外国煤矿防治水研究现状论文

底板突水机理研究

(1)底板相对隔水层

尽管岩溶地层的分布面积占世界大陆面积的1/4，但由于地质条件及煤层赋存状态的差异性，世界上一些产煤大国(如美国、加拿大、澳大利亚、德国、英国等)一般都不存在煤矿开采过程中的底板突水问题，只有一些少数国家在煤矿开发中不同程度地受到底板岩溶水的影响。由于国外煤矿开采已有100多年的历史，因此对底板突水的研究也是率先进行的。早在20世纪初，欧洲的一些学者就注意到煤矿开采过程中底板隔水层的作用，并从若干次底板突水资料中认识到，只要煤层底板有隔水层，突水次数就少，突水量也小，隔水层越厚则突水次数及突水量越少。

20世纪40～50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，煤层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的情况下，开采过程中基本不突水，而80%～88%的突水都是相对隔水层厚度小于此值。由此，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。这期间苏联学者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。

20世纪60～70年代，匈牙利国家矿业技术鉴定委员会将相对隔水层厚度的概念列入《矿业安全规程》，并对不同矿井条件做了规定和说明。苏联、南斯拉夫等国的学者也开始研究相对隔水层的作用，包括采空区引起的应力变化对相对隔水层厚度的影响，以及水流和岩石结构关系等。

20世纪70～80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。其中最有代表性的是桑托斯、宾尼威斯基。他们基于改进的Hoek-Brown岩体强度准则，引入临界能量释放点的概念分析了底板的承载能力。

(2)“下三带”理论

“下三带”的理论观点最早是在20世纪80年代初由山东科技大学(原山东矿业学院)荆自刚、李白英在实践中提出的，并由以李白英为代表的一批科研人员在实践中进行应用和发展。该理论认为，开采煤层底板也像采动覆岩一样存在着三带(图)，即:采动底板破坏带(Ⅰ)，完整岩层带(Ⅱ)，承压水导高带(Ⅲ)。

图开采煤层底板“三带”划分模型示意图

第Ⅰ带:“采动底板破坏带”(h1)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“底板破坏深度”。底板破坏带包含有层向裂隙带和竖向裂隙带，它们相互穿插无明显界线。层向裂隙主要是底板受矿压作用，底板经压缩膨胀压缩，产生反向位移所致;竖向裂隙主要是剪切及层向拉力破坏所致。该带的厚度受多种因素影响，但主要受采面斜长的影响，并给出了经验公式。

第Ⅱ带:“完整岩层带(或保护层带)”(h2)是指底板岩层保持采前的完整状态及其阻水性能的部分。它包含以前所谓“采动底板破坏影响带”中的下部影响带以及未变形部分，其共同特点是保持采前岩层的连续性，其阻水性能未发生变化。

第Ⅲ带:“承压水导高带(或隐伏水头带)”(h3)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(即由含水层顶面到承压水导升上限之间的部分)。有时受采动影响，采前原始导高还可再导升，但上升值很小，由于裂隙发育的不均匀性，故导高带的上界是参差不齐的。不同的矿区，因其底部岩层性质及地质构造差异，承压水原始导高大小不一，有的矿区也许无原始导高带存在。

(3)原位张裂与零位破坏理论

由煤炭科学研究总院北京开采所王作宇、刘鸿泉等人于20世纪90年代初提出。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)、卸压膨胀段(Ⅱ段)和采后压力压缩稳定段(Ⅲ段)(图)。

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张裂。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，围岩的储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撑压力是引起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。

图 底板岩体的原位张裂与零位破坏示意图

(4)薄板模型理论

煤炭科学研究总院北京开采所刘天泉、张金才等从力学分析角度出发，于20世纪90年代提出了底板岩体“两带”的模型，即底板岩体由采动导水裂隙带及底板隔水带组成。该理论引用断裂力学工型裂纹的力学模型，求出采场边缘应力场分布的弹性能，并应用Comulomb-Mohr破坏准则及Griffith破坏准则，求出矿山压力对底板的最大破坏深度。而对隔水带的处理是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的计算公式。这种模型前半部分，即对导水裂隙带的处理，尽管十分简化，但所得的弹性解还是能揭示矿压对底板破坏规律的，如果将岩体损伤特征考虑进去就会较为接近底板岩体的实际情况。模型的后半部分对隔水带的处理不仅在理论上立足点不对，而且与工程实际相差甚远。首先，薄板理论的前提是厚宽之比小于1/5～1/7，模型中的底板隔水带一般是不能满足这一条件的。其次，模型中认为煤层底板除了采动导水裂隙带，剩余的岩层便是隔水带，与现实不符。因此，这种模型在实际生产中很难推广和应用。

