底板突水理论浅析
浅析断层构造突水机理及防治措施
2011-02-27 10:01浅析断层构造突水机理及防治措施浅析断层构造突水机理及防治措施作者徐睿屠世浩郑西贵摘要：总结了断层突水特征，根据突水机理的不同将其分为直接突水和间接突水，并分析了其中的影响因素及影响机制。
最后，基于突水的3个条件所属的不同范畴从水文地质和采动力学等几个方面来阐述防治措施，并结合我国一些突水实例进行探讨。
关键词：断层：突水机理；裂隙；突水特征；防治措施1 概况煤矿突水是威胁矿井安全生产的主要因素之一，据统计，近30 a间我国发生过200多起淹井事故。
我国煤矿水文地质条件比较复杂，但引起突水事故的主要是底板奥灰岩溶水。
目前，我国受底板岩溶水威胁的矿井高达222处，有51对矿井随时都有突水的可能，随着开采水平的延深，煤层受底板含水层的威胁越来越大。
从目前各矿区突水的统计资料来看，约80%的突水事故是由于断层引起的，其他的突水事故也可能是由于隐伏断裂引起的，所以，煤矿底板的突水问题实质上是断层的突水问题，分析和研究在各种情况下的断层突水机理，对矿井安全生产有十分重要的意义。
2 煤矿断层突水特征(1)大多数突水位置为正断层的上盘。
因为在正断层的上盘开采时，产生的矿山压力通过煤柱作用在断层面上，使断层带裂隙产生剪切运动，而下盘开采产生的矿山压力通过煤柱作用在下伏岩层上，对断层面没明显的影响。
(2)断层的交汇处或尖灭端易突水。
断层的交汇处和尖灭端是应力集中的地段，由于应力集中，导致裂隙发育，易于突水。
(3)小断层密集带也是易发生突水的部位。
主断层派生的次级序次的小断层成群出现时，裂隙发育，有利于导水通道的形成，同时因与主断层构造联系，易诱发突水。
(4)2条及其以上的近距离平行的正断层的上盘易突水。
由于断层之间的岩层受断层的错动影响，岩石破碎，裂隙发育，断层带较宽，对隔水底板破坏范围较大，因而易突水。
(5)同一条断层愈往深部愈易发生突水。
(6)采空区周边断层或小断裂地段的岩层易发生底胀突水。
煤层底板＂下三带＂突水防治措施探析
导 升带是 指含 水层 中的承压水 沿 隔水层 底部 裂
隙导升 的上 限与含 水 层 顶 面之 间 含水 部 分 的 岩体 ．
其 厚度 为 ｈ 。 沿 煤层 走 向做 一 剖面 ，采煤 工作 面底板 “ 下 三 带” 的分布 如 图 １ 所示 煤 层至底 板含 水层 之 间的底 板 总厚 度 Ｈ＝ ｈ ＋ ＋ ， Ｌ为采空 区的采顶 距
煤层 开采 时底 板的破坏厚 度 。在 导水破坏 带岩层 中 ，
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１ ． １ 第 ｌ 带： 底板 采 动导水 破坏 带
在 采 动 矿压 的作用 下 ． 导水 破 坏 带底 板 岩 层 的
连 续 性 和稳 定 性 遭 受 破 坏 。导 水 性 发 生 明显 的改 变 。其 中 ． 层 面裂 隙 和竖 向裂 隙将 会直 接遭受 破坏 ， 且节 理 间相互 穿插 ， 无 明显 界 限。该带 的厚度 （ ｈ ） 为
第 ２ ９卷 第 ３期
２ ０ １ ７年 ７月
黄 河 水 利 职 业 技 术 学 院 学报
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｙｅ ｌ ｌ ｏ ｗ Ｒｉ ｖ ｅ ｒ Ｃｏ ｎ ｓ ｅ ｒ ｖ ａ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ
中图分 类 号 ： Ｔ Ｕ ４ ５
文献标 识码 ： Ｂ
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． １ ３ ６ ８ １ ／ ｊ ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． ｃ ｎ ４ １ — １ ２ ８ ２ ／ ｔ ｖ ． ２ ０ １ ７ ． ０ ３ ． ０ １ ０
底板突水预测预报理论及技术
