1、专题部分煤矿底板突水机理及防治技术摘要：长期以来，煤矿水害给国家和人民带来了巨大的经济损失和人员伤亡，突水是采矿过程中常常面临的一种严重灾害。随着煤矿开采方式，开采深度和工作面开采空间尺度的变化，突水灾害日益严重。开展矿井突水机理基础理论研究，有效遏制矿井突水事故的发生，保障煤矿安全生产，是目前煤矿工业需要解决的问题。关键词：底板突水；突水机理；突水现状；防治方法Mechanism and Control of water Inrush from Coal Seam noorAbstract: The disaster of water in coalmine has long been br
2、inging huge economic loss and personnel casualty to our country and people. The water inrush is a serious disaster which faces frequently in the mining process. Along with the change of the way, the depth and the working face criterion in coal mining, the disaster of water is more and more serious.
3、Developing the study of mechanism on mine water inrush, containing the occurrence of water inrush accidents effectively, and ensuring coalmine safety in production, is the current question which the coalmine industry needs to solve. Key words：Floor water inrush；Water inrush mechanism；Waterinrush sta
4、tus；Prevention and treatment method.1. 煤层底板突水问题的研究现状1.1 煤矿水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，如六七十年代，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。进入八十年代以后，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
5、制了多种仪器和测试方法，如MTS-型矿井突水前兆检测系统，BX-型应力仪和DW-型位移测量仪、SWX-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。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两大体系。纵观煤层底板突水预报问题的研究，可以看出：50年代提出煤层底板突水问题；60，70年代是突水系数法时代，其中60年代为古典突水系数时代，70年代为修正突水系数时代；80年代是岩
6、体工程地质力学时代；90年代是泛决策分析理论时代。第 16 页 共116页2 突水机理2. 突水机理2.1 煤矿底板突水机理煤矿底板突水是指矿山在建设开发过程中，不同形式、不同水源的水通过某种途径从地板突入矿井，给矿山建设和生产带来不利影响和灾害的过程，其突水机理是：一定条件下，在静水压力和矿山压力的影响下地板岩层裂纹发育并延伸，使隔水层岩层聚集大量的能量，当集聚的能量超过隔水层岩层的承受能力，隔水层岩层从某一弱面破断，从而使含水层水在水压的作用下沿破断裂隙涌人矿井的过程。一般突水的大小主要取决于水压；突水的难易程度主要受隔水层的影响；突水的持续时间受周围水源和补给路径的控制。2.2 地质构造
7、底板突水断裂和断层底板突水断裂是岩石受到某一力的作用而发生的大变形，按其受力分为拉、扭、压三类，一般张性断裂突水性大于压性断裂突水性，扭性断裂突水性居于两者之间。断层是断裂的一种特殊形式，它的突水性远远大于一般的断裂，因为断层既是一个含水体又是一个导水通道。由于其导储水性在空间上的复杂性，通常以断层两盘的岩性来判断其突水性的大小，见表1。表1 断层两盘岩性判断突水性表断层两盘岩性发育情况透水性代表岩石脆性可溶岩断裂、裂隙、喀斯特发育很强石灰岩、白云岩脆性不可溶岩张开性好的牵引裂隙发育较强石英岩、石英砂岩柔性岩良好的脆性、填充性阻止了裂隙、孔隙的发育较弱泥岩、页岩裂隙一岩溶底板破坏突水裂隙是岩石
8、在成岩过程中或是后期受到外力而产生的一些裂痕、缝隙，其含水性和透水性相对而言比较小，但裂隙给岩溶的发育创造了很好的条件。溶岩一旦在裂隙中发育，由于受岩溶水的侵蚀作用，周围岩层就会不断溶解，从而形成具有不同特点的储水空间和导水通道。溶岩不仅破坏了岩石的整体性，而且使得整个地下水形成网状、联通的含水体系。其突水的特点：突水性强、破坏性强、突水持续时间长、突水频率高等。下面通过箱体模型说明其突水的特点，见图1。图1地下水的补给、径流、排泄模型示意图2.3 采动影响底板突水煤层开采破坏了原始的应力平衡。工作面从开切眼开始回采，在回采过程中引起回采空间的应力重新分布，这种应力分布不仅仅在回采空间周围煤体