(5)“强渗通道”说

由中国科学院地质研究所于20世纪90年代提出。该理论认为底板是否发生突水关键在于是否具备突水通道。这分为两种情况:其一，底板水文地质结构存在与水源勾通的固有突水通道，当其被采掘工程揭穿时，即可产生突破性的大量涌水，构成突水事故;其二，底板中不存在这种固有的突水通道，但在工程应力、地壳应力以及地下水共同作用下，沿底板岩体结构和水文地质结构中原有的薄弱环节发生形变、蜕变与破坏，形成新的贯穿性强渗通道而诱发突水。前者属于原生通道突水，后者属于再生或次生通道突水。该理论重视了地质构造(包括断层和节理)这一薄弱面对突水的影响，但对采动和水压对其产生的影响，尤其采动矿压的作用缺乏应有的研究。

(6)“岩水应力关系”说

该学说由煤炭科学研究总院西安分院于20世纪90年代提出。该学说认为底板突水是岩(底板砂页岩)、水(底板承压水)、应力(采动应力和地应力)共同作用的结果。采动矿压使底板隔水层出现一定深度的导水裂隙，降低了岩体强度，削弱了隔水性能，造成了底板渗流场重新分布，当承压水沿导水破裂进一步浸入时，岩体则因受水软化而导致裂缝继续扩展，直至两者相互作用的结果增强到底板岩体的最小主应力小于承压水水压时，便产生压裂扩容，发生突水。其表达式为:I=Pw/z(式中:I为突水临界指数，Pw为底板隔水岩体承受的水压;z为底板岩体的最小主应力)。当I<1时不会发生突水，反之则发生突水。该学说综合考虑了岩石、水压及地应力的影响，揭示了突水发生的动态机理，但对采动导水裂隙带及承压水的再导生以及岩体的抗张强度等问题却未得出定量结论。

(7)关键层理论

中国矿业大学钱鸣高院士根据底板岩层的层状结构特征，于20世纪90年代中期建立了采场底板岩体的KS理论。该理论认为，煤层底板在采动破坏带之下，含水层之上存在一层承载能力最高的岩层，称为“关键层”(图)。

图 采场结构和关键层示意图

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抑制突水中的作用，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“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;而且在底板为多层岩性层的情况下，究竟应将哪一层岩层作为关键层，在实践中往往不易掌握。此外底板突水与否决不仅由关键层所控制，而且还由一些承载能力不很强，但阻水性能好的岩层所控制，理论模型与实际地质环境相差较远。

(8)“下四带”理论

该理论于21世纪初由山东科技大学施龙青提出。图所示为开采煤层底板“四带”划分理论，即“下四带”理论的模型，它将开采煤层底板自开采煤层底板的顶到含水层之间的岩层划分出4个组成带:矿压破坏带(Ⅰ)、新增损伤带(Ⅱ)、原始损伤带(Ⅲ)、原始导高带(Ⅳ)。下面从力学性质和隔水能力方面阐明各带的基本特征。

图 开采煤层底板“四带”划分模型图

第Ⅰ带(h1):“矿压破坏带”是指矿山压力对底板的破坏作用显著，底板岩石的弹性性能遭到明显伤失的层带。其特点为:岩石处于黏弹性状态;各种裂隙不仅交织成网，而且贯通性好、导水性能很强;岩层的连续性彻底破坏，完全丧失了隔水能力;承压水沿该带突出所消耗的能量仅仅用于克服突水通道中的沿程阻力。

第Ⅱ带(h2):“新增损伤带”是指受矿山压力破坏的影响作用明显，岩石弹性性能发生了明显改变的层带。其特点为:底板岩层的原有抗压强度明显降低，但岩层的弹性性能尚未完全丧失，即岩石仍处于弹性状态;岩层的原有裂隙得到了明显地扩展，但尚未相互贯通;岩层具有一定的连续性和隔水能力;承压水要沿该带突出，其消耗的能量主要用于贯通裂隙。

