底板突水底板突水的基本機(jī)理

承壓強(qiáng)含水層上采煤的底板突水事故是具有頗高水壓的底板含水突發(fā)性地穿越了位于開(kāi)采煤層與含水層之間的隔水巖層，并進(jìn)入開(kāi)采空間所造成的突水事故。此種突水是一種復(fù)雜的地質(zhì)、開(kāi)采現(xiàn)象，既有地質(zhì)、構(gòu)造的原因，也有開(kāi)采工作的原因。分析表明，造成底板突水的原因與含水層上方原始導(dǎo)升帶的高度，開(kāi)采形成的底板裂隙帶深度以及兩帶之間隔水巖層的抵抗下部承壓水水壓破壞的能力緊密相關(guān)。原始導(dǎo)升帶和底板裂隙帶的巖體已失去隔水性能，若開(kāi)采空間通過(guò)該兩帶直接導(dǎo)通了承壓水體，或者雖未直接導(dǎo)通，但在承壓水水壓的作用下，介于該兩帶之間的隔水保護(hù)層將遭到破壞，進(jìn)而發(fā)展成為導(dǎo)通承壓水的巖體，則開(kāi)采空間將發(fā)生突水事故。

涌水量在短期內(nèi)突然成倍劇增的現(xiàn)象稱(chēng)為突水。通常按突水時(shí)涌水的主要水源，將突水劃分為斷層、地表、底板、陷落柱和采空區(qū)積水等五類(lèi)。我國(guó)為底板突水事故多發(fā)性的國(guó)家。據(jù)統(tǒng)計(jì)，底板突水事故約占我國(guó)各類(lèi)突水事故總次數(shù)的1/4，并且這類(lèi)突水往往造成重大的災(zāi)害性損失。

底板突水又常按其突水的峰值流量、動(dòng)態(tài)表現(xiàn)形式等進(jìn)行分類(lèi)。按突水的峰值流量可將突水事故分為特大型、大型、中型和小型突水，其峰值流量分別為大于50m3/min，20-49m3/min，5-19m3/min和小于5m3/min。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)發(fā)生的突水淹井事故約有85%以上的事故源于大型和特大型突水事故。峰值流量的大小反映了水源的富水程度、水壓高低和突水通道的暢通程度。一般，直接由奧灰或由奧灰補(bǔ)給的含水層所形成的底板突水具備有富水和水壓高的特點(diǎn)，大多為大型或特大型突水。因此，底板突水對(duì)礦井安全生產(chǎn)的威脅很大，常需特殊加以重視。

按底板突水的地點(diǎn)可分為掘進(jìn)巷道突水和采煤工作面突水兩類(lèi)。前者的突水地點(diǎn)發(fā)生在開(kāi)掘于煤層中的準(zhǔn)備巷道，后者則發(fā)生在采煤工作面附近且多系因受到采動(dòng)影響而發(fā)生底板突水。統(tǒng)計(jì)資料表明：這兩類(lèi)突水方式的突水次數(shù)約各占一半左右。應(yīng)當(dāng)指出：這兩類(lèi)突水的機(jī)理有所差別，由于防止發(fā)生采煤工作面突水所需的隔水層厚度更大，并且這類(lèi)突水事故大多為大型或特大型突水事故，它們對(duì)安全生產(chǎn)的威脅也更大。所以一般應(yīng)特別重視防治采煤工作面底板突水。

按照底板突水的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)形式又可分為爆發(fā)型、緩沖型和滯后型三類(lèi)。爆發(fā)型突水多直接發(fā)生于采掘工作地點(diǎn)附近，并且一旦發(fā)生突水，其突水量在瞬間即達(dá)到峰值流量，然后，突水量逐漸減少和趨于穩(wěn)定。這種突水的來(lái)勢(shì)很猛，水中常夾有巖塊碎屑，有很強(qiáng)的沖擊力，危害最大。緩沖型突水也多發(fā)生在采掘工作地點(diǎn)附近，其突水量則經(jīng)歷由小到大逐漸增長(zhǎng)的過(guò)程，往往要在突水后數(shù)小時(shí)、數(shù)日甚至數(shù)月才增長(zhǎng)到最大流量，所以其突水的來(lái)勢(shì)較緩，沖擊力也較弱。滯后型突水一般是在采掘工作面推進(jìn)了相當(dāng)距離以后才在巷道或采空區(qū)中發(fā)生突水，其滯后發(fā)生突水時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)數(shù)日、數(shù)月甚至數(shù)年，突水量的增長(zhǎng)也可急可緩。突水動(dòng)態(tài)表現(xiàn)形式的差別反映了隔水層破壞方式的不同。隔水巖層（巖柱）因其拉、剪應(yīng)力超限而突然破壞時(shí)大多形成爆發(fā)型突水；而緩沖型突水則往往是隔水層因滲流速度超限而逐漸破壞了隔水能力所形成的，至于滯后型突水則又往往與礦壓的疊加影響有著密切的聯(lián)系。不同的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)形式反映了不同的突水原因，需分別針對(duì)問(wèn)題所在，采用不同的防治措施 。

