1、矿井底板水突出可能性预测及防治摘要：矿井水灾是煤矿重大灾害之一，我国许多煤田的水文地质条件十分复杂，在煤层开采过程中受到多种水体的威胁。对于受水体威胁的煤层而言，最大安全问题就是矿井突水事故，而矿井突水事故多数是由于煤层底板突水引起的。煤层底板水害给矿井的安全生产带来严重威胁和经济损失。做好矿井防治水工作，是保证矿井安全生产的重要内容之一。矿井底板水害防治应遵循“有疑必探，先探后掘( 采) ，疏堵结合，先治后采”综合治理原则，并根据水害实际情况制定相应的防治措施。本文对煤层底板突水因素、形式、规律、预测预报，水害评价，给出有效( 是否突水) 的判断，从而提出更合理的水害防治措施。按照以上步骤展
2、开水害的防治探讨，从而为防治底板水害提供一条切实可行的途径。关键词：底板水害；探查；评价；预测；防治0 引言煤炭一直是我国的主要能源之一，占一次性能源消耗量的75%，安全高效地进行煤炭开采是关系到国计民生和国民经济发展的大事1。由于埋藏深度和煤层赋存条件的限制，开采煤炭资源主要是以井工开采为主2。煤矿底板突水与瓦斯、冲击矿压等灾害并列，是矿山建设与矿山生产过程中的主要安全灾害，矿井水害一直是制约我国煤炭生产发展的重要因素之一。据原煤炭工业部统计资料显示，我国煤矿突水事故居高不下，全国601处国有煤矿中，具有底板突水危险性威胁的有285处。60%矿井事故与地下水作用有关，造成生产损失和人员伤亡，
3、导致多种环境负效应。频繁发生的突水事故严重威胁着煤矿的安全生产，其破坏性给国家和人民带来了重大的人身伤害和经济损失。从近年的开采情况看，每年采出受水害威胁的煤炭还不到总储量的10%。如果不能解放这些受水害威胁的煤炭储量，不仅影响煤矿的产量，而且一些老矿井还有被迫提前关井的危险。我国许多煤田的水文地质条件十分复杂，在煤层开采过程中受到多种水体的威胁。对于受水体威胁的煤层而言，井工开采带来的最大安全问题就是矿井突水事故，而矿井突水事故多数是由于煤层底板突水引起的。煤层底板突水（水害) 给矿井的安全生产带来严重威胁和经济损失3。因此，如何采取有效措施来防止底板水害的发生对矿井的安全生产具有十分重要意
4、义。1 底板突水影响因素分析煤层底板突水实质是煤层下伏承压水沿采煤工作面底板隔水层岩体内部通道突破底板隔水层的阻隔，以突发、缓发或滞发的形式向上涌入工作面采空区的过程。下面对影响底板突水的主要因素分进行分析。1.1水压位于煤层底板下部的承压含水层，是造成底板突水的主要源泉。其水压力的大小决定底板是否会发生突水。承压水在水压力的作用下不断侵蚀、冲刷底板隔水层，渗透至上覆隔水层的构造裂隙中，降低隔水层的完整性，减弱岩体的抵抗强度，并扩大隔水层内部的裂隙，最终形成突水通道；在煤层开采过程中，采动矿压不断向底板传递应力，在与含水层水压的耦合作用下，底板岩体加速破坏，并使底板隔水层中原生裂隙、断层重新活
5、动，形成新的透水裂隙。底板有效隔水层的阻水能力降低，底板承压水很容易通过破坏裂隙而进入开采工作面，造成底板突水。承压水压力越大，发生底板突水的可能性越大。1.2含水层富水性含水层的富水性是底板突水的基本影响因素，是突水大小的物质基础，决定突水后水害的规模以及对矿井的威胁程度。含水层的水压是底板突水的动力，可分为静水压力和动水压力。突水前表现为静水压力，静水压力对隔水层裂隙具有顶劈扩大作用，静水压力愈高，作用愈显著；突水后承压水头降低，含水层中水的位能转化为动能，这时主要以动水压力为主其影响主要表现在突水后，裂隙被冲刷扩大，充填物质流失，通道逐渐畅通，出水量越来越大。实践证明，煤层底板承压水突入
