1、浅析采场底板突水机理及预测方法 摘要：近年来，随着现代化矿井开采强度、深度的增加和开采规模的不断扩大，采场底板突水问题日益严重，如果不能及时预测和解决承压水对煤层开采带来的威胁，不仅影响煤矿的安全生产，而且会使一些矿井处于逐渐减产甚至停产的状态。本文通过浅析底板突水的类型和影响因素，运用弹塑性理论研究了采场底板岩体的破坏深度及底板突水极限压力，设计了底板采动破坏深度测试方案，为预测及防治煤层底板突水提供了一定理论依据。关键词：采场底板突水；承压水；突水机理；突水预测1 引言 长期以来煤炭一直是我国的主要能源之一，约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
2、的大事。但是由于许多煤田的水文地质条件比较复杂，所以矿井水害一直是制约我国煤炭生产发展的重要因素之一。我国煤矿开采主要受三类水害的威胁：第一类是巨厚强含水冲积层对其下伏煤层开采的威胁；第二类是具有强含水层或地表水体补给的太原群岩溶灰岩含水层，对其上下煤层的威胁；第三类是厚层灰岩岩溶强含水层对上覆煤层开采的威胁。对于防治前两类水害的带压开采己经有了一套比较完整理论和成熟的经验；然而对于防治第三类水害，即底板含水层高承压水对煤层开采的威胁，尚缺乏足够的经验。因其影响范围极广，所以对煤层开采威胁也最大，具有关资料得知煤矿突水以及淹井事故几乎都是由第三类水害引起的。 采场底板突水的实质是在特定的水文地
3、质条件下含水层高承压水沿隔水层岩体内部通道突破工作面底板隔水层的阻隔，以突发、缓发或滞发的形式向上涌入采掘空间的过程。底板突水是底板岩层在外力与地下承压水共同作用的结果，隔水层起的作用是在带压开采中起着阻隔高承压水突出。因此，底板岩层阻水能力是合理制定底板水防治方案，有效预防和治理突水灾害的基础。 采场底板突水是煤矿水害的主要类型之一，制约着煤矿的可持续发展和安全生产，给国家财产带来无法估量的损失，给人民群众的生命安全构成严重的威胁。查清矿井水文地质条件，进行水害评价研究，采取有效的水害防治措施，是确保带压安全回采关键。超前对煤层底板突水进行准确的预测，对煤矿实现安全高效生产具有十分重要的意义
4、。2 国内外研究现状2.1底板突水机理国内外研究现状2.1.1国外研究现状 国外对煤层底板突水的研究较早，如匈牙利、波兰、南斯拉夫、西班牙等国煤矿开采的历史已有 100 余年，均不同程度的受到底板突水的威胁。早在 20 世纪初，国外就有学者关注底板隔水层的作用，并从底板突水统计资料中发现，如果煤层底板中存在隔水层，则发生突水事故的次数就相对较少，并且越厚的隔水层比相对较薄的隔水层引起的突水事故次数少。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的概念。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的制约。相对隔水层厚度是等值
5、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，开采过程基本不突水，而80%-88%的突水都是相对隔水层厚度小于这个数值。因此许多承压水上采煤的国家引用了相对隔水层厚度大于 2m/atm 就不会引起煤层底板突水的概念。随后，苏联学者 B斯列萨列夫以静力学理论为基础研究了煤层底板在承压水作用下的破坏机制，他将煤层底板视作两端固定的承受均布载荷作用的梁并结合强度理论推导出底板理论安全水压值的计算公式，即： P0=2KPh2/L2+h (2-1)式中：P0底板所能承受的理论安全水压值，MPa； KP隔水层的抗张强度，MPa； h底板隔水层厚度，m； L工作面最大
