤层底板中出现一条或多条导水通道，含水层中 的水将沿着裂隙带涌向采空区，发生突水灾害。随着开采深度和强度的增加，煤炭开 采环境日趋复杂，水害问题将更加突出。深入揭示突水机理，开发裂隙演化的连续探 测技术，以预防和治理突水，对于煤矿安全生产具有积极的意义。关键词: 突水机理 应力分布 采空尺寸 突水防治0引言我国煤田地质条件十分复杂，受水威胁 的煤炭储量占探明储量的 27%1，受底板岩溶水威胁的矿井高达 222 处，核定生产能
2、 力为 11.28 Mt/a，占统配煤矿矿井总数的 48%以上，其中受水威胁较严重的矿井有 171 处，受水威胁的储量为 6660Mt，占统配煤矿总储量的 18%，有 51 对矿井随时都有突 水的可能2。对于象徐州、淮南、枣庄、峰峰等这样的老矿区，随着煤矿开采深度的 增大，综合机械化采煤、放顶煤技术的普遍应用，水害对综合工作面生产的影响日益 突出3-6。 根据矿井突水水源划分，我国煤矿水害事故分为地表水体水害事故、冲积层水水 害事故、砂岩类含水层水害事故、灰岩类岩溶水水害事故，分别占我国煤矿突水事故 典型案例的 4.9%、1.4%、1.4%、92.3%。可见，防治灰岩岩溶类突水是矿井水害工作
3、的重点3。据不完全统计，自 1956 年到 1994 年内，中国北方煤矿开采山西组与太原 组煤层时，来自煤系夹层灰岩和基底中奥陶统灰岩岩溶水的底板突水 1300 次，其中淹井 200 余次，造成的经济损失数十亿元，因水害造成的人员伤亡达数千人7-11。例 如 1984 年 6 月开滦范各庄矿一次突水，突水量达 2053m3/min，造成淹井，直接经济 损失 5 亿元以上。目前，北方主要矿区受岩溶水威胁的煤炭储量占 15 多亿吨。如何 将这些煤炭从承压水上解放出来，实现安全高效的煤矿生产，及时而准确地预测、预 防矿井突水问题是函待解决的课题。 据初步统计，自建国以来，我国已有十几个省五十多个煤矿
4、采用近十种方法，对 不同地质采矿条件下的薄、中厚、厚煤层分层开采的一百多个工作面的覆岩破坏状况 进行过现场探测，得出了近水平至倾斜煤层开采后覆岩裂隙呈“马鞍型”的规律，“建 筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程”中归结了各类条件下算导 水裂隙带高度公式。1 国内外研究现状11底板突水机理及防治现状1.1.1国外研究：20世纪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概念。他指出，底板突水不仅与隔水层厚度有关，而且还与水压力有关。突水条件受相对隔水层厚度制约。相对隔水层厚度等于隔水层厚度与水压力值之比。同时提出，在相对隔水层厚度大于1.5m/atm的情况下，开采过程
5、中基本不突水，而8088的突水都是相对隔水层厚度小于此值。由此，许多承压水上采煤的国家都引用了相对隔水层厚度大于2m/atm引起煤层底板突水的概念。在这期间前苏联学者 B.斯列萨列夫将煤层底板视作两 端固定的受均布载荷作用的梁，结合强度理论，推导出底板理论安全水压值 H 的计 算公式 H = 2K pt2 / L2 + t /106 式中 H 为底板所能承受的理论安全水压值，MPa；Kp为隔水层的抗拉强度，MPa； t 隔水层厚度，m；L 为工件面最大控顶距或巷道宽度，m； 为底板隔水层平均重力 密度，N/m3。当实际水压H实 H 时，底板隔水层就会产生失稳破坏，从而导致底板突水。20 世纪