层或 多层小 的独立 、稳定 的含水层 ；由于原生地质构造或 采动破 坏产 生的导水裂缝 带的存在或 出现 ， 使这些独立含水层可能沟通 ，发生水力联系 ，并在上覆 小的含水层 中形成 补给水压 的水力梯度 变化 ， 这恰恰可 以成为底板突水 的预测预报标志。据此建 立 了底 板突水预 测预 报理论 ，并将研 究的预测预报 的实施技术在霍州煤 电集 团团柏煤矿进 行 了成功实践。 ［ 关键词】 底板奥灰；导水构造；无炭 柱；突水 ；预测预报 ； ［ 中图分类号］Ｔ ７５ ２ Ｄ ４．１ ［ 文献标识码 ］Ｂ ［ 文章编号 ］１０ －２５ （ ０７ ３０ ７ ４４ ０ ６６ ２ ２ ０ ）０ － ５ ） ０
Ｐｒ ｖ ｎｔｏ ｎ ｒ ｃ ｓ ｅ ｒ ｎ ｃ ｏ ｏ ｙ ｏ ｏ ｒ 、 ｔｒ Ｂｕ ｓ ｉ ｅ ｅ ｉ ｎ ａ ｄ Ｆｏ ｅ ａ ｔＴｈ ｏ ｙ ａ ｄ Ｔｅ ｈｎ ｌ ｇ ｆＦｌ ｏ ｖａ ｅ ｒ ｔｎｇ
团柏 煤 矿 是 山 西 霍 州煤 电 集 团公 司 的 主力 煤 矿 ，开 采煤 层 为 ｌ ９ ，１ ｌ ，２ 和 ０ ，ｌ ，共 ５层 ， 其 中下 组 ９ ，１ ｌ ０ 和 ｌ 层 的 煤 炭 储 量 占井 田 总 煤 储 量 的 ８． ％ 。下组煤 层开 采受 到 Ｋ 灰 岩 和 中奥 ３９ ： 陶系灰 岩含 水层 突水 威 胁 ，其 中 Ｋ 灰 岩 是 下组 煤 ： ９煤层 的直接 顶 板 ，但 Ｋ ：灰岩 为 薄 层 灰 岩 ，含 水 弱 ，对下 组煤 层开采 不 构成威 胁 ，而奥 陶系灰 岩 为 厚层 灰岩 ，岩 溶发 育 为强 含 水性 。团柏 井 田 内 ｌ ０ 煤层 距奥 陶 系 灰 岩 平 均 间距 为 ３ ． ｍ，ｌ 煤 层 距 ５３ Ｊ 奥 陶系灰 岩 间距 平均 为 ２ ．ｍ，由于 间距小 ，当开 ６０ 采 深 度很大 ，奥 灰水 压超过 隔水 层抗 压强度 时 ，便 会发 生底板 突 水 。 由于下 组煤 开采将 会受 奥灰 水或 受 由奥灰水 补 给 的石炭系 灰 岩水 的水害影 响 ，因此 ，研究 下组煤 承压 水上开 采在 团柏 矿显得 十分 必要 ，不仅 能使 下 组 煤层 安 全 开采 ，又 能 延 长矿 井 服 务 年 限 ，并且 ， 其 研 究成果 可 以为我 国其他 类似 条件煤 矿 的带压 开 采 提供 有效 途径 和经验 。 １ 带 压开 采突水 的 区域 性监 测理 论与 方法 １ １ 底 板 岩层水 力 学特性 与含水 层水 力联 系分析 ． 研 究带 压开采 突 水的监 测理论 及其 技术 ，主要 是搞 清底板 岩层力 学特 性及 其水力 学特 性 ，目前最
煤层底板突水机理的初步探讨
煤层底板突水机理的初步探讨1、以位于永夏煤田的新桥井田为例，系统总结了研究区煤层底板的水文地质结构特征以及水文地质条件的区块化特征，阐明了底板岩层厚度、岩层强度（含岩性）以及岩层组合关系的空间差异性。
2、提出了研究区底板水文地质结构的“三层段”划分方法，并以此将研究区煤层底板隔水层划分成四类结构模型；在此基础上，探讨了岩层厚度、岩层强度（含岩性）以及岩层组合关系对底板采动破坏及阻隔水能力的定性与定量影响。
3、基于底板岩层的抗破坏能力（强度比值系数）、阻隔水能力（质量比值系数）以及隔水层厚度等关键因素，提出了综合反映底板岩层结构组合关系的“结构比值系数”概念以及底板阻隔水能力的定量计算与评价方法，为定量评价煤层底板的阻隔水能力奠定了方法基础。
徐智敏，男，1981年6月生，四川简阳人，中共党员，副教授，博士生导师，中国矿业大学水文与水资源系主任。
主持国家自然科学基金项目2项、国家“973”计划项目子课题1项、国家重点研发计划项目子课题2项、企业横向课题25项。
在国内外学术期刊上发表论文40余篇（SCI、EI检索20余篇），授权国家发明专利5项，获省部级科技进步奖12项，出版专著3部。