第Ⅲ带(h3):“原始损伤带”是指不受矿山压力破坏作用的影响或影响甚微，岩石弹性性能保持不变的层带。其特点为:岩石保持原有弹性性能;岩层内的裂隙保持原先的非相互贯通状态;岩层的连续性和隔水能力良好;底板水要沿该带突出，其消耗的能量主要用于破坏岩石及贯通裂隙。

第Ⅳ带(h4):“原始导高带”是指不受矿山压力作用的影响，并发育有承压水的原始导高的层带。其特点为:因水化学作用，岩石处于弹塑性、塑性状态;裂隙发育参差不齐，并已成为突水通道;岩层的连续性差;底板水从该带突出只需克服沿程阻力。

该理论的力学基础是损伤力学与断裂力学理论，在各带厚度计算公式推导方面采用了较为复杂的理论研究，因此在一定程度上限制了所得公式的现场推广与应用。如何进一步提高该理论的实用性还有待于不断探索和研究。

底板突水预测评价

(1)突水系数法

从1964年焦作矿区水文地质大会战中煤炭科学研究总院西安分院提出突水系数的概念后，一直以其作为预测评价底板突水与否的标准。即:

煤矿底板岩溶水水害防治的理论与实践

式中:Ts为突水系数;P为含水层水压，MPa;M为隔水层厚度，m。

20世纪70～80年代，突水系数的表达式经两次修改后确定为:

煤矿底板岩溶水水害防治的理论与实践

式中:Mi为隔水层第i层厚度，m;ai为隔水层第i层等效厚度的换算系数;CP为矿压对底板的破坏深度，m。

公式()于1984年被煤炭工业部写入《矿井水文地质规程》，2000年被国家煤炭工业局编入《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，成为指导现场技术人员评价底板突水的依据。

由于当煤层底板与承压水含水层水头的空间位置确定后，突水系数就是一个定值，它与隔水层的阻水性能、岩性、地层结构、采煤方法、矿床充水、含水层的富水性和水动力学特征等重要的因素没有直接关系，也就是说，突水系数所包含的和反映的地质、水文地质及其他有关的信息量不够，在利用突水系数临界值判别底板突水与否，所得结果尚欠缺完整性。

(2)多元信息耦合法

根据多年来大量突水案例的分析，煤矿带压开采煤层底板突水的主控因素有充水含水层、底板隔水岩段防突性能、地质构造、矿压破坏发育带和导升发育带等。为此，更加有效地利用多元信息，提出具有复杂形成机理的非线性动力现象的数学模型和评价方法，是提高底板突水的危险性预测的关键所在。

随着地理信息系统(GIS)技术的发展，其强大的空间数据统计分析处理功能线性、非线性数学方法的耦合技术成为了近年来底板突水的危险性预测的主要方法。

该方法以多源信息集成理论为指导，以GIS为操作平台，在煤层底板突水主控因素分析确定基础上，经过数据采集、分析和处理，建立各主控因素的子专题层图;应用多源地学数据复合叠加原理，采用泛决策分析方法(如ANN、证据权重法、Logistic回归、AHP等)，通过模型的反演识别或学习训练，确定出煤层底板突水的各主控因素对复杂突水过程的“贡献”或“权重”，建立煤层底板突水预测预报评价模型;然后根据研究区各单元计算的突水脆弱性指数频率直方图分析，合理确定突水脆弱性分区阈值，最终对煤层底板突水脆弱性作出科学的区划和预测预报评价。

(3)数值模拟方法

数值模拟方法是利用刻画地下水系统空间结果和水力特征的数学模型作为工具，以数字模拟方法为手段定量分析、评价、预测地下水系统的水文地质条件、参数结构、行为规律及其在扰动条件下的变化与响应。

数值模拟方法较其他评价方法来说，能比较全面地刻画含水层的内部结构特点和模拟处理比较复杂含水层系统边界及其他一般解析法难以处理的水文地质问题。

国内有许多学者运用数值方法来研究底板采动应力分布。凌荣华等(1991)在此基础上进一步研究了煤层底板突水机理，他们通过对底板岩层的三维应力数值模拟，分析了底板岩层的采动效应，总结出底板应力变化的一系列规律，为煤层底板突水机理的研究提供了新的方法。

