底板突水理论

“国家大学生创新性实验计划项目”大学生科技创新基金（091029001）中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室2007年开放基金

（07KF04）

煤矿底板突水机理及“五带”理论

摘要：通过分析我国煤矿底板突水的基本特点，探讨了其底板突水机理，将煤矿底板突水划分为两大类型，即构造底板突水、工程扰动底板突水。从底板受力和破坏形式的差异出发，将底板分为“三区”和“五带”。运用箱体模型解释了地下水不同储水带、导水带间的径流、补给及排泄现象。

关键词：底板突水五带理论防治方法

Mechanism of water inrush from coal seam floor and the theory of five

bands

Cao Weikang Zhang Haijun Gao Pengfei Li Zhenlei (China University of Mining and technology, college Mining Engineering,

Xuzhou Jiangsu Province China 221008)

Abstract: Through the analysis of basic characteristics of water inrush from coal seam floor and the discussion of mechanism of water inrush from coal seam floor, water-inrush is divided into two types : water inrush from coal seam floor led by geologic structure and water inrush from coal seam floor led by engineering disturbence. According to the difference of the force of coal floor and failure forms, coal seam floor is divided into Three Districts and Five Bands. The Box Model can be established to explain the phenomenon of runoff ,supply and

excretion between different Water belts and water flowing fracture of groundwater.

Keywords: water inrush from coal seam floor ; the theory of Five Bands; Preventive method

0 引言

煤矿水与瓦斯、冲击矿压等灾害并列，是矿山建设与矿山生产过程中上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[5]。

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，如图1所示。

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]。

图1

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：

有四个水箱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[1]。

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，通过四个水箱可以看出四个储水带（带水通道）间的水位、径流及补给等关系。现以A、B、C、D为类分析其突水特点。

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（图2-1）；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（图2-2），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（图2-3），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（2-4），突水时破坏性很小。

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。

3.1 下“三区”和“五带”理论[4]

传统的下“三带”和“四带”理论，忽略了矿山开采活动中由于老顶的初次来压、周期来压、冲击矿压等一系列的矿压显现所引起的矿山岩体震动对裂隙的影响，因此这些理论有待于进一步丰富和发展。

在煤层开采中，受水压和矿山压力的共同影响，工作面底板根据其受影响的特点，在水平方向分为“三区”，垂直方向分为“五带”

1）水平方向上分布规律

离工作面前方20米左右（如图3），由于受超前支撑压力的影响，这一范围煤层底板整体呈现受压状态，这一区域称超前支撑压力压缩区；工作面至采空区一定范围内，由于顶板应力处于减压区范围内，所以底板卸压后处于膨胀状态，一般出现底板鼓起，这一区域称为稳压区；随工作面向前推进，采空区后方老顶逐渐破断，压实破碎岩石，煤层底板又处于压缩状态，这一区域称为采空区压力压缩区；煤层底板岩层在开采过程中都会经历压缩—膨胀—压缩的过程，从而破坏底板岩层的整体性、隔水性。一般在开采中稳压区底板突水的几率最高，因为这一区域底板呈现膨胀状态，张裂隙发育很快，对隔水层的破坏也极强，最易形成导水裂隙与含水层沟通，发生突水；压缩

区裂隙处于闭合状态，突水的几率相对小一些。

2）垂直方向上分布规律

工作面开采空间的应力通过周围煤体向煤层底板岩层中传递，随深度的增加显现的规律有一定的差别，通过分析将其从上至下分为“五带”（如图3）：采动破坏带（1h）、采动裂隙延伸带（2h）、完整隔水带（3h）、水压裂隙延伸带（4h）、承压水原始导高带（5h）。

采动破坏带：靠近煤层底板的岩层，主要受矿山压力的影响而形成的破坏裂隙带；

采动裂隙延伸带：位于采动破坏带和完整隔水层之间，在受到矿山震动或冲击的影响产生的裂隙带；是破坏带裂隙的二次发育；

完整隔水带：在底板岩层中相对情况下，其完整性、隔水性较好；主要受地质构造的作用，在结构面的剪切下形成一些较小裂隙；

水压裂隙延伸带：位于在完整隔水带和承压水原始导高带之间，在水压和矿山岩体的震动、冲击下形成的裂隙，是导水带裂隙对底板的初次破坏；

承压水原始导高带：在不受到矿山开采的影响下，承压水的发育高度；可分为Ⅰ、Ⅱ两部分，Ⅰ是破碎弱导水区，Ⅱ是含水强导水区（图3）；

3.2采动破坏最大深度（1h ）的计算[7]