承壓含水層上方的地層大多程度不同的存在有節(jié)理和裂隙，若這些節(jié)理、裂隙與含水層相通并形成水力聯(lián)系，則含水層中的承壓水將進(jìn)入節(jié)理、裂隙并使含水層上方一定高度內(nèi)的地層也成為導(dǎo)水層，該充水的節(jié)理、裂隙帶的高度習(xí)稱(chēng)為原始導(dǎo)升帶高度。

承壓含水層的原始導(dǎo)升帶高度取決于當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件。一般不同的礦區(qū)含水層的原始導(dǎo)升帶高度互不相同，即使是同一礦區(qū)其不同地點(diǎn)的原始導(dǎo)升帶高度也高低不一。為了保證安全開(kāi)采，通常以沒(méi)有特殊地質(zhì)構(gòu)造地區(qū)的原始導(dǎo)升高度相對(duì)最高處作為該地區(qū)的原始導(dǎo)升帶高度，而把斷層、陷落柱等特殊地段的導(dǎo)升帶高度作為異常區(qū)處理。

應(yīng)當(dāng)指出：

（1）受斷層、陷落柱影響時(shí)，含水層的導(dǎo)升高度（導(dǎo)高異常區(qū)）可比正常地段的原始導(dǎo)升高度高出數(shù)倍至數(shù)十倍。在非導(dǎo)水?dāng)鄬踊蝰耷S部的地段，其原始導(dǎo)升帶的高度也比正常區(qū)間高得多，所以，應(yīng)特別重視它們的影響，即使是落差很小的斷層也不可輕易忽視。

（2）原始導(dǎo)升帶的高度與開(kāi)采活動(dòng)有關(guān)。采煤工作面開(kāi)采后，在開(kāi)采煤層下方一定深度的范圍內(nèi)，采空區(qū)底部巖層所承受的垂直壓力減小，并且這些底板巖層將形成一定的底臌，由于垂直壓力的減小和底板的臌起，底板巖層將產(chǎn)生新的裂隙，原有的裂隙也將進(jìn)一步擴(kuò)展。因而形成原始導(dǎo)升帶的那些裂隙也將進(jìn)一步擴(kuò)展而使導(dǎo)升帶的高度有所增高。由于工作面的兩端和工作面前方一般是底臌變形的急劇增長(zhǎng)區(qū)，該處底板裂隙受拉、張應(yīng)力最大，裂隙的擴(kuò)展最烈，其導(dǎo)升帶高度的增高量也常高于其它地點(diǎn)。

顯然，如果采、掘工作空間位于原始導(dǎo)升帶或?qū)叨犬惓^(qū)的導(dǎo)升高度之內(nèi)，并且采、掘空間直接聯(lián)通了通向含水層的導(dǎo)水通道（例如，導(dǎo)水裂隙、斷層或陷落柱等），或者與導(dǎo)水通道間的隔水煤、巖柱遭到破壞，則底板含水層中的承壓水將進(jìn)入開(kāi)采空間，造成突水事故。所以為避免突水事故，采、掘工作面應(yīng)位于原始導(dǎo)升帶以上并且在導(dǎo)高異常區(qū)的導(dǎo)水通道兩側(cè)留有足夠的防水煤柱 。

