煤礦底板采動誘發突水機理研究進展淺析

李乾龍++胡同旭++徐楊++馬杭州++李洪濤

摘 要：針對煤礦底板采動突水嚴重威脅煤炭開采安全的這一災害現象，總結分析了國外及國內針對底板突水的研究成果及其應用價值。總結了國內學者針對斷層突水的研究現狀，分析了斷層突水的誘因及判別標準，指出斷層突水問題的復雜性在于采動作用應力下含隱伏斷層底板的滲流破壞規律，并展望和討論了底板突水治理的核心難題和可能的出路。

關鍵詞：底板；采動；突水；斷層

中圖分類號：TM914.4 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）01-0152-02

隨著我國經濟的發展，占我國能源主導地位的煤炭的消耗量不斷增加，煤炭開采正逐漸向深度和廣度上發展，而由此帶來的水害事故也日趨嚴重。目前，全國煤礦遭受水害威脅的煤炭儲量高達250億噸，造成40%左右的煤炭資源難以正常開采，大大增加了生產成本[1]。近年來，突水事故造成眾多安全事故，給煤炭工業造成了巨大的損失。

通過分析底板突水事故中的水文地質資料和突水原因，我們可以發現大部分的突水事故發生在回采工作面，并且斷層突水占突水事故總數的80%以上，故斷層突水成為了困擾煤炭安全生產的重大難題。學者們在斷層與突水預測方面做了大量的研究工作，得到了斷層突水相關規律，但對于在采動影響下斷層活化、裂隙發育及突水通道的形成過程、突水模式和斷層滯后突水機理方面，仍不夠完善，需要做深入研究。

本文首先總結了國內外針對地板突水的研究進展，闡述了科研專家針對突水機理的研究和防治工作所作出的突出貢獻，針對斷層誘發底板突水這一突出問題，總結歸納了國內專家學者所做的主要研究工作，分析了斷層突水的誘因及判別標準。深入研究采動作用下含隱伏斷層底板的滲流破壞規律，可為承壓水上采煤的突水機制分析及防治提供一些新的認識，對于解放受承壓水威脅的煤層具有重要的意義。

1 底板采動突水研究進展

煤炭突水問題在煤炭開采過程中廣泛存在。國外學者針對突水問題進行了大量的研究工作，100多年前，匈牙利的韋格·弗倫斯第一次提出了底板相對隔水層的概念，并建立了水壓、隔水層厚度與底板突水的關系。原蘇聯學者B·斯列薩列夫將煤層底板視作兩端固定的承壓均布載荷作用的梁，并結合強度理論推導出底板理論安全水壓值的計算公式。匈牙利和南斯拉夫等國學者提出相對隔水層厚度概念，并以此作為承壓水上開采煤層底板突水與否的標準。C·F·Santos、Z·T·Bieniawski分析了底板的承載能力。

我國學者針對煤層底板突水的研究始于60年代初，在1965年焦作水文會戰時提出了突水系數的概念，以此作為突水預測預報的標準，并且取得相關礦區的臨界突水系數經驗數據。70～80年代，煤炭科學研究總院西安分院水文所引用了“等值隔水層厚度”的概念對突水系數公式進行了修正，從而提高了預測精度。

自從改革開放以來，我國對于煤炭的需求量日益增加，使得煤炭開采規模和深度逐漸增加。與此同時，煤炭開采帶來的突水事故也越來越嚴重。國內學者對采場底板突水機理做出大量深入研究，得到了一系列新的理論，主要包括：

（1）改革開放初期，李白英等于提出了“下三帶”理論[2]，認為開采煤層底板存在“三帶”：底板導水破壞帶，完整巖層帶和承壓水導升帶，其中完整巖層隔水帶主要作用是保護阻隔底板，當底板含水帶與底板導水帶溝通時，就會發生突水事故。

（2）煤科總院王作宇、劉鴻泉[3]等人于90年代提出了底板移動的“原位張裂”與“零位破壞”理論。該理論認為礦壓、水壓聯合作用于工作面對煤層的影響范圍可以分為三段：超前壓力壓縮段、卸壓膨脹段和采后壓力壓縮穩定段。該理論闡明了底板巖體移動的發生、發展、形成和變化過程，揭示了礦井突水的內因。

（3）由煤科總院西安分院水文所[4]于20世紀90年代提出了“巖-水應力關系理論”，通過分析采動礦壓與底板承壓水水壓的關系，揭示了底板突水的過程及變化機理。

（4）錢鳴高、繆協興[5]于20世紀90年根據底板巖層的層狀結構特征，建立了采場底板巖體的KS理論。該理論認為，在采場底板巖層中存在一層強度最高的巖層作為底板的關鍵巖層，在采動礦壓條件下，當關鍵層達到極限破斷跨距時，煤層至含水層之間的其他巖層均已達到極限破斷跨距。

（5）劉天泉、張金才[6]等人于90年代初提出了“薄板結構理論”。將底板隔水層帶看作四周固支受均布載荷作用的彈性薄板，通過采用彈塑性理論求得了以底板巖層抗剪及抗拉強度為基準的預測底板所能承受的極限水壓力的判別公式。

（6）中科院地質所于90年代后期提出“強滲通道”說[7]，該理論認為底板發生突水的關鍵因素是突水通道。分為兩種情況：底板中存在固有的突水通道；及底板在采動作用下形成新的次生通道突水。

