我國煤層底板突水機理與防治研究現狀及展望

2022-12-01 08:53:08孔德中王玉成

煤礦安全 2022年11期

關鍵詞：研究

李飛，孔德中，汪洋，王玉成

（貴州大學礦業學院，貴州貴陽 550025）

長期以來，礦井水害都是威脅煤礦生產安全的嚴重災害[1]。據統計，2008 年至2019 年期間全國共發生礦井水害事故133 起，占期間內事故總數的13.5%，事故死亡人數644 人，占期間內事故死亡人數的14.8%，雖相較之前事故死亡人數有所下降，但事故發生數量并未得到較大的改善[2-3]。地質構造的復雜性使得我國礦井水害的發生存在許多影響因素，而其中對于底板突水的影響因素，近年來國內已有較多的研究。斷層、陷落柱等地質構造的存在、承壓含水層內水壓力的大小、底板隔水層的厚度大小、隔水層巖性的不同以及開采深度和采動強度的大小均能夠影響到底板突水事故的發生[4]。而對于這些因素如何影響底板突水的研究，國內也做了大量工作。基于國外內學者相繼提出的“流固耦合”理論、板殼理論、“原位張裂”與“零位破壞”理論[5-6]、“下三帶”理論[7]、水壓應力作用[8]、“突水優勢面”理論[9]、“強通道滲流”理論等關鍵性理論，通過理論計算、數值模擬、物理相似模擬等研究手段，使得不同情況下的煤層底板突水的機理越來越明晰。

隨著底板突水機理研究的發展，針對現有煤層底板突水的防治措施也不斷被應用和完善。目前，基于對煤層底板突水影響因素的研究，國內廣泛應用的注漿加固改造增加隔水層厚度、采前疏水降壓以及區域留設防水煤柱和防水閘門隔離法都能夠較好地解決目前淺埋煤層底板突水問題。但隨著開采深度的不斷增加，采動帶來的影響也越來越大，同時構造的復雜性，圍巖應力的增大再加上承壓含水層水壓的增強，都對深部開采煤層防治煤層底板突水帶來了不小的挑戰。為此，將近些年來眾多專家學者對于煤層底板突水機理的研究與防治措施的應用效果進行了總結分析，并做出了展望。

1 底板突水機理研究現狀

煤礦水害一直以來都是煤礦開采中一個很大的安全問題，是僅次于瓦斯的第2 礦井災害，而煤層底板突水問題則是水害問題重點研究內容之一。我國是受下部石灰巖巖溶水威脅最嚴重的國家，巖溶水是造成煤層底板突水的重要原因，巖溶水害區主要分布于我國的華北石炭二疊紀煤田和華南晚二疊紀煤田[10]。而對于煤層底板突水問題的研究多集中在基于“下三帶”理論、“應力場-滲流場”耦合作用的基礎之上進行研究。“下三帶”劃分示意圖如圖1。

圖1 “下三帶”劃分示意圖Fig.1 Diagram of“lower three zones”division

有學者將煤層底板突水類型大致分為2 類：一類是正常型突水，即完整隔水層條件下受應力場與滲流場耦合作用下的底板突水；另一類則是構造型突水[11]，其中涉及范圍最廣的構造型突水則是底板含斷層構造而引起的突水。隨著煤礦行業的不斷發展，其它地質因素及大采深高承壓水影響下的底板突水問題的研究同樣也被許多專家學者重視起來。

1）正常底板突水機理研究現狀。對于正常型底板突水問題，其研究時間相對較長，成果也相對較多。權修才等[12]將采場底板簡化建立離層條件下力學模型，對采煤工作面底板破壞的機理進行了力學上的分析，闡明底板最大變形量與底板巖層的力學性質有著很大的關系，利用MATLAB 軟件分析得出了煤層底板破壞區域與形式；高玉兵等[13]分析工作面支承壓力與含水層水壓的分布特征，闡明工作面煤壁附近處的應力增高區以及工作面的端頭區都可能會因產生裂隙較多而成為突水易發區域，開采深度與圍巖應力增加，含水層水壓增大易引起底板突水事故，分別從微觀與宏觀的角度分析得出底板突水事故是在微觀裂隙的擴張與有效隔水層整體斷裂的共同影響下引發的，闡明底板破碎帶與承壓水導升帶的裂隙貫通會引起底板突水；沈義東等[14]針對煤層底板隔水層建立力學模型，利用FLAC3D數值模擬分析了底板隔水層在承壓含水層作用下的應力特征，闡明底板隔水層厚度與采煤工作面跨度之比的大小決定著隔水層發生壓剪破壞還是彎拉破壞，在兩端固支、受承壓水壓力作用條件下，隔水層中部發生彎拉破壞，端部發生壓剪破壞。