研究方向矿井水害防治、地下水科学与工程、矿井水污染防控理论与技术主要成果长期从事矿井水害监测预报与防治方面的基础理论与实践研究，尤其在西部矿区含水介质条件与水动力学特征、西部干旱半干旱矿区水资源保护性开采、大型地表水体下采煤、高承压底板水上采煤、闭坑矿井水害形成机制与绿色关闭等方面取得了诸多创新性成果，获得多项专利，发表多篇高水平论文，为我国煤矿的安全、高效生产以及“绿色闭坑”提供了有力的水文地质技术保障。
主持的“衰老矿区松散含水层下残煤资源安全回收上限关键技术与应用”获2021年度中国煤炭工业科技进步一等奖。
底板水的防治
底板水的防治
1
• 一、底板突水因素分析、预测
2
3
• 工作面周围支承压力分布特征：
4
5
• 1.“下三带”水文地质特征
• 矿压破坏带——裂隙发育，无隔水作用。 该带的厚度即为“底板破坏深度”。
• 划分：安全区、过渡区和突水危险区。
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• 安全区： t安＞t实 • 过渡区： t安≈t实
• 危险区： t安＜t实
20
• 2.采掘过程中的突水预测
• (1)钻探方法
• (2)物探方法 • (3)突水征兆观测法 • (4)水化学分析法
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• 【实例】某矿砂岩裂隙水与灰岩岩溶水水质 有明显差异。 • 煤层顶板砂岩裂隙水中Na++K+高，Ca2+、Mg2+、 SO42-低；底板灰岩水中Na++K+低，Ca2+、Mg2+、 SO42-高。 • 某天该矿井下1503掘进工作面揭露一断层， 出现小突水。
• ⑴改造含水层为隔水层，增加隔水层厚度
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• ⑵井下隔水层破碎带注浆加固措施
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• 【实例】某矿21021工作面底板注浆加固工程
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• 底板注浆加固工程概况
• 21021工作面底板注浆加固工程，共施工 注浆孔12个，检验孔2个。 • 1号孔：注浆量约1751m3
• 4号孔：注浆量为944m3 • 其余钻孔注浆量较小，但终孔注浆压力 均达到了设计标准。
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• 3.利用隔水层带压开采
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底板承压水上断层突水的力学分析
网络 出版 地 址 ： ｈ ｔ ｔ ｐ ： ／ ／ ｗ ｗ ｗ ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． ｎ ｅ ｔ ／ ｋ ｃ ｍｓ ／ ｄ ｅ ｔ ａ ｉ ｌ ／ ５ ０ ． １ ０ ６ ２ ． Ｔ Ｄ． ２ ０ １ ３ ０ ７ ２ ２ ． １ ０ ２ ９ ． ０ ０ ４ ． ｈ ｔ ｍｌ
Ｍｅ ｃ ｈａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ａｎａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｎ Ｆａ ｕ ｌ ｔ Ｗ ａ ｔ ｅ ｒ Ｉ ｎ ｒ ｕｓ ｈ ａ ｂｏ ｖ ｅ Ｆｌ ｏ ｏ ｒ Ｃｏ ｎｆ ｉｎ ｅ ｄ Ａｑ ｕｉ ｆ ｅ ｒ
ＰＡ Ｒｕ ｉ Ｍ ＥＮＧ Ｘｉ ａｎ ｇｒ ｕ ｉ Ｇ ＡＯ ＺＨａ ｏ ｎ ｉ ｎ ｇ
（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆＥ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ ａ ｎ ｄ Ｓ ａ ｆ ｅ ｔ ｙ ， Ａ ｎ ｈ ｕ ｉ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆＳ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｈ ｕ ａ ｉ ｎ ａ ｎ ２ ３ ２ ０ ０ １ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