1h ——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：

0r ——ab 的长度；

α——为r 与0r 之间的夹角；

由图可知，ψαtan 0??=e

r r ；}242{2）ψπ（αππθ-+--= θ

cos 1?=r h ； θcos ψtan α01??=?e r h ；

)2

4cos(20ψπ+=L r ；

)4

2cos(tan 01π－ψα＋ψα??=?e r h ； 若取01=α

d dh ，时即可求得最大深度。 0)42sin(tan )42cos(tan 0tan 01=?????=??π－ψα＋ψ－π－ψα＋αψαψα

e r e r d dh 即tan ψ=tan(α+4

2πψ-)； 得出(max)1h =ψψ

πψπθtan )24()24cos(2cos ?+?+?e L 3.3突水分析

3.31延伸带形成的机理[5]

采动裂隙延伸带和水压裂隙延伸带称“裂隙延伸带”。岩体受到外部应力扰动时，会沿其弱面产生裂纹，裂纹可分为张开型（Ⅰ）、滑开型（Ⅱ）、撕开型（Ⅲ）三类[13]，裂纹产生的同时伴有能量的产生，当裂纹扩展到某一深度时会达到一种稳定状态。在矿山开采活动中，老顶的初次和周期来压、冲击矿压等一些列矿山震动的影响下，裂纹的稳定状态被破坏，为达到新的平衡状态裂纹会在原有裂隙的基础上进一步延伸扩展，直到能量达到平衡为止；由于裂纹状态的这种稳定—不稳定—稳定的变化过程以及裂纹周围能量的平衡—不平衡—平衡的变化过程，此带岩体称“裂隙延伸带”。

3.32煤岩体地板裂纹产生及扩展的能量分析[6]

由热力学定理可知，系统为了保持平衡状态，自动处于低能量状态，当外界能量输入打破系统原有的平衡时，系统自发寻求该系统的薄弱环节而释放能量。当外界流入的能量大于系统所能承受的能力时，系统就会被破坏，

系统的这种失稳是从系统媒介内部的裂纹失稳开始的，在此对裂纹扩展延伸的能量分析[6]。

由裂纹成核原理可知，裂纹是由位错反应生成的，根据Cottrell 位错模型[15]，位错发生位错发应的应变能：

)4ln()1(4221C

R v b Gn U -=π 假定形成的新裂纹长度为C ，则新表面产生的自由能为：

C U γ22=

形成裂纹C 时，系统释放能量为：

G

C v U 8)1(2213σπ-= 裂纹扩展时尖端拉应力做功消耗的能量为： 214nbc

U σ=

则形成大位错所需能量为：

4321裂纹U U U U U +++=

式中：G 为岩体的抗剪强度；1σ为裂纹尖端拉应力；R 为发生位错的岩体边界，v 为岩体的泊松比；n 为位错数，b 为Burgers 量，C 为裂纹长度；γ为岩体的容重。

3.33发生突水的条件

底板突水发生的条件：

（1）是裂纹在隔水层岩层中的贯穿（如图3）；

（2）能量在隔水层岩层中的高度集中；

裂纹在隔水层岩层中的贯穿条件：

54321h h h h h H ++++< 隔水层岩层能量释放条件：矿震水压裂纹max U U U U ++<

—U max 隔水带岩层（3h ）破断之前所能承受的最大能量；

—U 水压由于水压产生的能量；

—U 矿震矿山开采活动中的一些列矿山震动所释放的能量；

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[2]。

首先是“防”，主要包括：

1）查明矿区充水条件、地下水补给条件和地质条件；

2）建立健全水文地质动态观测系统；

3）改进完善矿井防排水系统；

4）地面修筑防排水工程，防渗堵漏；

5）优化开采设计、改变采煤方法；

6）合理留设防水煤柱；

7）构筑放水闸门，分区隔离开采

然后是“治”，包括：

1）利用底板隔水层带压开采

2）注浆工艺的合理选择与利用

3）疏水降压工程

4）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。

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。

参考文献：

[1]卫修君,邓寅生,郑继东等.煤矿水的灾害防治与资源化.北京:煤炭

工业出版社

[2]虎维岳，矿山水害防治理论与方法。北京煤炭工业出版社，2005

[3]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

[4] [英]B.R.，[英]T.R.. Fracture of brittle Solids. Cambridge

University Press

[5]埃沃尔兹，汪希尔著。朱永昌译。断裂力学。北京航空航天大学出

版社。1988

[6]吴孔军.矿井突水模拟及机理分析研究.黄河水利出版社

[7]钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制.徐州:中国矿业大学出版社

作者简介:张海君男 1988年出生中国矿业大学07级在读本科生徐州 221008