2）含斷層底板突水機理研究現狀。構造型底板突水問題主要以斷層影響下的底板突水問題為主，根據相關統計表明，我國煤礦采煤工作面底板突水事故中大約有80%的事故是由斷層構造引起的[15]，甚至出現了“逢斷必突”的結論，因此，對于斷層構造影響下的煤層底板突水機理的研究較多，斷層導水示意圖如圖2。張擁軍等[16]利用RFPA2D軟件模擬煤層底板隔離層內含隱伏小斷層條件下底板巖層破壞、突水通道形成以及底板突水發生全過程，將底板小斷層活化突水的過程分為2 個階段，闡明隱伏小斷層的距離采空區越近，數量越多，越容易引起底板突水，采動應力與承壓含水層水壓應力場與滲流場、裂隙場也均會對底板突水產生影響；賈曉亮[17]利用FLAC3D軟件模擬不同斷層傾角條件下斷層帶附近的煤巖體塑性區的分布狀況，對25°、45°、75°傾角斷層條件下的規律分析得出傾角小的正斷層更容易引發底板突水事故，其機理是小傾角斷層容易與底板破裂帶貫通；馬凱等[18]通過力學分析完整底板與含斷層底板巖體的采動破壞深度，得出基于司馬礦地質條件的含斷層底板破壞深度要是完整底板的2倍，通過室內三軸滲透性試驗，闡明斷層活化突水的機理為圍壓的降低導致斷層帶內的裂隙發生擴張、延伸，后聯通形成了大裂隙，使其內充填物的滲透性得到增強，易導致底板斷層活化突水，利用FLAC3D軟件模擬底板斷層活化在水力耦合作用下隨工作面推進的變化過程，闡明了底板斷層活化突水機理；原富珍等[19]通過微震監測技術對煤層底板斷層附近的圍巖破壞情況進行實時現場監測，利用RFPA2D軟件數值模擬，分過斷層前后2 個階段闡明導水通道形成過程，通過分析斷層面剪應力與底板應力特征，闡明了底板斷層帶圍巖的破壞機理。

圖2 斷層導水示意圖Fig.2 Schematic diagram of fault water diversion

3）其它地質因素影響底板突水機理研究現狀。針對其它地質構造以及其它地質影響因素引起的底板突水問題的研究，近些年來也有較多的研究。焦陽等[20]將煤層底板簡化為受采動應力與高承壓水壓力的彈性薄板，闡明煤層底板下含隱伏的溶洞突水的原因是采動應力與高壓巖溶水的擴散，滯后突水則是因為隔水層不斷變薄最后破壞過程的結果，利用COMSOL 軟件數值模擬煤層底板下含隱伏溶洞致其滯后突水的過程，總結出該地質構造條件下滯后突水的機理，底板隱伏巖溶滯后突水示意如圖3；劉業嬌等[21]通過理論分析得出底板關鍵層其初始撓度方程，利用RFPA 軟件模擬董家河煤礦的實際工況，結果分析得出不同工作面推進距離下軟巖底板破壞突水機理，直觀地展現了推進距離小時底板滲透率低、推進距離大時底板滲透率高，在滲流場的作用下底板滲透量會隨著工作面推進距離的增加而呈現出馬鞍形波動的趨勢；魏大勇等[22]利用FLAC3D軟件從底板應力分布特征與塑性區分布特征2 個方面分析含以陷落柱為主的地質構造底板隨著工作面推進的變化特征，闡明這類條件下底板突水的機理在于底板塑性區與陷落柱構造塑性區貫通。

圖3 底板隱伏巖溶滯后突水示意Fig.3 Lagging water inrush of concealed karst in floor

4）大采深高承壓水底板突水機理研究。隨著開采深度的不斷增加，越來越多的國內學者將研究的方向投向了深部開采突水機理的研究。趙慶彪等[23]提出“分時段分帶突破”的煤層底板的突水機理，從空間上構建了6 種底板突水模式，闡明高承壓水上行的條件，將底板滲水與突水過程劃分4 個時間段，并得出底板突水綜合判別式；翟曉榮等[24]利用FLAC3D軟件模擬不同開采深度下的受采動作用引起的煤層底板的破壞特征，對比揭示了深部開采煤層底板原位張裂隙產生、與承壓水含水層貫通、原位導升帶發育、采動破壞帶與遞進導升帶聯通這一底板突水機理；尹尚先等[25]結合底板隔水層的厚度、底板破壞帶的高度和承壓水導升帶高度三者之和以及突水系數將隔水層按厚度分成5 種類型的隔水層，與淺部底板突水問題對比，構建了深部底板奧灰及薄層灰巖水害概念及突水模式，總結出深部突水特征，闡明深部突水的機理即是奧灰水通過隔水層中的薄層灰巖不斷向上中轉，對于深部開采底板突水的機理有一個較好地總結。