文章编号 ： １ ０ ０ ８ — ４ ４ ９ ５ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ４ — ０ ０ １ １ — ０ ５
底 板 承 压 水 上 断 层 突 水 的 力学分 析
潘 锐， 孟祥瑞 ， 高召宁
（ 安徽理 工大学 能源与安全学院 ， 安徽 淮南 ２ ３ ２ ０ ０ １ ）
摘要 ： 针 对底板 承压 水 上 断层 的受 力特 征 ， 建 立 了简 化 的力 学模 型 ， 根 据 弹 性力 学得 到 了 断层 面上 正应 力和 剪应 力 的解析 公 式 ， 并 对 断层倾 角 、 工作 面推 进距 离这 两个 因素 影 响下 的断 层面 上 的 剪应 力 变 化情 况进 行 了详 细 的分 析 ； 基于 隔水 关键 层理 论 ， 对 断层 影 响 下 的临 界水 压 进 行 了公 式推 导 ， 分析 了临 界 水 压 随断层 倾 角 的变化 情况 。结果 表 明， 断层 面上 的 剪应 力峰 值 在 ≤６ ０ 。 时是时是 随着 倾 角增 大 而减 小 的 ； 随 着工 作 面 向断层 推进 ， 剪 应力 峰 值 也逐 渐 向浅 部 转 移 。临
煤矿开采过程中底板突水及防治措施
煤矿开采过程中底板突水及防治措施摘要：防治水工作在煤矿采煤过程中非常重要。
其危害性仅次于瓦斯突出事故，针对存在水患矿井，必须坚持“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的原则进行探放水，如果要想预防矿井底板突水，首先要弄清矿井底板突水的机理和原因，其次弄清矿井水分布特征以及突水的主要影响因素，从而进行防治。
关键词：煤矿开采；底板突水；防治引言：文章主要针对我国煤矿开采过程中出现的底板突水问题为切入点，重点提出了详细的防治措施，希望能够给相关人士提供重要的参考价值。
1.煤矿开采过程中底板突水机理、原因及防治措施我国某地区煤田的煤炭资源正在日趋紧缺，而国内建设对矿产资源的需求逐年增加。
其中的石炭—二叠系煤田，煤层厚度相对稳定，煤质资源优良，为缓解该煤田资源匮乏，尽最大可能多地进行开采，该区域矿井将逐步向深部延拓，更要开采受水威胁较为严重的下组煤，尤其矿井开采受底板灰岩裂隙岩溶水的威胁较为严峻，因此弄清该煤田区域矿井水分布特征以及下组煤底板灰岩富水性与突水机制是必须要去做的。
1.1矿区综合水文地质特征太原组灰岩自北向南含水性由弱到强，华北断块内黄淮平原新生界松散沉积层下部的河流相和山麓冲积相砂砾含水层，是矿井充水的重要水源。
石炭—二叠纪煤系的基底基本是中奥陶统碳酸盐岩，寒武奥陶碳酸盐岩是区域富水性最丰富的含水层，其是造成矿井水危害的主要水源之一。
下伏本溪地层，下段为页岩、砂岩、砂质页岩，底部为粘土层，其具有隔水性；中间部分厚层页岩夹着砂岩，也具有相对隔水；上段为砂岩、灰岩及砂质页岩。
综合分析认为：该采场的矿床为多层含水层以及立体充水地质结构，分别存在于以下含水层：（1）中奥系含水层组：溶蚀裂隙发育以及原始节理，其承压水头高，富水性强，该含水层是上覆煤层开采隐患较多的底板突水水源。
（2）煤系含水层组：具有地表水体补给或强含水层的群岩溶含水层，厚层状的砂岩裂隙充水层，一般都具有高承压的水头，易造成突水事故。
矿井断层带底板突水机理及防治措施研究
1 底板突水基本因素
影响底板突水的因素主要包括：地质构造（主要 指断层构造），矿山压力，隔水层，承压水和采矿活动， 而突水灾害的发生，往往是以上几种因素的组合。 1.1 地质构造
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若 取 ： 时 即可 求 得最 大深 度 。 ｏ
