淺談煤礦底板突水機理及防治

丁 華，徐建文，張海君

(1．開灤東歡坨礦業分公司，河北 唐山 063022;2．中國礦業大學，江蘇 徐州 221116)

煤礦底板突水與瓦斯、沖擊礦壓等災害并列，是礦山建設與礦山生產過程中的主要安全災害之一，其破壞性給國家和人民帶來了重大的人身傷害和經濟損失。煤礦底板突水主要受含水層的富水性和透水性、隔水層的隔水性、地下裂隙的導通性、地下水系的連通性、靜水壓力和礦山壓力等因素的共同影響。根據突水原因可將其分為兩類，即地質構造底板破壞性突水和采礦擾動底板破壞性突水。近年來，隨著開采深度和工作面開采空間尺度的不斷變化，底板突水形成機理及其破壞性都與過去有了很大的不同。因此，尋求新的礦井底板突水防治技術與方法，對于現代礦井的建設與開采具有更加重要的意義。

1 煤礦底板突水機理

煤礦底板突水是指礦山在建設開發過程中，不同形式、不同水源的水通過某種途徑從地板突入礦井，給礦山建設和生產帶來不利影響和災害的過程，其突水機理是：一定條件下，在靜水壓力和礦山壓力的影響下地板巖層裂紋發育并延伸，使隔水層巖層聚集大量的能量，當集聚的能量超過隔水層巖層的承受能力，隔水層巖層從某一弱面破斷，從而使含水層水在水壓的作用下沿破斷裂隙涌入礦井的過程。一般突水的大小主要取決于水壓;突水的難易程度主要受隔水層的影響;突水的持續時間受周圍水源和補給路徑的控制［1］。

2 地質構造底板突水

2．1 斷裂和斷層底板突水

斷裂是巖石受到某一力的作用而發生的大變形，按其受力分為拉、扭、壓三類，一般張性斷裂突水性大于壓性斷裂突水性，扭性斷裂突水性居于兩者之間。斷層是斷裂的一種特殊形式，它的突水性遠遠大于一般的斷裂，因為斷層既是一個含水體又是一個導水通道。由于其導儲水性在空間上的復雜性，通常以斷層兩盤的巖性來判斷其突水性的大小，見表1。

表1 斷層兩盤巖性判斷突水性表

斷層突水的特點：水量大，破壞性強，突發性強，一般突水后礦井無法恢復。斷層產狀、規模及其水文條件在空間上的差異，使斷層突水研究高度復雜化，所以，對于斷層的研究不能以局部特性代替整體性質［2］。

2．2 裂隙—巖溶底板破壞突水

裂隙是巖石在成巖過程中或是后期受到外力而產生的一些裂痕、縫隙，其含水性和透水性相對而言比較小，但裂隙給巖溶的發育創造了很好的條件。溶巖一旦在裂隙中發育，由于受巖溶水的侵蝕作用，周圍巖層就會不斷溶解，從而形成具有不同特點的儲水空間和導水通道。溶巖不僅破壞了巖石的整體性，而且使得整個地下水形成網狀、聯通的含水體系。其突水的特點：突水性強、破壞性強、突水持續時間長、突水頻率高等。下面通過箱體模型說明其突水的特點，見圖1。

圖1 地下水的補給、徑流、排泄模型示意圖

有4個水箱A、B、C、D，水箱的大小表示儲水量的大小，箭頭表示水流的方向，箭頭的粗細表示水流動的難易程度，粗箭頭處水容易排泄，水箱水位表示地下水的平均水位。

大的裂隙(斷層)和大的溶巖儲水體(溶巖陷落柱和大的溶洞)，主要以儲水為主，導水為次，用A表示;小的裂隙(斷裂)和溶巖導水體(溶穴)，主要以導水為主，儲水為次，用B表示，C和A性質類似，但其儲水能力較小;D和B性質類似，其導水能力較小。現用A、B、C、D箱建立地下水的補給、徑流、排泄模型，通過4個水箱可以看出4個儲水帶(帶水通道)間的水位、徑流及補給等關系。

現以A、B、C、D類分析其突水特點：

1)A類底板突水：一般出現在溶巖發育或地質作用較強的地段，距離地表的距離較小，其補給來源主要是大氣降水、地表水等。儲水能力很強，受B、C類水源補給的能力較弱，見圖2(a)，突發性很強、破壞性極強、突水時間較短。

2)B類底板突水：一般出現在裂隙密集或溶巖較發育地段，其導水能力很強，突水時主要受到A類水源的補給，見圖2(b)，破壞性較、強突水時間強。

3)C類底板突水：一般出現在奧陶紀等灰巖含水層中，距離地表較深，儲水能力較強，突水是直接受B，D類水源補給，間接受A類水源的補給，見圖2(c)，破壞性很強、突發性極強、突水時間很長。