6、工作面的机会与岩溶的发育程度及富水性有密切的关系。当岩溶富水性较好时，由底板灰岩溶水造成的突水次数就多，而且突水量比较大。因此，在进行底板突水预测预防工作时，应重视对灰岩岩溶的发育程度及富水性的调查。1.3隔水层厚度隔水层是突水的隔、阻水因素，其阻水能力主要取决于隔水层的厚度、底板的破坏程度、岩层的矿物成分、岩性组合、力学强度等。隔水层厚度越大，抗水压能力越强，越不容易出水；底板破坏深度大，有效隔水层厚度就相对减小，底板就容易出水。隔水层的岩性组合、力学强度是控制底板岩层受采动影响的主要因素。隔水岩层厚度、岩性及其组合对底板突水起着重要的制约作用。隔水层越厚越安全。需要注意的是在隔水层厚度相同
7、的情况下，不同岩性组合的抵抗水压能力是不同的。坚硬性脆的岩层，在矿山压力的作用下易产生裂隙，但不容易被水冲刷扩大。软岩层，受力后易发生塑性变形，不易形成裂隙；即使形成裂隙，因破裂结构面碎屑物较多，裂隙的透水性也较差，但裂隙易被高压水流冲刷扩大。如果隔水层由软、硬相间的岩层组成，则能相互弥补各自的缺陷，提高抗水压能力。相邻上下两岩层，下一层中的裂隙能否扩展到上一层中去，经应力强度因子分析的结果，硬岩层中的裂隙较易于向软岩层扩展，而软岩层中的裂隙不易于向硬岩层扩展， 因此对防突水最有利的岩性组合是顶、底都为相对较软的岩层，中间为软硬相间的岩层。1.4地应力向斜轴部、褶皱倾没端及其转折点等处，皆利于
8、残余构造力应集中，在其它力的诱发下，这些部位亦易突水。现代地应力集中表现形式是地震4。1.5矿山压力煤层开采过程中的矿山压力，对底板具有严重的破坏作用，其范围与开采范围及采空区周围的支承压力分布有关5。在工作面正常推进过程中，底板任一断面总是经历超前支撑压力压缩区，采后悬顶卸压膨胀，采空区周边剪切破坏，继后顶板冒落压实再受压过程(图3)6。其中采空区卸压膨胀及其周边剪切对底板破坏最严重，产生的裂隙最多。矿山压力对底板的破坏作用与工作面顶板岩性有关。顶板越不易冒落，矿山压力对底板的破坏作用就越明显，底板越易出水所以对顶板不易冒落的工作面要及时采取措施，减少矿山压力的破坏作用。1.6底板采动破坏深
9、度不同的采煤方法对工作面底板突水与否起着抑制作用。当煤层厚度比较大时，可以采用分层开采，从而减轻采动矿压对工作面底板的破坏程度，这样有利于抑制底板突水的发生；同理，采用短壁工作面开采、条带开采或充填采空区开采，也是可以抑制或减少底板突水事故的有效措施。在采煤方法一定的条件下，开采空间的大小决定着底板突水与否。开采空间的大小主要由工作面倾斜长度及采厚来衡量。开采空间越大，工作面周围的支承压力越大，从而底板的变形及破坏程度越严重，突水的可能性就越大。在实际生产中发现，在水压、隔水层厚度、含水层富水性、断层落差条件基本一致时，工作面倾斜长度越大越容易发生底板突水。同样，采厚越大，工作面周围支承压力就
10、越大，导致底板突水的可能性也就越大。1.7地质构造地质构造是煤矿底板突水的主要通道。在煤层分布范围内，地质构造直接影响着矿井涌水量的大小7。引起突水的地质构造主要是断裂构造和岩溶陷落柱断层是构造裂隙中最易造成灾害性事故的进水通道。断层是造成煤层底板突水的主要原因之一。断裂构造，对含水层的变形破坏，岩溶的发育分布和方向性，导水裂隙的形成，地下水的补给、径流、排泄条件，乃至井田和区域水文地质条件都起着重要作用。断层是矿井突水重要的导水通道，断裂缩短了煤层与对盘含水层之间的距离。当断层切割太灰或奥灰含水层时，有可能导致煤层与含水层对接或距离缩短，从而使隔水层的有效厚度减少，导致突水。底板岩层中裂隙的