6、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，并对不同矿井条件作了规定和说明。前苏联和南斯拉 夫等国的学者也开始研究相对隔水层的作用，包括采空区引起的应力变化对相对隔水 层厚度的影响，以及水流和岩石结构关系等。 20 世纪 70 年代至 80 年代末期，很多国家的岩石力学工作者在研究矿柱的稳定 性时，研究了底板的突水机理。其中，最有代表性的是 C.F.Santos，Z.T.Bieniawski.， 他们基于改进的 Hoek-Brown 岩体强度准则，并引入了临界能量释放的概念分析了底 板的承载能力。1.1.2国内研究现状：我国对底板突水规律的研
7、究始于 20 世纪 60 年代，借助于匈牙利的研究经验，提 出了突水系数概念。70 年代后期，修改了原来的突水系数公式，并应用于实践。80 年代开始，底板突水机理及预测预报的研究开始走上了蓬勃发展的道路，煤矿科研人 员相继提出了突水系数公式、下三带理论、原位张裂与零位破坏理论、薄板模型关键 层理论、突水概率指数法、模糊数学法、专家系统方法等。 1) 突水系数法 早在 60 年代，焦作矿区水文地质大会战中，以煤科总院西安勘探分院为代表， 提出了用“突水系数”作为预测预报底板突水与否的标准，并且取得了峰峰、焦作、淄 博、井隆四大矿区的临界突水系数经验数据。突水系数就是单位隔水层所能承受的极 限水压
8、值，即 TS=P/M 其中 TS突水系数；P 含水层水压，MPa；M 为隔水层厚度，m。 进入 70 年代，借鉴匈牙利的防治水经验，通过统计、整理和分析大量的水资 料，得出了考虑矿压对底板破坏因素的新的突水系数经验公式。新的经验公式在安全、 经济开采以及分析突水水量和突水次数方面发挥过重要的作用，并以安全水头的形式 写入原煤炭部 1986 年制定的煤矿防治水工作条例(试行)中。突水系数经过两次 修改后改为：TS = P /( Miai Cp) 式中 Mi 为隔水层第 i 分层厚度，m； ai隔水层第 i 分层等效厚度的换算系数；CP 为矿压对底板的破坏深度，m。在引入“下三带”理论后，突水系数
9、是指每米有效隔水层厚度所承受的水压值。可 由下式进行计算26： TS = P /(M M1 M2) 其中，M 为底板隔水层实际厚度，M1为开采后底板破坏带厚度；M2为奥灰顶界面原 始导水带厚度。 然而，在实际应用中发现突水系数公式存在着一些难以克服的固有缺陷，尤其随 着采煤深度的进一步加大，这种矛盾更加明显地暴露出来。这主要是因为突水的发生 与否与隔水层的阻水性能、采掘活动和矿山压力、含水层的富水性、地质构造、原始 地应力及水动力学特征等 10 多种因素有关，而突水系数公式中所包含的信息与 采煤实践中所能够揭露的信息差距较大。 2）“下三带”理论及“四带”理论 “下三带”理论最早由原山东矿业学
10、院、峰峰矿务局等一批科技人员在实践中提 出的。该理论认为开采煤层底板也像上覆岩层一样从煤层底面到含水层顶面可分为三带：底板导水破坏带 h1、完整岩层带(或保护层带)h2、承压水导升带 h3。图1 “下三带”示意图在导水破坏带岩层中一般分布三种裂隙；a. 竖向张裂隙、b. 层向裂隙、 c. 剪 切裂隙。三种裂隙相互穿插无明显分界，当它们与含水层(或承压水导升带或导水断 层)沟通则可发生底板突水。底板破坏深度的大小在理论上与多种因素有关，如：开 采工作面尺寸、开采方法、煤层厚度及倾角、开采深度、顶底板岩性及结构等，但关 系最密切的是工作面尺寸。 “下三带”理论比较符合煤层底板破坏、突水规律，在生产
11、实践中得到了较为广 泛的应用，但理论研究尚有待于深入。施龙青指出，阻碍这一理论发展和广泛 应用的主要原因有两点：一是基于弹性力学理论推导出底板破坏带的理论计算公式， 而弹性力学是建立在一些基本假定基础上的，所有这些假定是不适合岩体的力学特征 的；二是“下三带”理论没有考虑承压水对底板岩层的破坏作用。他从现代损伤力学 及断裂力学理论出发，提出了开采煤层底板的“四带”划分理论。即开采煤层底板可以 划分出：h1矿压破坏带、h2新增损伤带、h3原始损伤带、h4原始导高带。推导出开采 煤层底板“四带”理论中各带厚度的计算公式，给出了底板突水判别方法。结合肥城煤 田开采煤层底板探测实例，说明开采煤层底板“
