浅谈煤层底板突水理论研究现状

科技信息　工程技术　浅谈煤层底颃突水理论研夯ｔｌｌｉｌ　淮沪煤电公司丁集煤矿　陶军　［摘要］本文主要简单介绍了国内外底板突水机理研究现状，阐明了底板突水机理理论的基本概念。总结和评述了其实际应用价　值和理论研究不足，并提出了今后底板突水理论的研究方向。　［关键词］底板突水　突水系数理论研究　１．引言　我国的煤炭资源的开采受水害威胁严重，尤其是随着开采深度、开　采强度、开采速度、开采规模的增加和扩大，来自底部灰岩发育的裂隙　岩溶高承压水的威胁日趋严重，煤层底板在采动的影响下其破坏也日　趋加剧，许多矿井突水事故与之密切相关。矿井突水机制是一个涉及采　７～ｌ２ｍ，突水时工作面从切眼煤壁推进的距离一般为加２０～７０ｍ，而且　绝大多数在４０ｍ以内，也就是说，在绝大多数情况下，实际工程中煤层　底板并不满足薄板理论的基本要求，即厚宽比小于１／５～１／７。但当厚宽　比大于１／２～１／３时，其误差是无法忽略的。　２．６关键层理论　矿工程、工程地质、水文地质、岩体力学、岩体水力学、渗流力学等多门　学科的理论课题，弄清楚突水理论机制对于防范底板突水以及底板岩　层控制与管理具有重要的理论意义和实际应用价值。　２．底板突水理论研究　２．１底板相对隔水层Ｉ‘１　早在２Ｏ世纪初，欧洲的一些学者就注意到煤矿开采过程中底板隔　水层的作用，并从若干次底板突水资料中认识到，只要煤层底板有隔水　层，突水次数就少，突水量也小，隔水层越厚则突水次数及突水量越少。　２０世纪４０年代至５０年代，匈牙利韦格弗伦斯第一次提出“底板相　对隔水层”的概念。他指出，煤层底板突水不仅与隔水层厚度有关，而且　还与水压力有关。突水条件受相对隔水层厚度的制约。相对隔水层厚度　是等值隔水层厚度与水压力值之比。同时提出，在相对隔水层厚度大于　１．５ｍ／ａｔｍ的情况下，开采过程中基本不突水，而８０％～８８％的突水都是　相对隔水层厚度小于此值。由此，许多承压水上采煤的国家引用了相对　隔水层厚度大于２ｍ／ａｔｍ就不会引起煤层底板突水的概念。这期间前苏　联学者Ｂ斯列萨列夫将煤层底板视作两端固定的承受均布载荷作用的　梁，并结合强度理论，推导出底板理论安全水压值的计算公式。　２０世纪７Ｏ年代至８Ｏ年代末期，很多国家的岩石力学工作者在研　究矿柱的稳定性时，研究了底板的破坏机理。其中最有代表性的是Ｃ．Ｆ．　Ｓａｎｔｏｓ（桑托斯），ｚ．Ｔ．Ｂｉｅｎｉａｗｓｋｉ（宾尼威斯基）。他们基于改进的Ｈｏｅｋ—　Ｂｒｏｗｎ岩体强度准则，引入临界能量释放点的概念分析了底板的承载能　力。　２．２突水系数理论　我国的底板突水规律研究始于２Ｏ世纪６Ｏ年代，当时注意到匈牙　利底板相对隔水层理论在实践中的应用，在焦作矿区水文地质大会中，　以煤科总院西安勘探分院为代表，提出了采用突水系数作为预测预报　底板突水与否的标准。突水系数就是单位隔水层所能承受的极限水压　值，即：　Ｔｓ＝Ｐ／Ｍ　（１）　式中：Ｔｓ为突水系数；　Ｐ为含水层水压，ＭＰａ；　Ｍ为隔水层厚度，ｉｎ。　这里的突水系数在数值上相当于匈牙利的“相对隔水层厚度”的倒　数。　２０世纪７０年代至８Ｏ年代，西安分院水文所对突水系数的表达式　经过两次修改后确定为：　Ｔ　Ｐ／（∑Ｍ．ａ。一ｃ　（２）　式中：Ｍ．为隔水层第ｉ层厚度；　ａｉ为隔水层第ｉ层等效厚度的换算系数；　ｃ　为矿压对底板的破坏深度，Ｉｎ。　（井），甚至同一矿井的不同地段地质条件及水文地质条件的差异，临界　樊水系数法因写入相关规程而被现场广泛应用。由于不同矿区　突水系数有时变化很大，在实践中不宜掌握，过于保守，会影响资源的　合理回收。该方法只考虑了底板隔水层厚度、承压水头压力和底板破坏　深度等因素，并且突水系数是经验统计值，因此机械地应用突水系数评　价底板突水危险性，准确率很难把握。　２．３“下三带”理论　该理论由原山东矿业学院李白英等于１９８８年提出　。）。该理论认为　煤层底板自上而下存在着三个带：采动破坏带（Ｉ带），完整岩层带（ＪＩ带），　导升高度带（ＩＩＩ带）并得出了底板破坏深度与采面斜长之间的线性关系，　代表了底板变形理论研究的新成果。但是“下三带”的概念比较模糊，并　且最终是类似于突水系数的，用平均每米完整岩层保护带能抵抗水压　的能力作为预测突水与否的准则，因此也存在和突水系数法同样的缺　点。　２．４原位张裂与零位破坏理论　由煤科总院北京开采所王作宇、刘鸿泉等人于２Ｏ世纪９０年代初　提出　５１。