綜上所述，對于底板突水機理問題的研究，國內學者大多以底板突水的影響因素為出發點，主要集中在對煤層底板含斷層構造引起底板突水以及深井高承壓水條件下底板突水問題研究，研究手段多采用理論分析、相似模擬試驗及FLAC3D、RFPA2D等軟件進行數值模擬，對于這些問題的研究多基于“下三帶”理論、“薄板”理論以及“底板關鍵層”理論之上。隨著開采深度的不斷增大，華北型和華南型煤田的高承壓含水層威脅將不斷增大，因此對于底板突水機理的研究還需要不斷跟進。

2 底板突水防治措施應用現狀

1）底板注漿加固技術。目前應用最為廣泛的是底板注漿加固對底板含水層進行改造、增加隔水層厚度。其原理則是通過物探或鉆探法在回采工作面兩側的運輸巷和回風巷內對底板進行探查，對底板巖層的富水性以及其內部的裂隙分布狀況進行分析，制定工程參數后通過將水泥、黏土水泥漿、粉煤灰水泥漿或其它注漿材料注到底板隔水層中，加厚加固隔水層，降低其導水性以達到防治突水的目的[26]，煤層底板注漿加固技術原理示意圖如圖4。對于這一技術的研究與應用，國內已有較多案例。李振華等[27]以底板富水性強、含水層水壓大、隔水層厚度薄的趙固二礦為工程背景，提出了超高壓注漿法，通過現場實測，該方法對其底板進行加固效果比較顯著，豐富了底板注漿加固的應用案例；陳善樂等[28]利用ANSYS 軟件模擬對注漿前后不同推進距離下的應變進行分析，發現在應力場的作用下，破壞區域主要集中在煤層兩側以及斷層帶附近的巖層破裂區域，隨著工作面向斷層帶靠近，底板注漿加固后，突水問題明顯得到改善；李濤等[29]提出了單孔放水實驗裝置及配套使用技術，同時基于突水優勢面理論提出了底板分類注漿技術，通過工程實踐，發現采用該技術能夠很好地提高治理底板突水的效率。近幾年，對于深部煤層開采底板突水采用底板注漿技術進行防治的研究也多了起來。汪雄友等[30]對大采深復雜地質條件下的煤層開采底板突水問題進行分析，采用底板注漿加固技術對其進行底板改造以防治底板突水，通過用涌水量對比法、物探探測法和突水系數計算法對實踐效果進行評價分析，效果顯著，豐富了大采深高水壓復雜地質條件下的底板注漿加固技術的研究。

圖4 煤層底板注漿加固技術原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of grouting reinforcement technology for coal seam floor

2）留設斷層防水煤柱方法。對于留設斷層防水煤（巖）柱對底板突水進行區域治理的這一方法的研究，國內也有許多，該方法即是在受斷層影響下易引發底板突水的區域合理留設煤柱以防治煤層底板突水，該方法的應用主要體現在煤柱留設的寬度上。王進尚等[31]通過水力壓裂法，以太原東山煤礦煤層為研究對象，進行抗拉強度測試，為斷層防水煤柱的留設提供了依據；董永等[32]從礦壓作用、構造作用以及水力劈裂作用3 個不同的方面推出采動影響下底板巖層破壞的深度，并推出了最終留設斷層隔水煤柱寬度的計算公式，以淮北礦業集團某礦為背景驗算了該公式；劉發義等[33]以某礦2321 工作面為研究對象，通過離散元數值模擬回采留設不同寬度的煤柱時斷層附件的破碎帶的應力情況推出適合該礦斷層防水煤柱留設寬度的計算公式，驗證了該留設煤柱寬度公式的適用性，可作為一個較好的應用案例。