6、控顶距或巷道宽度，m； 底板隔水层平均容重，kg /m3。 当实际水压大于底板所能承受的理论安全水压时，底板隔水层就会失稳破坏，发生底板突水。此公式计算比较简单，对巷道或者控顶距较小的工作面较为适用。但因没有考虑到采动等因素对底板的破坏作用，并且其计算结果与实际情况差别较大，因此 20 世纪 60 年代以后就基本不使用了。但是它开创了一个先河，那就是开始用力学的方法来研究煤层底板突水机理。20 世纪 60 年代至 70 年代，匈牙利学者仍以静力学理论为基础，并结合地质因素，主要是隔水层的岩性和强度，研究了底板突水机理，提出了相对隔水层厚度。前苏联、南斯拉夫等国也开始研究相对隔水层厚度，以泥岩抗
7、水压的能力作为标准隔水层厚度，将其他不同岩性的岩层换算成泥岩的厚度，称换算后的岩层厚度为等效厚度，并以其作为承压水上开采煤层底板突水与否的标准。20 世纪 70 年代至 80 年代末期，许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破坏机理。C.F.Santos(桑托斯)、Z.T.Bieniawski(宾尼威斯基)等人基于改进的 Hoek-Brown 岩体强度准则，并引入临界能量释放点的概念和与岩体指标 RMR 相关的无量纲常量 M.S，分析了底板的承载能力，对研究采动影响下的底板破坏机理有一定参考价值。2.1.2国内研究现状 与国外相比，我国对突水问题的研究起步较晚，在解放后，特别
8、是建国后，随着煤炭工业的发展，我国煤层底板突水理论和实践研究出现了日新月异的发展。20世纪60年代，煤科总院西安分院提出了采用突水系数作为预测预报底板突水与否的标准。70年代至80年代，煤炭科学研究总院西安分院考虑矿压、岩性组合及导升高度等因素影响对突水系数的表达式进行了两次修改。80年代以后，除煤矿一线的工程技术人员不断总结、探索突水发生机理外，中国矿业大学、煤科总院北京开采所、西安分院、中科院地质所、山东科技大学等单位在大量现场观测和实验研究基础上结合岩体力学理论归纳总结出具有我国特色的突水机理新理论。 这期间研究煤层底板突水机理具有代表性的理论主要有：突水系数法、薄板结构理论、原位张裂与
9、零位破坏理论、隔水“关键层”理论和“下三带”理论。(1)突水系数法 20世纪60年代前，我国学者对匈牙利隔水层理论用于实践并总结了底板突水规律。在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评价底板是否突水的标准，突水系数是单位隔水层所能承受的极限水压值，即： Ts=P/M (2-2) 式中： Ts突水系数； P 含水层水压，MPa； M隔水层厚度，m。 20 世纪 70 年代末，有学者通过考虑矿山压力活动因素，将突水系数公式修改为： Ts=P/( MCp) (2-3)式中： Cp矿压对底板破坏深度，m。 20 世纪 80 年代初，结合隔水层岩石的特点以及分析影响
10、隔水层隔水性能的因素，西安分院水文所将突水系数的表达式确定为： Ts= P/( MiaiCp) (2-4)式中： Mi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。 20 世纪 80 年代中期，考虑埋藏深度对隔水层的影响，突水系数公式最终修改为： Ts=P/( MabH) (2-5)式中： a、b待定系数； H 采深，m。（2）薄板结构理论 煤科总院北京开采所刘天泉院士、张金才博士等认为底板岩层由采动导水裂隙带和底板隔水带组成，并运用弹性力学、塑性力学理论和相似材料模拟实验来研究底板突水机制，采用半无限体一定长度上受均布竖向载荷的弹性解、结合莫尔库仑强度理论和Griffit
