煤层工采对底板突水的影响

　　底板水问题在我国煤矿产生过程中非常突出、非常普遍，涉及我国大部分煤田。包括华北、华南的大部分晚古生代煤田及个别的中生代及新生代煤田。其涉及范围之广，水量之大，危害之重，世界罕见。影响煤层底板突水的因素很多，高压水头是引起突水的一个重要条件，位于煤层底板的含水层，采掘工作面一般不能直接揭露，其中间隔有不透水或弱透水的岩层承压水，要进入采掘空间必须要有一定的力来突破隔水层或冲刷弱水透水层的裂隙；地质构造，如断层和陷落柱等，这些会使岩体强度降低，阻水能力减弱，涌水通道发育；岩层结构与岩性特征，如岩体的强度、完整性和隔水与阻水性能；力学作用，如原岩应力大小、方向，开采活动引起的围岩应力重新分布和结构面再扩展；承压水对岩体的物理、力学和化学作用等。

　　1控制煤层底板突水的主要作用力

　　影响煤层底板突水的主要作用力很多，从力学观点来看主要有：①煤层底板下伏含水层的水头压力，包括动压和静压；②矿山动压力和静压力；③地应力；④煤层底板与下伏含水层之间的相对隔水层的重力；⑤相对隔水层的岩体强度。

　　动压包括顶板冒落时岩块对底板的冲击力、采煤机械或放炮的震动力等，这些对底板突水起诱发作用。水头压力和矿山压力起到破坏隔水层底板，促使底板突水的作用力；而隔水底板的策略和强度则是维护底板完整、抑制底板突水的约束力。当约束力足以平衡作用力时，底板保持稳定，不致发生底鼓和突水；否则不可能发生灾害。

　　2煤层开采对底板的破坏及突水的形成条件

　　2.1采动对底板破坏作用

　　（1）应力状态的改变。当工作面从开切眼开始回采之后，采面围岩应力将发生变化。随着工作面的推进，煤层底板前方处于支承压力作用而压缩。工作面推过后，应力释放，底板处于膨胀状态。随着顶板的冒落，采空区冒落矸石的压实，工作面后方一定距离的底板以恢复到原岩应力状态。由于工作面是在不断推进的过程中，所以，底板处于压缩——膨胀——再压缩的状态。而在压缩与膨胀变形的过渡区，底板最易发生破坏。在开切眼附近，竖向应力集中程度最高，底板容易发生变形及产生裂隙。在上、下出口附近煤层的底板不仅受到支承压力的影响，而且受静压力的影响，因此，沿上、下出口附近底板的采动裂隙比较发育，易形成突水点。而在上、下出口与开切眼处，突水的几率则更大。在工作面停采线处，由于没有动压的影响，底板的变形及破坏程度较小。发生突水的可能性不大。

　　（2）结构面的再扩展。工程采动能够引发原结构面的再次扩展。由于结构面本身物理性状的差异性，其扩展后导水性能不尽相同，根据涌水量的变化情况，裂隙受采动的程度可划分为五种基本类型：①增大型，裂隙受到短轴方向拉伸、长轴方向压缩的矿压作用，充填物少；松散受力后裂隙逐渐张开，涌水量逐渐增大；②下降型，裂隙受到短轴方向压缩、长轴方向拉伸拉矿压作用，充填物多；受力后裂隙压缩，涌水量逐渐减少；③裂隙走向与矿压作用方向成一定的角度，受力不均，充填物较多，涌水量时大时小，但总的趋势是下降型；④裂隙走向与矿压作用方向成一定的角度，受力不均，充填物较少，涌水量在工作面后方趋于稳定；⑤裂隙受到双向压缩的矿压作用，充填物少，受力后基本不产生变形，涌水量呈稳定型。

　　（3）采动裂隙带的形成。由于采动矿压和水的作用，在底板采动破坏深度范围内，底板岩层中一般产生3种裂隙：①竖向张裂隙，分布在紧靠煤层底板的最上部，是底板膨胀时层向张力破坏所形成的张裂隙；②层向裂隙，主要岩层面以离层形式出现，一般在底板浅部较发育，它是在采煤工作面推进过程中底板受矿压作用，反向位移沿层向薄弱结构面离层所致；③剪切裂隙，一般为两组，以60°左右分别反向交叉分布。这是由于采空区与煤壁及采空区顶板冒落在受压区岩层反向受力剪切形成。

　　上述三种裂隙严重破坏了底板岩体的完整性，当它们与含水层（或承压水导升带或导水断层）沟通，要发生底板突水。底板岩体的破坏深度与程度主要与采场矿压大小和矿压显现剧烈程度以及底板特征有关。其中前者的影响因素有：开采深度、直接顶厚度及采高，煤层倾角，工作面尺寸大小以及顶板岩性与结构等；后者的影响因素有底板岩性、岩体结构与构造特征等。