该理论认为：矿压、水压联合作用于工作面对煤层的影响范围　可分为三段：超前压力压缩段（Ｉ段）、卸压膨胀段（ＩＩ段）和采后压力压缩　稳定段ｆｌＩＩ段）。该理论对占５０％以上发生于采空区的突水无法解释。　２．５薄板模型理论　该模型由煤炭科学院北京开采所张金才、刘天泉１９９７年提出　。　他们将底板分为采动破坏带和底板隔水带，将隔水带处理为四周固支，　受均布荷载的薄板，然后用弹塑理论计算出底板承受的极限水压荷载。　作为层状岩体的底板近似为板是正确的。但是由于突水工作面底板至　含水层的距离一般为２０—３０ｍ，甚至更大，而底板破坏带深度一般为　该理论由中国矿业大学黎良杰、钱鸣高于１９９６年提出１８］。该理论认　为顶底板隔水层中承载能力最强的岩层为关键层。关键层的强度决定　着顶底板的破坏形式。关键层破坏就会发生突水。他们把关键层作为薄　板处理，建立薄板模型。对于顶板的破坏计算和水情分析，该理论是合　理的。而对于底板，该理论实用性较差。事实上底板承载能力强的坚硬　岩层往往隔水性能弱，而承载力弱的软弱岩层往往隔水性能好。因此该　理论的应用条件受到很大限制。　２．７“下四带”理论　该理论于２１世纪初由山东科技大学施龙青提出　。“下四带”理论　的模型：它将开采煤层底板自开采煤层底板的顶到含水层之间的岩层划　分出四个组成带：Ｉ矿压破坏带、ＩＩ新增损伤带、ＩＩ１原始损伤带、ＩＶ原始　导高带。　第１带：“矿压破坏带”是指矿山压力对底板的破坏作用显著，底板　岩石的弹性性能遭到明显伤失的层带。其特点为：岩石处于粘弹性状态；　各种裂隙不仅交织成网，而且惯通性好、导水性能很强；岩层的连续性　彻底破坏，完全伤失了隔水能力；承压水沿该带突出所消耗的能量仅仅　用于克服突水通道中的沿程阻力。　第１Ｉ带：“新增损伤带”是指受矿山压力破坏的影响作用明显，岩石　弹性性能发生了明显改变的层带。其特点为：底板岩层的原有抗压强度　明显降低，但岩层的弹性性能尚未完全伤失，即岩石仍处于弹性状态；　岩层的原有裂隙得到了明显地扩展，但尚未相互贯通；岩层具有一定的　连续性和隔水能力；承压水要沿该带突出，其消耗的能量主要用于贯通　裂隙。第１　ＩＩ带：“原始损伤带”是指不受矿山压力破坏作用的影响或影响　‘　甚微，岩石弹性性能保持不变的层带。其特点为：岩石保持原有弹性性　能；岩层内的裂隙保持原先的非相互贯通状态；岩层的连续性和隔水能　力良好；底板水要沿该带突出，其消耗的能量主要用于破坏岩石及贯通　裂隙。　第１Ｖ带：“原始导高带”是指不受矿山压力作用的影响，并发育有承　压水的原始导高的层带。其特点为：因水化学作用，岩石处于弹塑性、塑　性状态；裂隙发育差参不齐，并已成为突水通道；岩层的连续性差；底板　水从该带突出只需克服沿程阻力。　该理论的力学基础是损伤力学与断裂力学理论，在各带厚度计算　公式推导方面采用了较为复杂的理论研究，因此在一定程度上限制了　所得公式的现场推广与应用。如何进一步提高该理论的实用性还有待　于不断探索和研究。　３。底板突水理论研究展望　由于现场地质条件的复杂性，煤层底板岩体应力场及变形破坏特　征的研究还处在不很完善的阶段，现有的研究成果与实际需要还相差　很远，尚有众多的理论和实际问题需要人们进一步更全面、更深入地研　究、总结、完善。　（１）在底板变形破坏特征研究上，忽视了地下水对底板隔水层的破　坏作用，对水压对底板岩层阻水性能的影响作用认识不足。　（２）对采动过程中的矿压和高水压共同作用下的岩体渗透性变化、　突水通道的形成过程及形成机理还缺乏研究，而这方面也是底板突水　研究的一个重要方面。　参考文献　［１］施龙青．底板突水机理研究综述［Ｉ］．山东科技大学学报（自然科　学版），２００９，２８（３）　［２］李白英，弭尚振．采矿工程水文地质学［Ｍ］．泰安：山东矿业学院　出版社．１９８８　［３］荆自刚，李白英．煤层底板突水机理的初步探讨［门．煤田地质与　勘探，１９８０（０２）　［４］３－作宇，刘鸿泉．承压水上采煤［Ｍ］．煤炭工业出版社，１９９２　［５］王作宇，张建华，刘鸿泉．承压水上近距离煤层重复采动的底板　岩移规律［Ｊ］．煤炭科学技术，１９９５（０２）　［６］张金才，张玉卓，刘天泉．岩体渗流与煤层底板突水［Ｍ］．１９９７　［７］张金才，刘天泉论煤层底板采动裂隙带的深度及分布特征［Ｍ］．　１９９０（［８］０２）　钱呜高，缪协兴，许家林．岩层控制中的关键层理论研究［Ｍ］　１９９６（３１）　［９］施龙青，韩进．开采煤层底板“四带”划分理论与实践［Ｊ］．中国矿　业大学学报，２００５（０１）