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1、“国家大学生创新性实验计划项目”大学生科技创新基金(091029001)中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室2007年开放基金(07KF04)煤矿底板突水机理及“五带”理论摘要：通过分析我国煤矿底板突水的基本特点，探讨了其底板突水机理，将 煤矿底板突水划分为两大类型，即构造底板突水、工程扰动底板突水。从底 板受力和破坏形式的差异出发，将底板分为“三区和“五带。运用箱体 模型解释了地下水不同储水带、导水带间的径流、补给及排泄现象。关键词：底板突水五带理论防治方法Mechanism of water inrush from coal seam floor and the theory of
2、 five bandsCao Weikang Zhang Haijun Gao Pengfei Li Zhenlei(China University of Mining and technology, college Mining Engineering, Xuzhou Jiangsu Province China 221008)Abstract： Through the analysis of basic characteristics of water inrush from coal seam floor and the discussion of mechanism of water
3、 inrush from coal seam floor, water-inrush is divided into two types : water inrush from coal seam floor led by geologic structure and water inrush from coal seam floor led by engineering disturbence. According to the difference of the force of coal floor and failure forms, coal seam floor is divide
4、d into Three Districts and Five Bands. The Box Model can be established to explain the phenomenon of runoff ,supply and excretion between different Water belts and water flowing fracture of groundwater.Keywords: water inrush from coal seam floor ; the theory of Five Bands; Preventive method0引言煤矿水与瓦斯
5、、冲击矿压等灾害并列，是矿山建设与矿山生产过程中上 的主要安全灾害之一，其破坏性给国家和人民带来了重大的人身伤害和经济 损失。煤矿底板突水主要受含水层的富水性和透水性、隔水层的隔水性、地 下裂隙的导通性、地下水系的连通性、静水压力和矿山压力等因素的共同影 响。根据突水原因可将其分为两类，即地质构造底板破坏性突水和采矿扰动 底板破坏性突水。近年来随着开采深度和工作面开采空间尺度的不断变化， 底板突水形成机理及其破坏性都与过去有了很大的不同。因此，寻求新的矿 井底板突水防治技术与方法，对于现代矿井的建设与开采具有更加重要的意 义。1煤矿底板突水机理煤矿底板突水是指矿山在建设开发过程中。不同形式、不
6、同水源的水通 过某种途径从地板突入矿井，给矿山建设和生产带来不利影响和灾害的过 程，其突水机理是：一定条件下，在静水压力和矿山压力的影响下地板岩层 裂纹发育并延伸，使隔水层岩层聚集大量的能量，当集聚的能量超过隔水层 岩层的承受能力，隔水层岩层从某一弱面破断，从而使含水层水在水压的作 用下沿破断裂隙涌入矿井的过程。一般突水的大小主要取决于水压；突水的 难易程度主要受隔水层的影响；突水的持续时间受周围水源和补给路径的控 制5。2地质构造底板突水2.1断裂和断层底板突水断裂是岩石受到某一力的作用而发生的大变形，按其受力分为拉、扭、 压三类，一般张性断裂突水性大于压性断裂突水性，扭性断裂突水性居于两
7、者之间。断层是断裂的一种特殊形式，它的突水性远远大于一般的断裂，因 为断层既是一个含水体又是一个导水通道。由于其导储水性在空间上的复杂 性，通常以断层两盘的岩性来判断其突水性的大小，如图1所示。断层突水的特点：水量大，破坏性强，突发性强，一般突水后矿井无法 恢复。断层产状、规模及其水文条件在空间上的差异，使断层突水研究高度 复杂化，所以，对于断层的研究不能以局部特性代替整体性质2。断层两盘 岩性发育情况透水 性代表岩石脆性可溶L_LJ 石断裂、裂隙、喀斯特发育很强石灰岩、白云L_LJ 石脆性不可溶岩张开性好的牵引裂隙发育较强石英岩、石英砂岩柔性岩良好的脆性、填充性阻止 了裂隙、孔隙的发育较弱泥
8、岩、页岩图12.2裂隙一一岩溶底板破坏突水裂隙是岩石在成岩过程中或是后期受到外力而产生的一些裂痕、缝隙,其含水性和透水性相对而言比较小，但裂隙给岩溶的发育创造了很好的条 件。溶岩一旦在裂隙中发育，由于受岩溶水的侵蚀作用，周围岩层就会不断 溶解，从而形成具有不同特点的储水空间和导水通道。溶岩不仅破坏了岩石 的整体性，而且使得整个地下水形成网状、联通的含水体系。其突水的特点： 突水性强、破坏性强、突水持续时间长、突水频率高等。下面通过箱体模型 说明其突水的特点：有四个水箱A、B、C、D，水箱的大小表示储水量的大小，箭头表示水流 的方向，箭头的粗细表示水流动的难易程度，粗箭头处水容易排泄，水箱水 位
