煤矿底板采动诱发突水机理研究进展浅析

李乾龙++胡同旭++徐杨++马杭州++李洪涛

摘 要：针对煤矿底板采动突水严重威胁煤炭开采安全的这一灾害现象，总结分析了国外及国内针对底板突水的研究成果及其应用价值。总结了国内学者针对断层突水的研究现状，分析了断层突水的诱因及判别标准，指出断层突水问题的复杂性在于采动作用应力下含隐伏断层底板的渗流破坏规律，并展望和讨论了底板突水治理的核心难题和可能的出路。

关键词：底板；采动；突水；断层

中图分类号：TM914.4 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）01-0152-02

随着我国经济的发展，占我国能源主导地位的煤炭的消耗量不断增加，煤炭开采正逐渐向深度和广度上发展，而由此带来的水害事故也日趋严重。目前，全国煤矿遭受水害威胁的煤炭储量高达250亿吨，造成40%左右的煤炭資源难以正常开采，大大增加了生产成本[1]。近年来，突水事故造成众多安全事故，给煤炭工业造成了巨大的损失。

通过分析底板突水事故中的水文地质资料和突水原因，我们可以发现大部分的突水事故发生在回采工作面，并且断层突水占突水事故总数的80%以上，故断层突水成为了困扰煤炭安全生产的重大难题。学者们在断层与突水预测方面做了大量的研究工作，得到了断层突水相关规律，但对于在采动影响下断层活化、裂隙发育及突水通道的形成过程、突水模式和断层滞后突水机理方面，仍不够完善，需要做深入研究。

本文首先总结了国内外针对地板突水的研究进展，阐述了科研专家针对突水机理的研究和防治工作所作出的突出贡献，针对断层诱发底板突水这一突出问题，总结归纳了国内专家学者所做的主要研究工作，分析了断层突水的诱因及判别标准。深入研究采动作用下含隐伏断层底板的渗流破坏规律，可为承压水上采煤的突水机制分析及防治提供一些新的认识，对于解放受承压水威胁的煤层具有重要的意义。

1 底板采动突水研究进展

煤炭突水问题在煤炭开采过程中广泛存在。国外学者针对突水问题进行了大量的研究工作，100多年前，匈牙利的韦格·弗伦斯第一次提出了底板相对隔水层的概念，并建立了水压、隔水层厚度与底板突水的关系。原苏联学者B·斯列萨列夫将煤层底板视作两端固定的承压均布载荷作用的梁，并结合强度理论推导出底板理论安全水压值的计算公式。匈牙利和南斯拉夫等国学者提出相对隔水层厚度概念，并以此作为承压水上开采煤层底板突水与否的标准。C·F·Santos、Z·T·Bieniawski分析了底板的承载能力。

我国学者针对煤层底板突水的研究始于60年代初，在1965年焦作水文会战时提出了突水系数的概念，以此作为突水预测预报的标准，并且取得相关矿区的临界突水系数经验数据。70～80年代，煤炭科学研究总院西安分院水文所引用了“等值隔水层厚度”的概念对突水系数公式进行了修正，从而提高了预测精度。

自从改革开放以来，我国对于煤炭的需求量日益增加，使得煤炭开采规模和深度逐渐增加。与此同时，煤炭开采带来的突水事故也越来越严重。国内学者对采场底板突水机理做出大量深入研究，得到了一系列新的理论，主要包括：

（1）改革开放初期，李白英等于提出了“下三带”理论[2]，认为开采煤层底板存在“三带”：底板导水破坏带，完整岩层带和承压水导升带，其中完整岩层隔水带主要作用是保护阻隔底板，当底板含水带与底板导水带沟通时，就会发生突水事故。

（2）煤科总院王作宇、刘鸿泉[3]等人于90年代提出了底板移动的“原位张裂”与“零位破坏”理论。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以分为三段：超前压力压缩段、卸压膨胀段和采后压力压缩稳定段。该理论阐明了底板岩体移动的发生、发展、形成和变化过程，揭示了矿井突水的内因。

（3）由煤科总院西安分院水文所[4]于20世纪90年代提出了“岩-水应力关系理论”，通过分析采动矿压与底板承压水水压的关系，揭示了底板突水的过程及变化机理。

（4）钱鸣高、缪协兴[5]于20世纪90年根据底板岩层的层状结构特征，建立了采场底板岩体的KS理论。该理论认为，在采场底板岩层中存在一层强度最高的岩层作为底板的关键岩层，在采动矿压条件下，当关键层达到极限破断跨距时，煤层至含水层之间的其他岩层均已达到极限破断跨距。

（5）刘天泉、张金才[6]等人于90年代初提出了“薄板结构理论”。将底板隔水层带看作四周固支受均布载荷作用的弹性薄板，通过采用弹塑性理论求得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判别公式。

（6）中科院地质所于90年代后期提出“强渗通道”说[7]，该理论认为底板发生突水的关键因素是突水通道。分为两种情况：底板中存在固有的突水通道；及底板在采动作用下形成新的次生通道突水。