4)D類地板突水：一般出現在地下水排泄的地段，由于儲水能力較小、補給的滯后性等特點，見圖2(d)，突水時破壞性很小。

圖2 四類地板突出模式示意圖

3 采動影響底板突水

煤層開采破壞了原始的應力平衡。工作面從開切眼開始回采，在回采過程中引起回采空間的應力重新分布，這種應力分布不僅僅在回采空間周圍煤體中集中，還會向底板深部進行傳遞，在底板巖層一定范圍內重新分布，它不僅改變了底板巖層的受力狀態，而且影響了底板巖層導水裂隙的發育情況，很大程度上決定了底板突水能力的大小。

采動破壞最大深度(h1)的計算，見圖3。

圖3 采動影響底板破壞深度示意圖

圖3 中：

h1—底板最大破壞深度;

ψ—內摩擦角;

r—以a為原點與ab成α角的螺線半徑：

r0—ab的長度;

α—為r與r0之間的夾角。

由圖3可知：

4 防治方法

為了保障礦井建設和生產正常進行，保證煤礦工人的人身安全，降低礦井水害發生的概率和危害程度所采取的預防和治理技術，統稱為礦井水害防治技術。礦井水害的防治必須堅持“預測預報、有疑必探、先探后掘、先治后采”，即“預防為主，防治結合”的原則。并依據不同礦井或采區的具體水文地質條件，合理的選擇相應的方法和技術進行綜合治理。近年來，有關礦井水害防治技術的研究層出不窮，主要包括：礦井水文地質條件探測、礦井水害預測、井下探放水、疏水降壓、注漿堵截、留設防水煤柱等。下面就國內目前主要的防治措施進行概述。

1)“防”主要包括：a)查明礦區充水條件、地下水補給條件和地質條件。b)建立健全水文地質動態觀測系統。c)改進完善礦井防排水系統。d)地面修筑防排水工程，防滲堵漏。e)優化開采設計、改變采煤方法。f)合理留設防水煤柱。g)構筑放水閘門，分區隔離開采。

2)“治”主要包括：a)利用底板隔水層帶壓開采。b)注漿工藝的合理選擇與利用。c)疏水降壓工程。d)探放水工程。

5 底板突水現狀

根據我國煤礦底板突水事故的特點、產生的原因及其礦井生產對底板突水安全防范技術的基本要求，煤礦底板突水所面臨的問題如下：

1)尋求對新的采礦條件下底板突水機理的研究。近年來由于采深的加大，工作面尺寸的變化，工作面設備的機械化，經典的淺部開采經驗公式已經不再適合現代礦井的建設與生產。

2)加強對新的采礦條件下，煤層隔水底板防突水效應的研究。由于地質構造的原因，石炭二疊紀的煤層直接形成于奧灰巖之上，隨著現代礦井采深的不斷加大，奧灰水的突出情況越來越嚴重，對礦井的建設與生產造成了極大的威脅。因此，傳統的堵、截等被動防治方法已經不足以應對其危害。

3)從礦井生產安全角度看，地下水由于其含有巨大的能量而給生產帶來了極大的安全隱患;從環境的角度看，一方面，礦井的開采建設忽視以致浪費了地下水巨大能量的利用價值;另一方面，礦井的開采建設極大地破壞污染了地下水系，使地下水水質變差，且水位大幅度下降。

6 結語

1)根據應力分布的不同，水平方向上可將底板分為三區，即超前支撐壓力壓縮區、穩壓區、采空區壓力壓縮區;垂直方向上可將其分為五帶，即采動破壞帶、采動裂隙延伸帶、完整隔水帶、水壓裂隙延伸帶、承壓水原始導高帶。

2)地下水不同儲水帶、導水帶間的徑流、補給及排泄可用箱體模型加以解釋。

3)運用能量的方法闡述了底板突水的機理。

［1］ 衛修君，鄧寅生，鄭繼東，等．煤礦水的災害防治與資源化［M］．北京：煤炭工業出版社，2003：45－47．

［2］ 虎維岳．礦山水害防治理論與方法［M］．北京：煤炭工業出版社，2005：101－103．

［3］ 徐建文，石偉良，王 飛，等．礦井突水綜合防治技術［J］．煤礦開采，2010(4)：112－114．

［4］ 徐建文，李振雷，王 平，等．如何正確處理煤礦生產與礦井水資源之間的關系［J］．煤礦安全，2010(7)：127－130．

［5］ 彭蘇萍，王金安．承壓水體上安全采煤［M］．北京：煤炭工業出版社，2001：77－80．