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1、1. 概况承压水一般是指可采煤层顶、底板岩层内赋存的岩溶石灰岩层承压水体。我国60的煤矿与岩溶灰岩有关，30多个煤田存在承压水患威胁造成的平衡表外储量达200多亿t。华北、华东地区开采石炭二叠系煤田，煤系地层基盘是巨厚的奥陶系灰岩，水量大、水压高，东起徐州、淄博，西至陕西渭北，北起辽宁南部，南至淮南、平顶山一带的主要矿区，如：开滦、邢台、邯郸、峰峰、淄博、肥城、新汉、徐州、焦作、鹤壁、淮南等矿区在开采下组煤时多受底板岩溶承压水的威胁，其总产量达2亿t以上。我国南方岩溶类煤矿床以晚二叠系煤田为主，顶板长兴灰岩和底板茅口灰岩的岩溶承压水，对矿井开拓、开采影响很大，据不完全统计，湖南、广东、江西和广
2、西等省（直辖市）受水威胁的煤炭储量约16亿t以上。承压水对矿井开拓造成了巨大影响。常以数倍、数十倍，甚至百倍于排水能力的水量突入矿坑造成水患。进入80年代以来，随意我国煤矿开采强度增加，开采水平的延深，矿井承压水的突水事故较50年代增长了257，淹井次数增长96。如1984-1985年8月全国统配煤矿连续发生重大突水淹井灾害和事故22起，影响产量1475万t，直接经济损失7亿元。淄博矿区在开采下组九、十层煤过程中，先后发生承压水突出事故160次，造成淹井16次，淹水平或采区11次，经济损失6000万元以上。肥城矿务局杨庄矿1985年5月发生徐家庄灰岩水突水淹井事故，井下全部设备被淹没，停产半年
3、，损失2000万元以上。陕西渭北煤田的桑树坪、马沟渠、象山、董家河等矿井曾先后被淹，有的推迟投产，有的被迫更改水平设置和井巷布置方式，报废已开拓的斜井810m、石门378m、井底车800m。华北石炭二叠系的下组煤，受承压水威胁，几十年来主要是开采上组煤总数矿井第一、第二水平的上组煤均已采完或接近采完，致使矿井巷道不能联台布置，开采顺序层层扒皮，薄厚煤层、煤质好坏不能合理配采，被迫往深部开拓，造成采区分散水平接替紧张，采掘布置极不合理的局面。一些老矿区，如井陉、焦作、峰峰等，下组煤受底板岩溶承压水的严重威胁，多列于平衡表外或作为远景储量，影响了这些老井挖掘潜力、经济效益和延长矿井服务年限。井陉矿
4、区受承压水威胁的储量l992年占总储量的85，峰峰、邯郸、邢台矿务局该种储量平均所占比重分别为49.5、52.06、75.36，淄博矿务局据“八五”期间的开拓安排，受水威胁的采区26个，6全局开拓采区的50以上。受承压水影响，矿井排水设备增加，防堵水系统复杂，疏排水费用极高。肥城矿务局东部4个矿主泵房排水能力均达5000m3h以上，1986年以来补建水闸门20道，每个水平、采区形成独立的疏排水系统。邯郸、峰峰等富水矿井，水平的排水能力一般都在3600 m3h左右，装机能力可达7200 m3h，面焦作矿区平均每采1 t煤要排出60 t水，其九里山矿吨煤排水量高达93 m3t。河北临城煤田，承压水
5、的疏排费占开采成本的31.8。40多年来，我国煤矿在承压水上进行了大量的开拓开采试验和经验推广。70年代以来，采用深井强排疏干降压方法，对薄层灰岩及部分厚层灰岩利用各种疏水工程和设备，如开凿专门疏水井巷、大口径钻孔、安设潜水泵等，进行逐层分水平疏水降压；在查清区域水文条件基础上，堵截水源，分水平建立大流量的排水基地；在一些矿井试验设计合理开拓布置，分区域、分水平建立联合泵房和防水线，带（水）压开采综合治理的防治措施等，均取得了相应的成绩。特别近几年来，肥城、徐州、淮南、峰峰、淄博、焦作等矿区，每年果出受承压水威胁影响的煤炭资源600万t以上，并使数亿吨的水患储量得到解放。我国具有代表性的承压水