3）采前疏水降壓方法。采前疏水降壓也是井下防治煤層底板突水常用的方法之一，其原理是通過疏水將底板含水層中的水位下降到預設的某一安全標高之下，使下部含水層水壓下降，進而降低隔水層被破壞的風險，防止底板突水事故的發生[34]。葛家德等[35]以劉橋二礦二水平Ⅱ614 首采工作面為研究對象，選定采前疏水降壓防治底板突水，制定了疏水水量與疏水的方法，效果較好，有較好的應用范圍；王新軍等[36]通過均衡原理總結出三種水位動態變化曲線，為煤礦疏水防治底板突水提供了較好的參考；郭國強[37]以寧武煤田昌盛煤礦為研究對象，對奧灰水上帶壓開采進行危險性評價，通過Visual MODFLOW 建模，闡明了帶壓開采疏水降壓防治底板突水是可行的，擴大了疏水降壓方法的適用范圍。

4）充填開采防治突水技術。近幾年來，也有學者將目光投向利用充填開采技術保護底板以達到防治底板突水的目的。孫明等[38]以內蒙古烏海天譽煤礦9 號煤層為研究對象，對其下奧灰含水層的富水性以及隔水層進行分析，對其采用充填開采的采煤方法，分析發現采用該方法治理底板突水雖增加了噸煤成本，但遠小于所帶來的經濟收益。

綜上所述，底板注漿加固技術及留設斷層防水煤柱、采前疏水降壓等方法得到了較好的應用效果，礦井底板突水問題得到了明顯的改善。

3 底板突水研究存在的主要問題

1）室內相似材料模擬試驗相對較少。對于機理的研究，多采用數值模擬軟件與理論分析的方法，數值模擬的方法只能建立理想化的模型，只能盡可能接近實際的效果，通過室內相似材料模擬試驗進行分析的少之又少，特別是針對斷層影響下的底板突水問題，這一問題涉及范圍較廣，應側重性地針對該類問題進行試驗設計并研究。

2）開采深度增加、承壓含水層水壓增大，對于該類問題的研究應更加重視，同時，底板突水防治措施有待改進和創新。目前，我國煤礦開采不斷向深部延伸，但伴隨而來的則是采動影響增大、承壓含水層內水壓增大，在高采動應力與高水壓的共同作用下，深井開采也變得越發困難，而對這一問題下底板突水治理的研究卻很少，最常用的只有底板注漿加固技術。應該加強對深井底板突水機理與防治措施的研究，不能只將研究的重點放在淺埋煤層的復雜地質條件上。主流的底板注漿加固技術、留設斷層防水煤柱、采前疏水降壓雖能夠很好地適應治理底板突水的問題，但目光不應被局限在這些主流方法上，隨著開采深度的增加，雖然綜合方法能較為有效地防治，但成本也會相應增加，所以不僅要對這些方法進行改進，而且也要研發更優的、成本更低的技術對底板突水進行治理，從而更有效地降低底板突水發生的頻數。

3）從空間上看，針對華北煤田煤層底板突水問題的研究較多，但針對西北以及華南等地的煤田的研究很少，如貴州黔北地區礦井受到茅口組灰巖水影響的研究較少。應擴寬研究范圍，同時也不能只局限于煤炭儲量豐富的地區，煤炭儲量少的地區也要兼顧。

4）底板注漿加固所用注漿材料有待改進。企業若要獲得更高的利潤，應該將底板突水防治問題重視起來，不斷研制出新的注漿材料，不僅要降低噸煤成本，還要讓它產生較好的效果。以往的注漿材料有顆粒大、擴散半徑小、穩定性差、結石率低、抗水溶蝕性、抗水分散性差，化學注漿材料有造價高、有毒、污染環境、易燃等缺點，二者都無法得到廣泛應用，應對注漿材料進行改良。

4 底板突水的防治措施研究展望

1）大采深、復雜化。未來煤礦的開采在縱向上會往更深的煤層開采，橫向上會往那些賦存條件較為復雜的煤層開采，應做好相應的準備，研究針對這些問題下的煤層底板突水機理以及研發新的防治技術刻不容緩，對于深部開采防治突水相關配套設備的研發也應該重視起來。

2）低成本、綠色化。未來或可將其它廢棄下來的材料進行加工改良，變廢為寶，用于底板注漿加固改造底板防治底板突水方面，使其不僅能夠有效治理底板突水問題，還能合理利用廢棄資源，實現協調可持續地發展。

3）高效率、智能化。對于底板突水問題，不僅要有效地對其進行治理，還要安全高效，以保障礦井的高效率生產運作，可從相關配套設備方面縮短底板突水治理的時間以及選用其它的探測手段方面和提高勘探底板裂隙發育程度、斷層帶的破碎程度的效率方面入手。同時還要注重往智能化方向發展，可從監測底板突水危險設備方面入手，通過智能監測系統，準確定位突水危險區域，以及時制定防治措施，提高煤礦生產效率。

5 結語