在采、掘工作面附近存在有應(yīng)力集中區(qū)和免壓區(qū)。由于受到集中應(yīng)力引起的剪應(yīng)力作用以及在免壓區(qū)中受到由集中應(yīng)力衍生的水平應(yīng)力和剪應(yīng)力的共同作用，在開(kāi)采煤層底板中也會(huì)形成一定深度的裂隙帶，即底板裂隙帶。在該裂隙帶中，巖層富含裂隙且應(yīng)力低于原巖應(yīng)力，裂隙呈張開(kāi)狀態(tài)，巖層已基本上喪失了隔水性能，成為導(dǎo)水層。若底板裂隙帶直接與承壓水的原始導(dǎo)升帶溝通，則承壓水也能迅速涌入采、掘工作空間，形成突水事故。

工作面底板裂隙帶的深度與開(kāi)采煤層的強(qiáng)度、厚度，煤層頂、底板巖層的力學(xué)特性、結(jié)構(gòu)以及頂板管理方法，開(kāi)采參數(shù)（如工作面長(zhǎng)度、巷道寬度等等）等因素有關(guān)。底板巖層的巖性愈軟，工作面前方的峰值集中應(yīng)力愈高，承壓含水層的水壓愈高，免壓區(qū)中作用于底板的壓力愈低，則所形成的底板裂隙帶深度也愈深。相似材料模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明：底板裂隙帶的分布狀況大體上和底板中塑性滑移線的分布相吻合。

采動(dòng)產(chǎn)生的巖層裂隙主要是由工作面前方的集中應(yīng)力和免壓區(qū)中的水平應(yīng)力形成的。由開(kāi)切眼至老頂初次來(lái)壓期間，底板裂隙帶的深度隨著工作面的推進(jìn)、開(kāi)采范圍的擴(kuò)大而加深，并且在初次來(lái)壓時(shí)達(dá)到最大值。初次來(lái)壓后，隨著工作面的推進(jìn)，裂隙帶的范圍繼續(xù)擴(kuò)大而深度在初期較初次來(lái)壓時(shí)有所減少，以后又逐漸增大，直到周期來(lái)壓時(shí)又達(dá)到第二個(gè)峰值深度（該深度仍小于初次來(lái)壓時(shí)底板破裂帶的深度）。所以，一般可以用來(lái)壓時(shí)的破裂最大深度作為底板破裂帶的深度。

在底板裂隙帶和原始導(dǎo)升帶之間應(yīng)有足夠厚度的隔水巖層才能阻止承壓水的涌入。該隔水巖層是防止突水事故的主要屏障，故習(xí)稱(chēng)之為保護(hù)層。保護(hù)層必須有足夠的厚度，以免由于滲流速度過(guò)大或保護(hù)層的破裂而失去其隔水性能和保護(hù)作用。

承壓水的水壓促使涌水穿越保護(hù)層滲流入開(kāi)采空間，其滲流速度正比于單位穿越厚度的水壓降，顯然，若保護(hù)層過(guò)薄，單位層厚的水壓降過(guò)大即滲流速度過(guò)大將有可能破壞巖層隔水的性能。

在承壓水的作用下，采、掘工作面開(kāi)采空間下方的底板隔水層相當(dāng)于以?xún)蓚?cè)支承應(yīng)力區(qū)和工作面前后方支承區(qū)為支點(diǎn)的承力巖板。承壓水的上推力是其主要荷載，采空區(qū)頂板的壓應(yīng)力和底板裂隙帶巖體的自重能部分地抵消承壓水的作用力，但是，由于免壓區(qū)中頂板的壓應(yīng)力很低，底板裂隙帶深度較小，其自重和壓應(yīng)力之和仍不足以平衡該上推力。所以，實(shí)際上，主要是靠巖板的強(qiáng)度來(lái)抵抗承壓水的上推力。若巖板過(guò)薄，巖板強(qiáng)度不夠，則巖板將遭到破壞并形成突水事故。顯然，承壓水的水壓愈低、采空區(qū)中頂板巖層作用于底板的壓力愈大、巖板愈厚、強(qiáng)度愈高、巖板的跨度愈小，則巖板愈不易遭到破壞。防止保護(hù)層的破壞往往是防止底板突水的關(guān)鍵所在。由于巖板的強(qiáng)度正比于巖板厚度的! 次方，反比于巖板折算跨度的平方。因此，在諸因素中又常以該兩項(xiàng)因素的影響為最重要，宜特別予以重視。