ｃｈ ｌ ，
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 ” ： 采 动破 坏 带 （ ． ｈ ）：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 （ ｈ ）：位 于 采 动 破 坏 带 和 完 整 隔 水 层 之 间 ，在 受 到 老顶 周 期来 压 、矿 山震 动 或 冲击 的影 响 ，采 动 应 力场 应 力 向深 部岩 层 延 伸 ，引 起 采 动破 坏 带 裂 隙场 裂 隙 向下 延 伸 ；是 破 坏 带裂 隙 的二 次发 育 ； 完整 隔水 带 （ ｈ ）：在底 板 岩 层 中 ，其 完 整 性 、隔 水性 相 对 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 ；其 厚度 和强 度直 接影 响底 板 突水 ； 水 压 裂 隙 延 伸 带 （ ：位 于 完 整 隔水 带 和 承 压 水 原始 导 高 ｈ） 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 （ ｈ ）：在 不 受 到矿 山开 采 的 影 响下 ，承 压 水 的发 育高 度 ；可 分为破 碎 弱导水 区 、含 水 强导水 区两部 分 。
Ｌ
图 １底 板破 坏 深 度 模 型
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 “ 区 ” ，垂 直方 向分 为 三 “ 五带 ” 。 １ 水平 方 向上 分 布规 律 。离 工作 面前 方 ２米 左右 ， 由于受超 ） Ｏ 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 嗣 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 一 膨胀 一 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 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 区突水
采煤层底板 “ 四带”划分理 论 ，建立 了采场底板 突水 “ 带”模 型。 五 关键词 五带 ；突水 ；破坏 深度 中图分类 号 Ｔ ４ 文 献标识码 Ａ 文章编号 １ ７ — ６ 卜 （０ ２０ 卜０ １— １ Ｄ７５ ６ ３ ９ ７ ２ １）４ ２ ７ ０
矿 井 突 水 是指 含 水 层 中 的水 突 然非 正 常 的 涌人 采 掘 工 作面 ， 使 矿 井 涌水 量 增 加 ，造 成 局部 矿 井 或 整个 矿 井 发生 淹 井 的 现象 。 矿 井 突 水 的 发 生 受 地 质 、水 文 地 质 、开 采 条 件 等 各 种 因 素 的 影 响 ，是 多 因素 综合 作 用 的结 果 。防 止 淹井 也 是 大水 矿 区生产 所 面 临 的最 关 键 、最 迫 切 的 问题 ，因 此 应 加 强 对 煤 矿 突水 机 理 的 研 究 ，采 取有 效 的防 治手段 ，确保 矿井 安 全生 产 。 １ 突 水 机理
一
２ 突水分 析
２ １ 各 带厚 度的 确定 ．
１ 采 动破 坏最 大深 度 （ ． ） ｈ ）的计算 （ １ 网 ）。 ｈ一底 板 最大 破坏 深度 ； ． Ｉ一 内摩擦 角 ； ｌ ， ｒ 以ａ 原点 与ａ成 ａ角 的螺 线半 径 ： 一 为 ｂ ｒ一 ｈ 长度 ； ｎ ａ的 ＿
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赫蟊
理论研 究苑
２ １ ７
底板 突水理论浅析
乔海军
（ 尔多斯市国源矿业 开发有限责任公 司生产技术部 ，内蒙古鄂尔多斯 ０ ００ ） 鄂 １３０
摘 要 根据 中国矿 业大学钱 鸣高院士于２世 纪９年代 中期建立的采场底板岩体 的Ｋｓ ０ ０ 理论 ，与 山东科技 大学施龙 青提 出的开