6、上开拓开采矿井情况列于表1.1：表1-1 我国主要富水矿区具代表性矿区承压水上开拓开采情况矿务局 矿开拓方式开采水平承压含水层名称底板岩柱厚度，m岩柱承受水压，MPa最大排水能力m/min主要技术路径开滦 赵各庄主斜副立1056奥灰120-14010-11100疏水降压焦作 九里山立井上下山250L8奥灰18-243278疏水降压邯郸 王风一坑立井暗斜井多水平分组大巷10奥灰201.3120预疏大青水带压开采肥城 大封立井上下山55五灰13-221.01112底板注浆加固带压开采井陉 一矿立井水平大巷100奥灰332.6-4.623带压开采峰峰 三矿立井分组大巷20奥灰461.5120大青疏干
7、带压开采淄博 双沟矿双斜井水平大巷250徐灰231.18-2.4933疏水降压淮南 新庄孜矿主、副立井集中大巷410太灰12-181.99113疏水降压焦作 王凤矿主井分层大巷暗斜井0L28151.0572疏水降压井陉 三矿主、副斜井顶板大巷100奥灰553.352带压开采新汶 潘西矿双斜井水平大巷350奥灰50530疏水降压肥城 陶阳矿立井、斜井开拓分组联合大巷90五灰221.553疏水降压淄博 夏庄矿立井水平大巷450徐灰345.8-6.145带压开采2. 影响底板突水的主要原因2.1 底板突水类型（1）按突水地点可分为巷道突水和采场突水。巷道突水多以构造破坏为主，承压水通过断裂或构造破碎
8、带进入底板巷道揭露出来后，承压水就迅速涌入。采场突水多以采矿破坏为主，矿山压力破坏和削弱了底板隔水层的厚度和强度造成与含水层的密切水力联系。（2）按突水量大小按突水量大小可分为特大型突水、大型突水、中型突水和小型突水，它们的突水量如表2.1所列。表2-1 按突水量大小底板突水分类突水类型特大型突水大型突水中型突水小型突水突水量（m3/min）5020-495-195（3）按突水动态表现 可分为爆发型、缓冲型和滞后型。构造破坏是爆发型突水的主要原因，该类突水直接在采掘工作地点附近发生，一旦突水，突水量瞬间达到峰值，峰值后突水量趋于稳定或逐渐减小。爆发型突水来势猛、速度快、冲击力大、常有岩块碎屑伴
9、水冲出，排水不及时可淹没采区、水平或整个矿井。缓冲型突水发生在采掘工作地点附近，突水量由小到大逐渐增加，经几小时、几天甚至几个月才达到峰值，地质构造、矿山压力、水压或它们的综合作用都可能是这类突水的原因。滞后型突水发生在采掘工作面推进到一定距离后，滞后时间为几天、几个月甚至几年。这类突水多由于矿山压力或水压力长期作用，隔水层逐渐破坏而发生。随着采深增加，底板突水量有加大的趋势。2.2 底板突水原因分析 （1）煤层底板的受力与变形 在长壁工作面开切眼附近，煤层底板应力处于下降或卸压状态，岩体处于膨胀变形状态。如图2.1所示，工作面开采期间和停采后，底板岩层按应力状态和变形不同，分为底板压缩区、底
10、板不均匀隆起区和底板均匀隆起区。图2-1 煤层底板应力及变形分区前支承压力作用下，煤壁前方的煤层底板承受kH的铅应力，呈三向受力状态，以压缩变形为主。随着工作面推进，工作面控顶范围内煤层底板承受的铅垂应力几乎接近于零，进入采空区的煤层底板承受的铅垂应力至多恢复到H。长壁工作面控顶范围内的煤层底板呈膨胀变形状态，向上隆起，出现底鼓，伴随着底鼓，底板岩层中将出现顾岩层层理的裂隙。在支承压力作用下，从工作面煤壁到采空区一定距离和一定深度范围内的底板中出现水平拉应力，在压缩区和隆起区，分界处的底板中出现剪应力，拉应力和剪应力使底板出现一系列垂直于层面的断裂。垂直断裂和顺层断裂交叉，形成底板破坏带。在采