9、中集中，还会向底板深部进行传递，在底板岩层一定范围内重新分布，它不仅改变了底板岩层的受力状态，而且影响了底板岩层导水裂隙的发育情况，很大程度上决定了底板突水能力的大小。采动破坏最大深度（）的计算，见图3。图2 采动影响底板破坏深度示意图3 研究现状3. 研究现状煤矿突水问题在东欧的匈牙利、波兰、南斯拉夫、俄罗斯等国家也大量存在，特别是匈牙利，其灰岩强含水层对煤矿的威胁程度不亚于我国。40年代匈牙利的韦格弗伦斯第一次提出底板相对隔水层的概念，认为煤层底板突水和底板隔水层厚度及水压力有关。他提出了相对系数的概念（即隔水层厚度与水压力之比），并以1.5atm为突水判据。40年代至50年代，以静水力学
10、理论为基础研究了煤层底板在承压水作用下的破坏机制。其代表性成果是苏联学者B.斯列萨列夫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：式中底板所能承受的理论安全水压值，MPa隔水层的抗张强度，MPa底板隔水层厚度，m；工作面最大控顶距或巷道宽度，m；底板隔水层平均容重，kg/m3。当时实际水压时，底板隔水层就会发生失稳破坏，从而导致底板突水。由于该公式简化条件过多，如没有考虑矿山压力、地应力和底板承压水等因素对底板破坏的影响，与采动影响下承压水作用的实际情况并不完全相符，因而该方法60年代以后就很少使用了。60年代至70年代，仍以静力学理论为基
11、础，并结合地质因素，主要是考虑隔水层岩性和强度，研究了底板突水机理。其代表性成果是匈牙利和南斯拉夫等学者提出的相对隔水层厚度，即以泥岩抗水压的能力作为标准隔水层，将其它不同岩性的岩层换算成泥岩的厚度，并以其作为承压水上开采煤层底板突水与否的标准。这样换算后的等值厚度，不仅具有厚度的概念，而且具有强度的概念。但对影响突水的力学机制、隔水层中关键岩层的力学骨架作用、采区边界条件等均未考虑。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破坏机理，其中最有代表性的人物是C-F-Santos(桑托斯)、Z-T-Bieni(宾尼威斯基)。他们基于Hoek-Brown岩体强
12、度准则，并引入临界能量释放点的概念和取决于岩石性质和承受破坏应力前岩石已破裂的程度和与岩体指标BMR相关的大量纲参数m和s，分析了底板的承载能力。由于该理论从底板的承载能力出发，既不需考虑水压的影响，也不需考虑隔水层、采面条件等，因此它仅对采动底板破坏机理研究具有参考价值。我国矿山突水问题一直是制约矿山安全生产的重大技术难题，多年来，我国煤炭科技工作者针对矿山生产过程中底板突水问题进行了大量的研究工作，并初步形成了如下几种研究突水的方法。3.1 突水系数法以煤炭科学研究总院西安分院为代表，提出了采用突水系数作为预测预报底板突水与否的标准。突水系数就是单位隔水层所能承受的极限水压值，即：试中：-
13、突水系数；-含水层水压，MPa；-隔水层厚度，m。突水系数在数值上相当于“相对隔水层厚度”的倒数。由于最先提出的突水系数法没有考虑矿压和岩性组合对底板破坏的影响，70一80年代，煤炭科学研究总院西安分院水文所曾先后两次对突水系数的表达式进行了修改，在考虑矿压破坏因素时，从隔水层厚度中减去了矿压对底板的破坏深度；在考虑岩性组合时，引用了匈牙利学者的“等值隔水层厚度”的概念对公式进行了修正，即-隔水层第i分层厚度，m；-隔水层第i分层等效厚度的换算系数；-矿压对底板的破坏深度，m。3.2 岩-水应力关系法现场矿压观测与底板岩体变形规律的研究表明，底板突水是矿压和底板承压水压力共同作用的结果。在工作
14、面超前支承压力作用下，底板岩层呈压缩状态；而在煤壁边缘和采空区内部，底板岩体由于卸压而处于膨胀状态。底板岩体在由压缩向膨胀的转化过程中，将不可避免地产生剪切和张拉破坏。岩水应力关系法从物理和应力概念出发，认为造成底板突水需具备两个条件：存在导水破裂带。无论是地质构造作用还是采掘引起的岩体破坏，只要使底板隔水层破坏至一定深度，且与下部导升高度相通或波及到下部含水层，就具备了突水的必要条件。此时底板岩层由于强度下降，底板溶流强度增加，但未必一定产生突水；水压与应力关系。当承压水压力大于或等于水平最小主应力时，才会具备突水的充分条件，此时，底板水在水压力的驱动下，可以突破底板岩层裂隙带水平方向应力的
15、约束，穿越岩体破裂带构成突水。岩一水应力关系法建立的突水临界指数为：式中 作用于底板上的承压水压力，MPa；水平最小主应力，MPa。当指数I1时，底板发生突水。该突水判据是利用采动过程中底板隔水层的原位应力测试技术与数值计算方法相结合，得到采动底板隔水层应力与破坏，综合分析突水环境，给出定量评价。3.3 “下三带”理论及“四带”理论李白英等提出了“下三带”理论。该理论认为开采煤层底板也像采动覆岩一样，由上至下存在着“三带”，即上部采动破坏导水带，中部完整岩层隔水带和下部承压水导升带。其中完整岩层隔水带对阻隔底板突水起着主要的保护作用。“下三带”理论认为：底板突水机理不仅是底板在水压力作用下由于底板强度低于水压力的失稳，而且也是由于底板含水带在水压力和矿山压力共同作用下产生了升高所至。当底板含水带与底板导水带沟通时，就会发生突水事故。施龙青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为矿压破坏带、新增损伤带、原始损伤带和原始导高带。推导出“四带”理论各带厚度的计算公式，给出了底板突水判别方法，并结合肥城煤田开采煤层底板探测实例，说明开采煤层底板“四带”，存在的客观性。3.4 原位张裂与零位破坏理论王作宇等提出了底板移动的原位张裂和零位破坏理论。该理