11、h 强度理论分别求得了底板受采动影响的最大破坏深度。将底板隔水层带看作四周固支受均布载荷作用下的弹性薄板，然后采用弹塑性理论分别得到了以底板岩层抗剪及抗拉强度为基准的预测底板所能承受的极限水压力的计算公式。该理论首次运用板结构研究底板突水机制，发展了突水理论。但在一般情况下，底板隔水带不满足薄板条件厚宽比小于 1/51/7，只有在较薄隔水层条件下才能应用；另外，该理论未考虑承压水导水带及渗流的作用，故使应用受到一定限制。（3）“零位破坏”与“原位张裂”理论 由煤科总院北京开采所王作宇、刘鸿泉等人提出。该理论认为，矿压、水压联合作用于工作面对煤层的影响范围可分为三段：超前压力压缩段（I 段）、卸
12、压膨胀段（II 段）和采后压力压缩稳定段（III 段）。超前压力压缩段在其上部岩体自重力和下部水压力的联合作用下整个结构呈现出上半部受水平挤压、下半部受水平引张的状态，因而在中部附近的底面上的原岩节理、裂缝等不连续而产生岩体的原位裂隙，在底板承压水的作用下，克服岩体结构面阻力而扩大，并沿着不连续面发展或形成新的张裂，从而形成底板岩体的原位张裂。煤层底板结构岩体由 I 段向 II 段过渡引起其结构状态的质变，处于压缩的岩体应力急剧卸压，围岩的贮存能大于岩体的保留能，便以脆性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，从而引起采场底板岩体的零位破坏，并且认为顶板自重应力场的支承压力是引起
13、底板产生破坏的基本前提，煤柱煤体的塑性破坏宽度是控制底板最大破坏深度的主要参数，底板岩体的摩擦角是影响零位破坏的基本因素，并进一步用塑性滑移线理论分析了采动底板的最大破坏深度。该理论综合考虑了采动效应及承压水运动，阐明了底板岩体移动发生、发展、形成和变化的过程。揭示了矿井突水的内在原因，对承压水上采煤实践具有重大的指导意义。但对于原位张裂发生发展过程缺乏深入研究，其发育高度（厚度）难以确定，限制了其在实际中的应用。(4)隔水“关键层”理论 中国矿业大学钱鸣高院士将采场顶板覆岩运动受关键层控制的理论观点引申到底板突水研究中，认为关键层在控制底板突水中具有重要作用。该理论认为，煤层底板在采动破坏带
14、之下，含水层之上存在一层承载能力最高的岩层，称为“关键层”。在采动条件下，将关键层作为四边固支的矩形薄板，然后按弹性理论和塑性理论分别求得底板关键层在水压等作用下的极限破断跨距，并分析了关键层破断后岩块的平衡条件，建立了无断层条件下采场底板的突水准则和断层突水的突水准则。该理论抓住了底板岩体具有层状结构的特点，并注意到了底板中的强硬岩层在突水中的作用，揭示了在采动条件和承压水作用下采场底板的突水机理。但将煤层底板破裂突水仅仅归结为所谓“关键层”的破断似乎有些过于简化，忽略软弱岩层在底板突水中的作用显然是不妥的；而且，“关键层”仅是一个模糊概念，在底板为多层岩性层的情况下，究竟应将哪一层岩层作为
15、关键层，在实践中不易掌握。 (5)“下三带”理论 山东科技大学李白英教授等人经十余年深入隔水层底板内部进行综合观测、并结合相似材料模拟和有限元计算等研究发现：开采煤层底板也存在着类似采动覆岩破坏移动的“三带”，即底板采动导水破坏带、完整岩层带（或有效保护层带）、承压水导升带（或隐伏水头带）。底板采动导水破坏带是指由于采动矿压的作用，底板岩层连续性遭到破坏，导水性发生明显改变的层带，该带的厚度即为“底板导水破坏带深度”。而完整岩层带位于采动导水破坏带之下，其特点是保持采前岩层的连续性及其阻水性能，它是阻抗底板突水的最关键因素，故又称为保护层带。承压水导升带是指含水层中的承压水沿隔水底板中的裂隙或断裂破碎带上升的高度，有时称其为原始导高带。该理论