（7）21世紀初中科院的邵愛軍[8]通過引入突變理論，分析煤礦底板系統能量的失穩變化，建立了預測礦坑突水尖點的突變模型。同時王連國、宋揚在此基礎上通過引入突變理論，建立了煤層底板突水尖點突變模型。

此外，朱德仁等提出了底板突水準則與底板巖體破壞的工程準則應該是兩個不同的概念。施龍青、肖洪天應用幾何損傷力學理論研究了煤層底板損傷破壞突水機理。楊天鴻提出“采動壓力和水壓力擾動應力場誘發巖體破裂是礦山突水前兆的本質特征”這一學術思路。李連崇通過有限元數值仿真，揭示了開采擾動及水壓驅動下完整底板由隔水巖層到突水通道的演化機制。

2 斷層誘導突水研究進展

總結資料表明，斷層引起的突水占突水總數的80%以上。前人在斷層誘發突水方面利用新方法、新理論、新技術做了大量的研究工作來探討煤層底板突水的機理及預測預報研究，得出了一系列有意義的結論和成果。

黎良杰、錢鳴高等[9]把斷層分為張開型與閉合型分別對其突水機理進行分析，得出正斷層更容易突水，張開型斷層是是由于斷層與承壓水相互作用而引起，閉合型斷層主要是斷層兩盤強度失穩。楊善安[10]總結分析斷層在采空區的位置及要素與突水的關系，考慮開采方法，避免底板突水的發生。營志杰[11]根據煤層回采過程中的變形特征分析了斷層滲透性，通過公式計算得出了合理斷層防水煤柱寬度等數據。左建平、陳忠輝等[12]利用數字散斑相關方法DSCM及DDA模型試驗證實了采動誘發斷層附近發生了滑移錯動，斷層附近水平位移呈現出馬鞍形；李青鋒[13]指出當工作面推進方向與斷層傾向相同時斷層最易活化，斷層的活化會破壞頂板，引起上覆巖失穩，從而導致導水裂隙寬度擴大。

國內學者的研究成果對于指導煤層安全生產起到了重要的作用。但由于斷層突水問題本身的復雜性，還有很多問題例如小斷層誘發突水機理研究等沒有得到廣泛深入的研究。因此，深入研究采動應力下含斷層底板的滲流破壞規律，可為承壓水上采煤斷層的突水機制分析及防治提供一些新的認識，對于解放受承壓水威脅的煤層具有十分重大的意義。

3 展望與討論

前人雖然在大斷層與突水預測方面已經做了大量的研究工作，對于大斷層的理論成果普遍運用在實際生產中，并且得到了較好的效果。但是隱伏小斷層本身的力學性質、導水特性以及產狀要素等與大斷層存在很大差異，在研究隱伏小斷層突水時仍然沿用相同的理論進行分析顯然是不合適的。因此研究含隱伏斷層底板在工作面開采過程中底板巖層變形破壞、裂隙產生發育擴展演化規律、損傷區域的形成演化過程以及水頭壓力變化及滲流運移過程，以及對底板巖體由隔水層到導水通道的形成過程的影響作用尤為重要。

目前我國對煤礦底板突水已經有了非常廣泛的研究，并取得了一系列成果，這些成果為煤炭工業提供了寶貴的理論依據。根據斷層在底板突水中的影響作用，研究隱伏小斷層本身的力學性質、導水特性以及產狀要素對突水的影響，采動作用對隱伏小斷層的活化及裂隙演化規律的分析，以及對底板巖體由隔水層到導水通道的形成過程的影響作用尤為重要。

參考文獻：

[1]王作宇，劉鴻泉.承壓水上采煤[M].北京：煤炭工業出版社，1993.

[2]肖洪天，張文泉，劉偉韜.煤層底板裂隙網絡的生成[J].山東礦業學院學報，1997，16（1）：23-26.

[3]李白英.預防礦井底板突水的“下三帶”理論及其發展和應用[J].山東礦業學院學報，1999，（4）：32-36.

[4]王作宇，劉鴻泉.煤層底板突水機制的研究[J].煤田地質與勘探，1989（1）：11-13.

[5]錢鳴高，繆協興，許家林，等.巖層控制的關鍵層理論[M].江蘇徐州：中國礦業大學出版社，2000，75-95.

[6]張金才，劉天泉.論煤層底板采動裂隙帶的深度及分布特征[J].煤炭學報，1990，15（2）：46-55.

[7]尹萬財.工作面底板突水因素分析及防治對策研究[J].中國煤田地質，1997，9（3）：26-27.

[8]邵愛軍.煤礦地下水與底板突水[M].北京：地震出版社，2001.

[9]黎良杰，錢鳴高，李樹剛.斷層突水機理分析[J].煤炭學報，1996，21（2）：119-123.

[10]楊善安.采場底板斷層突水及其防治方法[J].煤炭學報，1994，19（6）：620-625.

[11]營志杰.煤層滲透性變化規律在防水煤柱上的應用[J].江蘇煤炭，1998（1）：31-32.

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[13]李青鋒，王衛軍，彭永慶，等.斷層采動活化對南方巖溶突水影響研究[J].巖石力學與工程學報，2010，29（z1）：3417-3424.