11、存在，破坏了底板岩层的完整性，使底板隔水性能大大降低，承压水会不断侵蚀底板岩层，造成承压水的突入。底板岩体在采动影响下，岩层中原生裂隙和采动裂隙发生扩展，降低了底板岩层的阻水性能。多个裂隙在采动影响下，相互作用，使得裂纹间的岩桥缩短，贯通率增大，在一定条件下，容易相互连通，形成突水通道。2 煤层底板突水形式煤层底板的突水是由一定强度的采矿活动引起局部地应力变化，在特定的水文地质条件下所诱发的一种水文地质现象。综合分析认为：下伏承压含水层的富水性及其水头压力是引起底板突水的基本因素；底板隔水层厚度及岩性特征对底板突水起着制约作用；断层构造的发育程度既决定着含水层的富水性，又影响着隔水层的阻水能力
12、，是引起底板突水的关键因素。井田历史突水资料表明，突水形式主要是裂隙扩大型和裂隙渗流型。2.1裂隙扩大型由于断层构造的破坏和影响，底板隔水层阻抗水能力大大降低，但是断层带还没有直接含水或导水。因而在开拓掘进过程中一般未发现有底板出水征兆。由于在断层带附近进行回采，又受矿山采动压力的破坏和影响，隔水底板的阻水能力进一步减弱，下伏承压水凭借其较高的水头压力大量而集中的涌入回采工作面。这种突水虽不像直接型突水来的那样突然和迅猛，但水量亦有在短时间内迅速加大的趋势，易造成淹采区以上的水害。2.2裂隙渗流型在断层构造简单，底板隔水层较薄、承压水头压力较高的条件下，主要是因为受采动矿压的破坏和影响，下伏承
13、压水沿底板隔水层采动裂隙顶托渗流上升而涌人回采工作面。井田内发生的突水多数为裂隙渗流型。此种突水的特点是：突水点分散，水量随采矿面积扩大而缓慢增加，当采矿活动停止，有随矿山压力逐步稳定而逐渐减少的趋势。3 煤层底板突水规律分析研究通过认真分析井田内开采煤层受底板含水层突水特征，总结出底板突水有如下规律：1) 底板突水与工作面倾斜长度、回采面积有关。2) 底板突水受隔水层厚度及下伏承压水压力制约。只有当下伏承压水压力足以克服隔水层阻力时才能发生突水。3) 深部出水点能袭夺浅部出水点的水量。4) 底板突水水量随矿山压力逐渐平衡稳定，有逐渐减少的趋势。5) 断层构造，特别是断层的交汇部位，是矿井充水
14、的多发地段，而且容易出大水。向斜构造轴部岩层张性裂隙发育，地下水易于汇集，是易于发生突水的地段。6) 随回采随陷落顶板的工作面，由于薄煤层开采强度相对较低，底板破坏深度小，采矿裂隙难以沟通导升裂隙而出水该回采顶板条件的工作面一般不容易发生底板突水。4 底板突水预测预报理论与方法煤层底板突水是在开采条件下，承压水沿底板隔水层中的通道涌入矿井，造成水害事故，是一种工程动力地质作用，是一种地质灾害。几十年来，国内外众多学者对矿井突水机理进行了一系列有益的探索，取得了大量的研究成果。包括早期的底板安全水压理论8 及后期的岩体临界强度理论9、突水系数10、相对隔水层厚度法11、“岩水应力关系” 12、板
15、模型理论13 、“强渗通道”14 、“下三带”理论15、原位张裂与零位破坏理论16、关键层(KS)理论17等，这些理论观点均从不同方面揭示了突水发生的机理和预测方法，对矿井安全生产起到了积极的指导作用。下面介绍下常用的“突水系数”法和“下三带”理论。4.1 “突水系数”法我国早在20世纪60年代就开始了底板突水规律的研究工作。1964年在焦作水文会战时首次提出了突水系数的概念，用于作为突水预测预报的标准。所谓突水系数就是单位隔水层承受的水压值，即： TS = P/M (1) 式中：TS突水系数，MPa/m； P水压，MPa； M隔水层厚度，m。20世纪70年代，煤科院西安分院考虑到矿压破坏因素对突水系数作了修正，即： TS = P/(MCp) (2) 式中：C 矿压破坏底板深度，m；在无测资料的情况下，炮采工作面一般取12 m，综采工作面一般取15 m。该方法是矿井水文地质规程和煤矿安全规程推荐的方法，所以是应用较广的一种方法。在矿井底板突水预测中，使用了临界突水系数的概念，即单位有效隔水层厚度所能承受的最大水压。根据淮北矿区经验，临界突水系数正常地段为0
