1、承压水上开采现状与数理分析摘要：煤层底板突水是煤层下伏承压水冲破底板隔水层的阻隔，以突水、缓发或滞发的形式进入工作面，造成矿井涌水量增加或淹井的自然灾害， 为矿井生产的五大灾害之一。底板突水过程实际上是水压驱动下岩层裂纹萌生、扩展、贯通，直到最后断裂导致失稳破裂的过程。采用断裂力学、突变理论和蠕变理论等解析方法， 不能直观地认识底板破坏失稳及其水力传递的全过程；数值模拟方法具有良好的应用前景。采用研究承压水上采煤底板各含水层水压分布随采动的变化规律，即在多数情况下，距煤层底板20 m 以上的小含水层在无构造带存在情况下，开采对其影响不大，但在构造带存在的情况下，可能引起构造带活化，与底部高承压
2、含水层沟通，发生突水事故，其安全的开采区视具体情况而定。通过对先用条带法进行数值分析，分析当前条带开采的优劣。关键词：承压水、采煤、底板突水、构造、数值模拟1 绪论1.1 问题的提出我国是一个产煤大国，煤炭是我国的主要能源，储量十分丰富。研究报告指出，直到2030年，煤炭在我国能源消费比重仍将占到70%左右，在相当长的时间内中国以煤为主的能源结构很难改变。为了保证国民经济的持续健康发展，仍需要有计划的大规模的开采煤炭资源。尽管目前我国的煤炭产量相当可观，但开采的效率低、采出率低、安全事故也经常发生；特别是一些难采煤层，这些情况更为突出。所谓难采煤层，现在基本上有两种类型：一是在当前开采技术条件
3、下，实现正常安全生产有一定难度的煤层，需要一些特殊的、附加的技术安全措施方能顺利开采；二是由于地质构造条件复杂，赋存条件差，难以实现机械化开采的煤层。承压水上煤层属于第一类，该煤层主要地质特征是底板有承压水，在开采过程中有突水危险。在我国煤矿煤系地层中，具有突水危险的矿井分布十分广泛，水害事故一直制约煤炭工业的发展因此, 开展煤层底板突水评价研究有着重要的意义, 也是我国煤矿开采面临的一大难题。我国是世界上煤矿水害最为严重的国家之一，矿井煤层底板突水给煤矿生产带来了严重危害。据不完全统计，建国以来，全国共发生煤层底板突水160多次，淹井228 起，死亡1330 余人，造成近100 亿t 的煤炭
4、资源无法开采，迫使许多煤矿产量下降或提前关闭。我国主要煤炭生产基地上组煤储量十分有限，急待解放占煤炭储量50% 以上的下组煤以满足目前上下组煤合理配采和未来全面开发的需要。由于下组煤受灰岩( 奥陶系灰岩和太原群薄层灰岩) 岩溶水威胁，防治水工作技术难度较大，为了查清矿井水文地质条件投入了大量的勘探资金。但是，由于现有勘探技术、装备和方法上存在的局限性，矿井水害事故的发生仍然在所难免。煤矿工作面突水早以被列为煤矿生产中经常遇到的“五大”灾害之一，由于影响矿井突水的因素很多，故对突水进行准确预测在目前仍是一个难题，因此对矿井生产中工作面突水机理进行准确的研究，提前对有可能存在的突水进行预防是一个亟
5、待需要解决的问题。目前有许多专家学者已经在工作面突水机理方面做了大量的研究工作，积累了比较丰富的经验，形成了较为系统的理论知识结构。开采过程中的突水理论在我国的研究已经达到了一定的水平，但是对有些突水因素还研究不足，如在高承压水作用下的工作面突水。本论文是假设条件下突水理论、突水预测预报等基础上进行工作面突水机理研究。1.2 研究意义水害与地震、泥石流、滑坡等自然灾害一样，是可以预报的，水害发生的可预报性，是水害防治工作中首先需要解决的问题。尽管在目前情况下，预防水害的方法已有多极化的趋势，但我们始终应该遵循防治水工作的一般性原则；以防为主、防治结合。由于受煤矿投资和经济效益的限制，实施大规模
6、的水害治理工程是不现实的，而只能对影响安全生产的块段有针对性地加以治理，这更加显示出突水预报在水害防治工作中的地位和作用：对于经过预测无大的突水危险性的地区（或地段），无需采取治理手段即可安全开采；而对于预测具有突水可能性的地区(或地段)则应采取预防措施(如从采煤方法上考虑、疏水降压、煤堪底板加固等)对潜在的危险加以治理，保证水患压煤的正常开采，这一问题是带(水)压开采的重大课题。因此煤层底板突水预报是进行水患诊断的重要手段和前瞻性任务。回采工作面煤层底板突水(简称煤层底板突水)作为煤矿主要的水文地质工程地质问题, 影响着煤矿的正常生产, 轻则淹没巷道、采区, 重则造成淹井人亡的恶性事故, 是