　　2.2突水形成条件

　　自20世纪80年代以来，多项突水机理的观点先后问世，其中较为流行的观点之一是“下三带”理论。

　　Ⅱ、Ⅲ带虽有一定的阻水作用，但起主要保护作用的是Ⅱ带。如果由于开采矿压破坏和水压的导升作用，造成Ⅱ带消失或变薄，或由于构造产生水力通道，或由于底板厚度很薄等，都会发生突水事故。

　　在开采矿压作用下，通常有以下4种型式形成突水通道：①在开采矿压作用下，底板破坏带h1涉及到承压水导升带h3，或h1涉及到承压含水层（无导升带h3时），矿压产生的底板破坏带使原岩裂隙结构面产生不同程度的扩张、延展，在底板中产生了具有连通性的裂隙结构面，具有一定压力的承压水沿着裂隙上升，冲刷结构面，使裂隙软化、蚀扩，逐渐形成较大的突水通道，造成突水。②在开采矿压作用下，底板破坏带h1与承压水导升带h3，或h1与承压含水层（无导升带h3时）之间的距离h2小于保护带的安全厚度（h2）时，随着开采跨度的增大，承压水将突破底板岩梁进入工作面。③在开采矿压作用下，所留断层隔离煤柱被压碎，通过断层面或断层破坏带的压水突破煤柱进入工作面。因此，保留足够宽度的隔离煤柱，使之不被开采矿压破坏是防止承压水进入工作面的关键问题之一。④在开采矿压作用下，通过断层面或断层破坏带的承压水与底板h1连能发生突水。这一通道形成的条件将涉及煤层底板破坏深度和煤层支承压力高峰的位置及向底板延伸的方位。为了防止承压水从底板破坏区进入工作面，必须使破坏深度线和剪切破坏延伸线的交点与断层保持一个足够安全的的距离。

　　3开采对底板破坏深度计算

　　目前，我国普遍采用突水系数衡量承压开采时煤层底板突水的危险性，突水系数越大，突水危险性越大。突水系数可用公式表示为

　　T s=p /(m- hp)

　　式中 T s——突水系数；

　　p——承压水压力；

　　m——底板保护层厚度；

　　hp——采动破坏带深度。

　　其中p,d两个指标容易准确获取，而hp值不宜准确获取。hp值的确定通常采用现场实测、经验估算、理论计算等多种手段。一般情况下可分为下列三种情况。

　　（1）理论计算。采用下列理论公式，比较其结果，取其最大值。

　　h1＝1.57γ2H2L/4R2c,

　　h1＝(n+1)H/2π(cotΦ0-π/2+Φ)- σ/γtanΦ0-mH,

　　h1＝0.015HcosΦ0/2cos(л/4+Φ0/2)?exp[л/4+Φ0/2]tanΦ0，

　　式中 h1——底板采动破坏深度，m；

　　m——最大支承压力系数；

　　γ——底板岩体平均容重，kg/m3；

　　H——采深，m；

　　L——工作面斜长，m；

　　σ——底板岩体平均内聚力，MPa；

　　Φ0——底板岩体平均内摩擦角，（°）

　　（2）现场实测。现场实测通常采用钻孔抽（放）水试验及其它探测手段确定破坏深度。根据全国已有的工作面底板破坏深度的实测资料，通过对各种因素的对比分析，选取开采深度、煤层倾角、岩石强度和工作面斜长等4个主要因素，进行了多元回归分析，得到底板破坏深度的回归公式为（复相关系数为0.95）：

　　h1＝0.111L＋0.006H＋4.541σc -0.009α-2.40

　　式中 σc ——岩石单轴轴抗压强度，MPa；

　　α——煤层倾角（°）

　　（3）经验估算。计算通常采用的经验公式为：

　　h1＝0.7007＋0.1079L

　　4 结 语

　　（1）从时间上看，突水多发生在采面初次来压期间，在正常推进中二次或周期来压前局部空顶距过大时也易突水。

　　（2）从位置上看，多数突水点离切眼的距离为初次来压的步距或周期来压步距附近，特别是在初次来压步距的附近。突水时工作面从切眼煤壁推进的距离一般为20～70m。而且决大多在40m以内。在工作面倾斜位置上，多发生在工作面上巷附近。

　　（3）从推进速度来看，采面推进速度慢较易突水，采面突然停止推进处也易形成突水。

　　（4）从隔水层厚度来看，一般为20～40m，而开采矿压对煤层底板的破坏深度一般为6～20m。

　　带压开采导致突水的原因是多方面的，而地质构造是突水的控制因素；矿山压力是触发与诱导因素，起到桥梁的作用；含水层的富水性和水压是前提条件（即物质基础），决定突水量的大小和速度；而底板隔水层对突水起抑制作用。在特定的水文地质条件下，对突水起关键作用的是开采矿压和地质构造。