浅谈煤矿底板突水机理及防治

丁 华，徐建文，张海君

(1．开滦东欢坨矿业分公司，河北 唐山 063022;2．中国矿业大学，江苏 徐州 221116)

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之一，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。煤矿底板突水主要受含水层的富水性和透水性、隔水层的隔水性、地下裂隙的导通性、地下水系的连通性、静水压力和矿山压力等因素的共同影响。根据突水原因可将其分为两类，即地质构造底板破坏性突水和采矿扰动底板破坏性突水。近年来，随着开采深度和工作面开采空间尺度的不断变化，底板突水形成机理及其破坏性都与过去有了很大的不同。因此，寻求新的矿井底板突水防治技术与方法，对于现代矿井的建设与开采具有更加重要的意义。

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入矿井的过程。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［1］。

2 地质构造底板突水

2．1 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

断层突水的特点：水量大，破坏性强，突发性强，一般突水后矿井无法恢复。断层产状、规模及其水文条件在空间上的差异，使断层突水研究高度复杂化，所以，对于断层的研究不能以局部特性代替整体性质［2］。

2．2 裂隙—岩溶底板破坏突水

裂隙是岩石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

有4个水箱A、B、C、D，水箱的大小表示储水量的大小，箭头表示水流的方向，箭头的粗细表示水流动的难易程度，粗箭头处水容易排泄，水箱水位表示地下水的平均水位。

大的裂隙(断层)和大的溶岩储水体(溶岩陷落柱和大的溶洞)，主要以储水为主，导水为次，用A表示;小的裂隙(断裂)和溶岩导水体(溶穴)，主要以导水为主，储水为次，用B表示，C和A性质类似，但其储水能力较小;D和B性质类似，其导水能力较小。现用A、B、C、D箱建立地下水的补给、径流、排泄模型，通过4个水箱可以看出4个储水带(带水通道)间的水位、径流及补给等关系。

现以A、B、C、D类分析其突水特点：

1)A类底板突水：一般出现在溶岩发育或地质作用较强的地段，距离地表的距离较小，其补给来源主要是大气降水、地表水等。储水能力很强，受B、C类水源补给的能力较弱，见图2(a)，突发性很强、破坏性极强、突水时间较短。

2)B类底板突水：一般出现在裂隙密集或溶岩较发育地段，其导水能力很强，突水时主要受到A类水源的补给，见图2(b)，破坏性较、强突水时间强。

3)C类底板突水：一般出现在奥陶纪等灰岩含水层中，距离地表较深，储水能力较强，突水是直接受B，D类水源补给，间接受A类水源的补给，见图2(c)，破坏性很强、突发性极强、突水时间很长。

4)D类地板突水：一般出现在地下水排泄的地段，由于储水能力较小、补给的滞后性等特点，见图2(d)，突水时破坏性很小。

图2 四类地板突出模式示意图

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(h1)的计算，见图3。

图3 采动影响底板破坏深度示意图

图3 中：

h1—底板最大破坏深度;

ψ—内摩擦角;

r—以a为原点与ab成α角的螺线半径：

r0—ab的长度;

α—为r与r0之间的夹角。

由图3可知：

4 防治方法

为了保障矿井建设和生产正常进行，保证煤矿工人的人身安全，降低矿井水害发生的概率和危害程度所采取的预防和治理技术，统称为矿井水害防治技术。矿井水害的防治必须坚持“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”，即“预防为主，防治结合”的原则。并依据不同矿井或采区的具体水文地质条件，合理的选择相应的方法和技术进行综合治理。近年来，有关矿井水害防治技术的研究层出不穷，主要包括：矿井水文地质条件探测、矿井水害预测、井下探放水、疏水降压、注浆堵截、留设防水煤柱等。下面就国内目前主要的防治措施进行概述。

1)“防”主要包括：a)查明矿区充水条件、地下水补给条件和地质条件。b)建立健全水文地质动态观测系统。c)改进完善矿井防排水系统。d)地面修筑防排水工程，防渗堵漏。e)优化开采设计、改变采煤方法。f)合理留设防水煤柱。g)构筑放水闸门，分区隔离开采。

2)“治”主要包括：a)利用底板隔水层带压开采。b)注浆工艺的合理选择与利用。c)疏水降压工程。d)探放水工程。

5 底板突水现状

根据我国煤矿底板突水事故的特点、产生的原因及其矿井生产对底板突水安全防范技术的基本要求，煤矿底板突水所面临的问题如下：

1)寻求对新的采矿条件下底板突水机理的研究。近年来由于采深的加大，工作面尺寸的变化，工作面设备的机械化，经典的浅部开采经验公式已经不再适合现代矿井的建设与生产。

2)加强对新的采矿条件下，煤层隔水底板防突水效应的研究。由于地质构造的原因，石炭二叠纪的煤层直接形成于奥灰岩之上，随着现代矿井采深的不断加大，奥灰水的突出情况越来越严重，对矿井的建设与生产造成了极大的威胁。因此，传统的堵、截等被动防治方法已经不足以应对其危害。

3)从矿井生产安全角度看，地下水由于其含有巨大的能量而给生产带来了极大的安全隐患;从环境的角度看，一方面，矿井的开采建设忽视以致浪费了地下水巨大能量的利用价值;另一方面，矿井的开采建设极大地破坏污染了地下水系，使地下水水质变差，且水位大幅度下降。

6 结语

1)根据应力分布的不同，水平方向上可将底板分为三区，即超前支撑压力压缩区、稳压区、采空区压力压缩区;垂直方向上可将其分为五带，即采动破坏带、采动裂隙延伸带、完整隔水带、水压裂隙延伸带、承压水原始导高带。

2)地下水不同储水带、导水带间的径流、补给及排泄可用箱体模型加以解释。

3)运用能量的方法阐述了底板突水的机理。

［1］ 卫修君，邓寅生，郑继东，等．煤矿水的灾害防治与资源化［M］．北京：煤炭工业出版社，2003：45－47．

［2］ 虎维岳．矿山水害防治理论与方法［M］．北京：煤炭工业出版社，2005：101－103．

［3］ 徐建文，石伟良，王 飞，等．矿井突水综合防治技术［J］．煤矿开采，2010(4)：112－114．

［4］ 徐建文，李振雷，王 平，等．如何正确处理煤矿生产与矿井水资源之间的关系［J］．煤矿安全，2010(7)：127－130．

［5］ 彭苏萍，王金安．承压水体上安全采煤［M］．北京：煤炭工业出版社，2001：77－80．