11、空区下方隆起区内，断裂呈松弛和张开状态，成为底板突水的通道。（2）煤层底板岩层中的下三带根据煤层底板破坏情况和岩溶水的导升情况，在工作面连续推进后，采空区下方煤层底板岩层中也可以分为三带，即所谓的下三带，如图2.2所示。（1）破坏带：邻接工作面的直接底板受到破坏，出现一系列沿层面和垂直于层面的断裂，使其导水能力增强，其厚度称底板破坏深度。（2）完整岩层带：位于破坏带之下，岩层虽然受到支承压力的作用，甚至产生弹性或塑性变形，但仍然能保持连续性，其阻水能力未发生变化。因此，称完整岩层带或保护层带。（3）地下水导升带：地下水导升带指底板含水层中的承压水沿隔水层裂隙上升的高度，即由含水层顶面至承压水导
12、升标高之间的部分，其厚度为h3（上图）。地下水导升带的厚度，取决于承压水的压力及隔水层裂隙的发育程度和受开采影响的剧烈程度。底板采动导水破坏带是煤层底板岩层受采动影响而产生的采动导水断裂范围，该范围内出现一系列沿层面和垂直于层面的裂缝，其深度为从煤层底板至采动破坏带最深处的法线距离。采煤工作面长度、采煤方法、煤层厚度、开采深度、顶底板岩性及结构通过影响前支承压力面影响底板采动导水破坏带深度。工作面长度愈大，矿山压力显现愈充分，底板破坏深度愈大。图2-2 下三带示意图1-破坏带；2-完整岩层带；3-地下水导升带h1-破坏带深度；h2-完整岩层带厚度；h3-地下水导升带厚度采煤方法对底板破坏深度的
13、影响主要表现在是增大还是减小直接顶板和基本顶的悬顶及冒落面积。顶板悬顶愈大，前支承压力峰值愈大，对底板破坏愈严重。煤层厚度或采高是影响顶板垮落高度和采空区充填的重要因素，采高大，则底板破坏较深。采深加大后前支承压力的绝对量随采深加大面加大，底板破坏深度也随之加大。顶板的岩性和结构通过影响悬顶状况，冒落面积、冒落高度和来压步距来影响前支承压力。而底板的岩性和结构反映了阻止底板破坏的能力。从1992年开始，我国对壁式工作面底板采动破坏深度进行了实测，通过统计分析，得出了底板采动导水破坏带深度与工作面斜长的关系，如图2.3和式（2-1）。 h1=0.303L0.8或 h1=0.7007+0.1079
14、L （2-1）式中 L壁式工作面倾斜长度，m； h1底板采动导水破坏带深度。若考虑采深、倾角和工作面斜长，可得（2-2）式。 h10.0085H0.16650.1079L4.3579 （2-2）式中 H开采深度，m； 煤层倾角，（）。图2-3 工作面底板采动导水破坏带深度与工作面斜长的关系断层带附近的采动导水破坏带深度比正常岩层中增大约0.5-1.0倍。原苏联对煤层采动后底板危险区深度进行了观测研究，底板危险区深度与岩性有关结果如表2.3所列。表2-3 底板危险区深度 注：Rc为岩石单轴抗压强度。采深m底板危险区深度mRc=20-70MPaRc=70MPa2506-102-3200-5008-133-6500-750136我国对不同采煤方法的底板破坏深度也进行了研究，根据数值计算，并对照现场实测结果，得出4种采煤方法的底板破坏结果，如表2.4所列。表2-4 不同采煤方法的底板破坏深度采煤方法及面长长壁80-100m短壁50m条带20m房柱15m15m底板破坏深度/m10-173.5-72.5-33-5 底板阻水带底板阻水带是位于煤层底板采动导水破坏带以下、底