7、矿井基建、生产过程中所遇到的主要灾害之一。占全国煤炭产量60% 以上的华北型煤田, 在我国能源工业中起着举足轻重的作用。然而该区80% 的生产矿井不同程度地遭受灰岩岩溶水,特别是奥灰岩溶水的严重威胁。因此煤层底板突水预测始终是水害防治工作的中心环节和首要任务。煤层底板突水的发生取决于一定的水文地质背景, 受到大量非确定性的随机因素的干扰, 各种定量的因素组合只能以一定的概率指示突水的发生, 这种多因素组合的特点及其相关性正是煤层底板突水问题的普遍规律。以往的单因素预测方法(如突水系数法)由于考虑的因素较为单一, 将复杂的煤层底板突水问题简单化, 因而逐渐失去了对生产的普遍指导意义。同时由于煤炭
8、开采的纵深化, 开采技术条件较60、70 年代更为复杂多变, 特别在一些岩溶大水矿区。因此对突水预报模型提出了更高的要求, 这势必将涉及完整准确的水文地质概念模型, 切合实际的采煤要素概念模型等等。面对因素复杂、量纲不一, 定性、定量同时并举的多层次底板突水概念模型, 就需要应用相关的理论和方法解决这一问题。煤层底板隔水岩层由砂岩、泥岩、煤层、灰岩等复合组成, 其中可能的缺陷类型多, 就煤层底板突水而言, 最重要的缺陷是与煤层底板含水层地下水贯通的充水裂隙的存在。由于应力的加大或煤层底板地下水压力作用, 或是两者兼而有之, 充水裂隙具有较大的扩张力。当阻止充水裂隙扩张的岩壁变得薄弱时, 岩壁发
9、生变形、裂隙增长乃至溃破导致煤层底板突水, 所以,在煤层采动过程中, 虽然岩层结构被扰动, 应力分布被调整, 但对煤层底板突水而言, 关键是隔水岩层是否在某个局部变得薄弱。所谓薄弱可以是有效隔水层厚度变薄, 也可以是应力奇异集中。总之, 煤层底板突水有两个必要条件, 一是充水裂隙的存在, 二是充水裂隙岩壁被弱化, 在应力作用下使裂隙发展沟通采面。上述观点似乎是显而易见的, 但长期以来在煤层底板突水研究方面存在一种倾向, 往往将煤层底板隔水岩层中的缺陷, 等同于导致材料断裂的裂纹, 并由此确定失稳条件。导致煤层底板突水发生的裂隙与导致材料断裂的裂纹失稳, 本质上是不同的。对存在裂纹的材料而言,从
10、宏观上看材料是均匀的、完整的、规则的, 而对存在裂隙的煤层底板隔水岩层而言, 是不均匀性、不完整性、不规则性诱导了失稳。我们要强调岩层中时间尺度不同的两种过程的区别, 一种是缺陷发育过程, 这是一个慢过程, 它响应于岩石形态变化扰动而逐渐演化, 这种发育过程并不导致失稳。另一种是缺陷在薄弱处爆涨, 岩层遭受破坏的过程是一个快过程, 这是导致煤层底板突水的失稳过程。要完整理解煤层底板突水现象,我们需要对这两种过程都有较清晰的认识。因此, 煤层底板突水系统是一个非线性系统, 系统本身是一个不断与外部环境进行物质、能量、信息交换的开放系统, 具有协同性、自组织性、信息性的特点。煤层底板突水预测实质上
11、是要求根据多种因素和经验迅速作出综合判断, 以求得煤层底板突水与否的满意解。煤矿(床)水文地质学是人类在开发煤炭资源并不断与地下水害进行斗争的过程中形成的，与国民经济的可持续发展紧密相关。做好矿井水文地质工作，努力实现煤炭工业的安全发展是我国国民经济和社会发展的重要保证。煤炭是我国的主要能源，在一次性能源结构中所占的比例达70 %以上，为了实现煤炭工业的可持续发展，煤矿(床)水文地质学对煤矿安全生产的指导作用日益凸显，系统地总结煤矿(床)水文地质学的研究现状并对其未来发展前景做出展望，对于发挥本学科在煤矿安全生产中的指导作用具有重大意义。2 国内外研究现状2.1 国内研究现状2.1.1 煤矿水
