娄娘野话19楼全文阅读:煤层底板突水理论现状研究

        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[1]

    早在20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70年代至80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20世纪60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，m。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80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：

    Ts=P/(ΣMiai-Cp)(2)

    式中:Mi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；

    Cp为矿压对底板的破坏深度，m。突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(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[2，3]。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(II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20世纪90年代初提出[4，5]。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(III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[6，7]。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7～12m，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

    该理论由中国矿业大学黎良杰、钱鸣高于1996年提出[8]。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

    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［J］.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