（7）21世纪初中科院的邵爱军[8]通过引入突变理论，分析煤矿底板系统能量的失稳变化，建立了预测矿坑突水尖点的突变模型。同时王连国、宋扬在此基础上通过引入突变理论，建立了煤层底板突水尖点突变模型。

此外，朱德仁等提出了底板突水准则与底板岩体破坏的工程准则应该是两个不同的概念。施龙青、肖洪天应用几何损伤力学理论研究了煤层底板损伤破坏突水机理。杨天鸿提出“采动压力和水压力扰动应力场诱发岩体破裂是矿山突水前兆的本质特征”这一学术思路。李连崇通过有限元数值仿真，揭示了开采扰动及水压驱动下完整底板由隔水岩层到突水通道的演化机制。

2 断层诱导突水研究进展

总结资料表明，断层引起的突水占突水总数的80%以上。前人在断层诱发突水方面利用新方法、新理论、新技术做了大量的研究工作来探讨煤层底板突水的机理及预测预报研究，得出了一系列有意义的结论和成果。

黎良杰、钱鸣高等[9]把断层分为张开型与闭合型分别对其突水机理进行分析，得出正断层更容易突水，张开型断层是是由于断层与承压水相互作用而引起，闭合型断层主要是断层两盘强度失稳。杨善安[10]总结分析断层在采空区的位置及要素与突水的关系，考虑开采方法，避免底板突水的发生。营志杰[11]根据煤层回采过程中的变形特征分析了断层渗透性，通过公式计算得出了合理断层防水煤柱宽度等数据。左建平、陈忠辉等[12]利用数字散斑相关方法DSCM及DDA模型试验证实了采动诱发断层附近发生了滑移错动，断层附近水平位移呈现出马鞍形；李青锋[13]指出当工作面推进方向与断层倾向相同时断层最易活化，断层的活化会破坏顶板，引起上覆岩失稳，从而导致导水裂隙宽度扩大。

国内学者的研究成果对于指导煤层安全生产起到了重要的作用。但由于断层突水问题本身的复杂性，还有很多问题例如小断层诱发突水机理研究等没有得到广泛深入的研究。因此，深入研究采动应力下含断层底板的渗流破坏规律，可为承压水上采煤断层的突水机制分析及防治提供一些新的认识，对于解放受承压水威胁的煤层具有十分重大的意义。

3 展望与讨论

前人虽然在大断层与突水预测方面已经做了大量的研究工作，对于大断层的理论成果普遍运用在实际生产中，并且得到了较好的效果。但是隐伏小断层本身的力学性质、导水特性以及产状要素等与大断层存在很大差异，在研究隐伏小断层突水时仍然沿用相同的理论进行分析显然是不合适的。因此研究含隐伏断层底板在工作面开采过程中底板岩层变形破坏、裂隙产生发育扩展演化规律、损伤区域的形成演化过程以及水头压力变化及渗流运移过程，以及对底板岩体由隔水层到导水通道的形成过程的影响作用尤为重要。

目前我国对煤矿底板突水已经有了非常广泛的研究，并取得了一系列成果，这些成果为煤炭工业提供了宝贵的理论依据。根据断层在底板突水中的影响作用，研究隐伏小断层本身的力学性质、导水特性以及产状要素对突水的影响，采动作用对隐伏小断层的活化及裂隙演化规律的分析，以及对底板岩体由隔水层到导水通道的形成过程的影响作用尤为重要。

参考文献：

[1]王作宇，刘鸿泉.承压水上采煤[M].北京：煤炭工业出版社，1993.

[2]肖洪天，张文泉，刘伟韬.煤层底板裂隙网络的生成[J].山東矿业学院学报，1997，16（1）：23-26.

[3]李白英.预防矿井底板突水的“下三带”理论及其发展和应用[J].山东矿业学院学报，1999，（4）：32-36.

[4]王作宇，刘鸿泉.煤层底板突水机制的研究[J].煤田地质与勘探，1989（1）：11-13.

[5]钱鸣高，缪协兴，许家林，等.岩层控制的关键层理论[M].江苏徐州：中国矿业大学出版社，2000，75-95.

[6]张金才，刘天泉.论煤层底板采动裂隙带的深度及分布特征[J].煤炭学报，1990，15（2）：46-55.

[7]尹万财.工作面底板突水因素分析及防治对策研究[J].中国煤田地质，1997，9（3）：26-27.

[8]邵爱军.煤矿地下水与底板突水[M].北京：地震出版社，2001.

[9]黎良杰，钱鸣高，李树刚.断层突水机理分析[J].煤炭学报，1996，21（2）：119-123.

[10]杨善安.采场底板断层突水及其防治方法[J].煤炭学报，1994，19（6）：620-625.

[11]营志杰.煤层渗透性变化规律在防水煤柱上的应用[J].江苏煤炭，1998（1）：31-32.

[12]左建平，陈忠辉，王怀文，等.深部煤矿采动诱发断层活动规律[J].煤炭学报，2009，34（3）：305-309.

[13]李青锋，王卫军，彭永庆，等.断层采动活化对南方岩溶突水影响研究[J].岩石力学与工程学报，2010，29（z1）：3417-3424.