由采、掘工作面開(kāi)采活動(dòng)引起的底板裂隙帶深度，原始導(dǎo)升帶高度的增高以及防止底板突水所需的保護(hù)層厚度是不同的。一般情況下，掘進(jìn)工作形成的底板裂隙帶深度較淺；原始導(dǎo)升區(qū)的高度大多不會(huì)明顯增高；底板保護(hù)層因應(yīng)力超限而破壞的臨界厚度較小，底板突水事故多發(fā)生于原始導(dǎo)升高度異常區(qū)且多是因掘巷空間與承壓水通道間煤、巖柱過(guò)小而發(fā)生突水。采煤工作面則大多是由于采煤活動(dòng)導(dǎo)致底板隔水保護(hù)層的破裂而形成突水 。2100433B

本項(xiàng)目在煤礦底板突水預(yù)測(cè)理論、方法和煤礦底板突水防治技術(shù)研究方面取得了顯著成果。（1）煤礦底板突水機(jī)理認(rèn)識(shí) 煤礦底板巖體最大破壞深度與開(kāi)采工作面的開(kāi)采寬度成正比，與巖體原始應(yīng)力及巖體抗壓強(qiáng)度之比的平方成正比，該破壞深度隨開(kāi)采深度和支承壓力的增加而增大，隨巖體強(qiáng)度的增加而減小 水流對(duì)煤層底板隔水層的作用主要表現(xiàn)為水壓力對(duì)底板隔水巖層的破壞作用，這種破壞主要以?xún)煞N形式的力進(jìn)行（2）煤礦底板突水預(yù)測(cè)理論 根據(jù)協(xié)同學(xué)原理與方法，建立了煤礦底板子系統(tǒng)相互協(xié)作的數(shù)學(xué)模型 基于突變理論，提出了根據(jù)煤礦采動(dòng)過(guò)程中獲得的煤層底板應(yīng)力應(yīng)變和承壓水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立單變量序列尖點(diǎn)突變模型，得出煤層底板巖體系統(tǒng)穩(wěn)定判據(jù)的方法（3）理論及方法應(yīng)用 建立了河北省萬(wàn)年煤礦的三維地質(zhì)模型 成功預(yù)測(cè)了河北省峰峰煤田五礦、萬(wàn)年礦等礦的突水問(wèn)題，進(jìn)行了煤礦突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，為有效防治突水提供了科學(xué)依據(jù)，避免了突水預(yù)測(cè)不及時(shí)、不準(zhǔn)確帶來(lái)的礦難事故 提出了峰峰煤田底板突水和帶壓開(kāi)采防治水措施（4）論文及專(zhuān)著 項(xiàng)目組發(fā)表論文20余篇，其中核心期刊11篇，EI檢索4篇，出版專(zhuān)著3部（5）成果在五礦、萬(wàn)年煤礦的應(yīng)用使得新增產(chǎn)值近億元，社會(huì)效益顯著（6）成果被國(guó)內(nèi)同行專(zhuān)家評(píng)為達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。 2100433B

《注漿加固防治底板突水機(jī)理與應(yīng)用》對(duì)底板注漿加固工作面防治水技術(shù)進(jìn)行了研究，分析了底板注漿加固巖體滲透性“降低—升高”機(jī)理、注漿加固工作面底板巖體力學(xué)性質(zhì)“增強(qiáng)—損傷”規(guī)律、底板注漿孔套管的加固機(jī)理、注漿加固工作面突水原因及特征，以及高水壓薄隔水層工作面突水危險(xiǎn)性分析和治理對(duì)策，并通過(guò)相似條件模擬研究和煤礦實(shí)例研究，驗(yàn)證了該研究成果的有效性。

《注漿加固防治底板突水機(jī)理與應(yīng)用》可供煤礦從事防治水工作的技術(shù)人員、科研人員以及相關(guān)專(zhuān)業(yè)的大學(xué)生、研究生、教師閱讀，也可供相關(guān)專(zhuān)業(yè)的研究人員參考。

副題名

外文題名

論文作者

朱紀(jì)明著

導(dǎo)師

張文泉指導(dǎo)

學(xué)科專(zhuān)業(yè)

學(xué)位級(jí)別

工學(xué)博士

學(xué)位授予單位

山東科技大學(xué)

學(xué)位授予時(shí)間

2012

關(guān)鍵詞

底板壓力 礦井突水 預(yù)測(cè)技術(shù) 軟件開(kāi)發(fā)

館藏號(hào)

唯一標(biāo)識(shí)符

108.ndlc.2.1100009031010001/T3F24.006504121

館藏目錄

\ \

2100433B