底板突水防治措施

自20世纪70年代以来，国外矿井防治水技术有了很大发展。含水层预先疏干降压法逐渐代替了被动排水，在矿井防治水发展中占主导地位。围绕疏干降压防治水方法，相相继发展了相应的钻探、排水新技术，如潜水泵的扬程可达35～1000m，排水量达126～5000m3/h。值得称道的是国外疏干工作正在逐渐采用计算机自动控制，这使疏干的效果大大提高了一步。另外，由于矿井排水成本越来越高，一些国家开始试用堵水截流的防治水措施。

总之，国外矿井防治水方法比较单一，主要采用地面管井疏干降压，堵水截流只作为一种辅助措施。学者及专家普遍认为，在生产阶段，注浆堵水不能代替排水。如美国认为，即使在岩溶矿区，也只有少数矿井可采用堵水截流的防治水方法，多数仍需疏干降压。

我国的矿层埋藏条件复杂，针对不同类型矿井的防治水方法多种多样，有疏有堵，在一定条件下可疏、堵结合。疏干降压的方式有地表疏干，也有井下疏干。某些条件下，地表和井下可联合疏干降压。在注浆堵水方面，既有矿山局部工程处理和淹井事故处理，也有大型防渗帷幕注浆工程。根据近几年研究成果，排水、供水、环境保护三位一体结合不仅可以解决排、供、环保三者之间日益严重的矛盾和冲突，而且也是一项十分有效的矿井防治水技术。

但是，究竟在什么条件下应采用疏干降压，什么条件下应采用堵水截流，什么条件下应采用排、供、环保三位一体结合?以往的回答都建立在定性分析的基础上。一般认为，充水通道对矿井涌水量影响较小时，直接采用疏干降压;若矿井涌水量主要受充水通道的控制，则应堵截充水通道。然而，如何定量研究充水通道的具体空间展布和充水强度，以及充水通道对矿井某开采水平的总涌水量影响大小等问题，一直未能得到较好的解决。结果造成有时堵的通道不准，花费巨资，收效甚微;有时所堵通道充水量不大，效果不明显。

随着超化煤矿开采水平的延深，煤层底板承受的水压不断增大，只有密切结合生产，开展高压水上开采技术研究，加强防治水专项科学技术研究，才能不断提高防治水技术水平和效率，保证煤矿安全生产。

在矿井当前生产的块断，即-100～-300m之间，地质构造相对简单，远离大型断裂构造，有利于进行必要的防治水技术研究，以便取得经验，推广应用于后续块断。根据超化煤矿矿井水文地质条件研究现状和矿井防治水需要，应尽快开展“超化煤矿高压水上综合防治水安全开采技术研究”。主要研究内容包括：

1）太原组薄层灰岩含水层的渗流场研究，包括含水层的富水性；含水层的渗流场分析；薄层灰岩水与奥陶系灰岩水的水力联系。目标是了解太原组薄层灰岩含水层的水文地质条件。

2）超化煤矿二1煤层底板隔水层阻水性能研究，包括底板隔水层有效厚度变化规律；底板隔水层的阻水系数确定；底板隔水层的强度分析。目标是确定隔水层的有效厚度及阻抗强度。

3）超化煤矿二1煤层底板突水机理研究，包括渗流场和应力场耦合作用（岩水耦合作用）；煤层底板应力场分析及其对底板岩体的破坏作用；底板突水机理的相似材料模拟。目标是建立底板突水模型。

4）超化矿深部采区煤层底板突水的预测和预防技术研究，包括煤层底板突水前兆的监测方法；煤层底板突水的预测预报方法；煤层底板突水的预防措施。目标是探索底板突水的预测预报和预防方法。

防治水专项技术研究最终目标是形成一套适合超化煤矿二1煤层开采的水害防治、探测及治理综合技术，确保矿井生产安全、高产、高效，并为矿井深部受水威胁煤炭资源开采形成水害防治综合配套技术，即矿井、采区和工作面水文地质条件探查配套技术；带（水）压安全开采和疏干降压综合配套技术；工作面底板突水监测和预报综合配套技术；注浆堵水以及改进开采方法，减少底板破坏综合配套技术。