9、表示地下水的平均水位。大的裂隙（断层）和大的溶岩储水体（溶岩陷落柱和大的溶洞）主要以 储水为主，导水为次，用A表示；小的裂隙（断裂）和溶岩导水体（溶穴） 主要以导水为主，储水为次，用B表示，C和A性质类似，但其储水能力较 小；D和B性质类似，其导水能力较小。现用A、B、C、D箱建立地下水的 补给、径流、排泄模型，通过四个水箱可以看出四个储水带（带水通道）间 的水位、径流及补给等关系。现以A、B、C、D为类分析其突水特点。图2地下水的补给、径流，排泄模型Figure 2 the model of runoff supplyand excretion in groundwater1）A类底板突水：
10、一般出现在溶岩发育或地质作用较强的地段，距离地表的距离较小，其补给来源主要是大气降水、地表水等。储水能力很强，受B、C类水源补给的能力较弱（图2-1）；突发性很强、破坏性极强、突水时间较 短。2）B类底板突水：一般出现在裂隙密集或溶岩较发育地段，其导水能力很 强，突水时主要受到A类水源的补给（图2-2），破坏性较、强突水时间强。3）C类底板突水：一般出现在奥陶纪等灰岩含水层中，距离地表较深，储 水能力较强，突水是直接受B，D类水源补给，间接受A类水源的补给（图 2-3），破坏性很强、突发性极强、突水时间很长。4）D类地板突水：一般出现在地下水排泄的地段，由于储水能力较小、补 给的滞后性等特点（
11、2-4），突水时破坏性很小。图2-1 A箱处地板突水模型Figure2l the model of water inrush from coal seam floor at A BoxA VBc*D级f T5V补补Y补一给f图2-2 B箱处地板突水模型 Figure 2-2 the model of water inrush from coal seam floor at B BoxAv级f 补给B一补f-给fc级_今补图2-3 C箱处地板突水模型 Figure 2-3 the model of water inrush from coal seam floor at C BoxA vBCD顼
12、f补一给V卜一给fV级 补给V图2-4 D箱处地板突水模型 Figure 2-4 the model of water inrush from coal seam floor at D Box3采动影响底板突水煤层开采破坏了原始的应力平衡。工作面从开切眼开始回采，在回采过 程中引起回采空间的应力重新分布，这种应力分布不仅仅在回采空间周围煤 体中集中，还会向底板深部进行传递，在底板岩层一定范围内重新分布，它 不仅改变了底板岩层的受力状态，而且影响了底板岩层导水裂隙的发育情 况，很大程度上决定了底板突水能力的大小。3.1下“三区”和“五带”理论传统的下“三带”和“四带”理论，忽略了矿山开采活动中由
13、于老顶的 初次来压、周期来压、冲击矿压等一系列的矿压显现所引起的矿山岩体震动 对裂隙的影响，因此这些理论有待于进一步丰富和发展。在煤层开采中，受水压和矿山压力的共同影响，工作面底板根据其受影 响的特点，在水平方向分为“三区，垂直方向分为“五带1）水平方向上分布规律离工作面前方20米左右（如图3），由于受超前支撑压力的影响，这一 范围煤层底板整体呈现受压状态，这一区域称超前支撑压力压缩区；工作面 至采空区一定范围内，由于顶板应力处于减压区范围内，所以底板卸压后处 于膨胀状态，一般出现底板鼓起，这一区域称为稳压区；随工作面向前推进， 采空区后方老顶逐渐破断，压实破碎岩石，煤层底板又处于压缩状态，这
14、一 区域称为采空区压力压缩区；煤层底板岩层在开采过程中都会经历压缩一膨 胀一压缩的过程，从而破坏底板岩层的整体性、隔水性。一般在开采中稳压 区底板突水的几率最高，因为这一区域底板呈现膨胀状态，张裂隙发育很快， 对隔水层的破坏也极强，最易形成导水裂隙与含水层沟通，发生突水；压缩 区裂隙处于闭合状态，突水的几率相对小一些。2）垂直方向上分布规律工作面开采空间的应力通过周围煤体向煤层底板岩层中传递，随深度的 增加显现的规律有一定的差别，通过分析将其从上至下分为“五带”（如图3）： 采动破坏带（h 、采动裂隙延伸带（七）、完整隔水带（”3）、水压裂隙 延伸带（h4）、承压水原始导高带（h5）。采动破坏
15、带：靠近煤层底板的岩层，主要受矿山压力的影响而形成的破 坏裂隙带；采动裂隙延伸带：位于采动破坏带和完整隔水层之间，在受到矿山震动 或冲击的影响产生的裂隙带；是破坏带裂隙的二次发育；完整隔水带：在底板岩层中相对情况下，其完整性、隔水性较好；主要 受地质构造的作用，在结构面的剪切下形成一些较小裂隙；水压裂隙延伸带：位于在完整隔水带和承压水原始导高带之间，在水压 和矿山岩体的震动、冲击下形成的裂隙，是导水带裂隙对底板的初次破坏；承压水原始导高带：在不受到矿山开米的影响下，承压水的发育高度； 可分为1、11两部分，1是破碎弱导水区，11是含水强导水区（图3）；采空区压力压缩区超前支承压力压缩区二 I I I I I I I. 巾，图3 “三区”、“五带划分模型 Figure 3 the model of Three DisTrcrs and Five Bands3.2采动破坏最大深度（hi）的计算7图4采动影响底板破坏深度Figure 4 the mining impact on coa_ floor fa