12、四带”存在的客观性。图2 采场底板“四带”模型 3）原位张裂与零位破坏理论 王作宇，刘鸿泉提出的“原位张裂与零位破坏”理论认为，被开采的煤层在矿 压与水压两场的联合作用下，工作面相对于底板的影响范围在水平方向上分为三段:： 超前压力压缩段（段）、卸压膨胀段（段）和采后压力压缩一稳定段（段）。在 垂直方向上同样分为三带直接破坏带（带）、影响带（带）、微小变化带（带）。 在水平挤压力及矿压与水压的作用下，使段内整体上半部分受水平挤压，下半部分 受水平拉张，岩体呈整体上凹的性状。在段中部附近中和层下面产生张裂隙，并沿 着原岩节理、裂隙发展扩大，但不发生岩体之间较大的相对位移，仅在原位形成张裂 隙。若
13、底板受较大水压的作用，克服结构岩体的结构面阻力，产生超前渗流破坏，使 张裂隙进一步扩大。同一岩性的张裂度大小与底板承压水的水压力、渗透力、采动应 力场作用强度密切相关。张裂隙发生在底板岩体的带范围内，形成煤层开采底板岩 体的原位张裂破坏，张裂破坏产生后随着工作面推进逐渐向上发展，在接近段处于 稳定。底板岩体由段向段的过渡引起其结构状态的质变，处于压缩的岩体急剧卸 压，围岩的贮存能大于岩体本身的保留能，则以开裂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，从而引起岩体发生自上而下的破裂，其破坏位置一般发 生在工作面附近，靠近工作面零位的+35 m 范围内，破坏基本上一次性达到最大深
14、度，并很快稳定。煤层底板岩体移动的这种破坏即所谓的“零位破坏”。该理论认为， 底板岩体的内摩擦角是影响零位破坏的基本因素，并进一步引用塑性滑移线场理论分 析了采动底板的最大破坏深度。 杨映涛采用 1：100 的平面应力模型，利用物理模拟技术研究煤层底板的突水 机理，表明完整底板破坏突水是沿“零位破坏”线发生的。但“原位张裂与零位破坏理 论”仅仅从矿山压力及水压力角度，解释了煤层开采过程中的底板破坏过程，并没有 从本质上简明地说明突水发生的机理，现场人员较少应用。4）板模型理论 刘天泉、张金才等提出了底板岩层由采动导水裂隙带和底板隔水带组成的概念， 并采用半无限体上一定长度上受均匀竖向载荷的弹性
15、解，结合 Coulomb-Mohr 强度理 论和 Grifith 强度理论分别求得了底板受采动影响的最大破坏深度。采用薄板理论结 合弹塑性理论得到了以底板岩层抗剪强度准则及抗披。拉强度为强度基准的来预测底 板所能承受的极限水压力的计算公式。但煤层底板很难满足薄板理论的基本条件（厚 宽比小于 1/5-1/7）。由于厚板理论尚不成熟，所以计算时可以选择其中较薄的一层进 行分析，应用薄板理论可以得出足够满足精度的解。5）关键层理论 钱鸣高，黎良杰等将采场顶板覆岩关键层理论引入到底板突水研究中，从而认为关键层是控制突水的主要因素。将煤层底板至含水层之间承载能力最大的一层岩层看 作底板关键层，从而将采场
16、底板突水的研究转化为对底板关键层破断机制的研究。将 关键层看作受水压等均布载荷作用的弹性薄板，得出了它的极限破断跨距公式。并提 出了利用已知突水事故资料反演预测岩体强度的方法，分析了底板关键层破断后的块 体平衡条件，解释了突水点的分布特点与突水时产生的底鼓现象。 尽管底板关键层的力学特征与顶板关键层具有相同的意义，但底板突水与否不是 由所谓的关键层所控制，恰恰相反是由一些承载能力不很强、但阻水性能很好的岩层 所控制，而关键层往往因裂隙闭合度差而成为导水层。因此，该理论模型与实际地质 环境相关甚远。6）非线性动力学理论 矿井煤层底板突水系统是人类和环境组成的复杂开放系统，呈现出非平衡开放系 统的特征，也就是为一非线性系统。煤层底板隔水岩层的变形破坏、失稳，也就是形