12、文地质条件综合研究该项工作是煤矿水害防治的基础性工作属条件水文地质学的研究范畴，早期的防治水工作，如60、70年代，主要是通过条件研究进行经验性决策，只是当时的研究手段比较落后，限制了学科的发展，煤层底板突水概念模型的雏型基本上是在这一时期形成的，如底板保护层和原始导高等概念。进入80 年代以后，由于政府对华北水害问题的关注，其支持力度在水害防治史上是空前的。相应地，煤矿水文地质条件的研究进入综合性研究的新时期，各种现场测试方法相互配合和验证，提高了水患诊断的水平。在这一领域开发研制了多种仪器和测试方法，如KTS-I型矿井突水前兆检测系统，BX-I型应力仪和DW-II 型位移测量仪、SWX-I
13、型钻孔水位遥测系统及井下电测深法等。采用氡射气环境同位素方法查找地下水补给通道也是煤矿水文地质条件研究方法中最为突出的一种。2.1.2 煤层底板突水预报研究煤层底板突水预报问题一直是活跃的研究领域，形成了不同的学科分支和研究方向，从各类突水预报方法所依赖的基础理论划分，可将其分为泛决策分析理论和岩体工程地质力学理论2大体系。早在60年代，作为焦作矿区水文地质大会战的主要成果之一，提出了“突水系数”的概念，并 且取得了峰峰、焦作、淄博、井陉四大矿区的临界突水系数经验数据。进入70年代，借鉴匈牙利的防治水经验，通过统计、整理和分析大量的突水资料，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。
14、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。然而，在实际应用中发现新的突水系数公式存在着一些难以克服的固有的缺陷，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（岩性、地层结构）、采煤方法、含水层的富水性及水动力学特征等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。因此，要把各种因素考虑在一个判别式中或变革基于突水系数的突水预报方法（如专家系统中建立知识库模拟专家进行推理决策、人工神经网络中突水
15、实例的训练等），需要开展大量的研究工作。泛决策分析理论和岩体工程地质力学理论正是在上述背景下应运而生的。所谓泛决策分析理论，是就其所依赖的物理模型来定义的。在泛决策分析理沦看来突水预报是一种功能或变换，更确切地说，是输出(被预报量)对输入(预报量)的一种响应，以系统论作为其理论基础。煤层底板突水系统是一复杂的人工自然复合系统，内部各影响因素相干并耦合，其作用机理相当复杂属于灰箱系统（系统论观点)，往往难以满足经典数学的处理要求。而一些软科学方法。如决策论、模糊数学、随机理论、信息理论、专家系统、人上神经网络、非线性科学(非线性动力学分析、突变理论，混沌学)等，对处理煤层底板突水问题非常独到，具
16、有很强的生命力。本文将这类方法统称为泛决策分析理论方法。泛决策分析理论具有如下特点：a空间点预测；b特性参数作为其决策变量：c多方面、多层次突水因素的综合性或集成性；d理论的完备性。泛决策分析方法是在自然科学和工程科学领域发展起来的一些软科学决策方法的通称，如模糊数学、随机理论、专家系统、人工神经网络等。它们对处理煤层底板突水问题非常独到，具有很强的生命力。如靳德武、王延福（1993）提出的突水预报信息分析模型，张敏江、王延福（1992）开发研制的煤层底板突水预报专家系统（简称WIFDCM系统），张大顺、郑世书（1996）开发的突水预测地理信息系统（简称GIS系统），王延福、靳德武（1998）等开发的突水预报人工神经网络系统（简称ANNWIF系统）等。岩体工程地质力学方法是从煤层底板动力学平衡的角度研究和处理问题的，以岩体临界平衡状态作为煤层底板突水控制条件。如许学汉、王杰（1991）的结构体力学研究方法，刘天泉、张金才（1988） 的平面应
