李乾龍++胡同旭++徐楊++馬杭州++李洪濤

摘 要：針對(duì)煤礦底板采動(dòng)突水嚴(yán)重威脅煤炭開采安全的這一災(zāi)害現(xiàn)象，總結(jié)分析了國外及國內(nèi)針對(duì)底板突水的研究成果及其應(yīng)用價(jià)值?？偨Y(jié)了國內(nèi)學(xué)者針對(duì)斷層突水的研究現(xiàn)狀，分析了斷層突水的誘因及判別標(biāo)準(zhǔn)，指出斷層突水問題的復(fù)雜性在于采動(dòng)作用應(yīng)力下含隱伏斷層底板的滲流破壞規(guī)律，并展望和討論了底板突水治理的核心難題和可能的出路。

關(guān)鍵詞：底板；采動(dòng)；突水；斷層

中圖分類號(hào)：TM914.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）01-0152-02

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，占我國能源主導(dǎo)地位的煤炭的消耗量不斷增加，煤炭開采正逐漸向深度和廣度上發(fā)展，而由此帶來的水害事故也日趨嚴(yán)重。目前，全國煤礦遭受水害威脅的煤炭儲(chǔ)量高達(dá)250億噸，造成40%左右的煤炭資源難以正常開采，大大增加了生產(chǎn)成本[1]。近年來，突水事故造成眾多安全事故，給煤炭工業(yè)造成了巨大的損失。

通過分析底板突水事故中的水文地質(zhì)資料和突水原因，我們可以發(fā)現(xiàn)大部分的突水事故發(fā)生在回采工作面，并且斷層突水占突水事故總數(shù)的80%以上，故斷層突水成為了困擾煤炭安全生產(chǎn)的重大難題。學(xué)者們在斷層與突水預(yù)測方面做了大量的研究工作，得到了斷層突水相關(guān)規(guī)律，但對(duì)于在采動(dòng)影響下斷層活化、裂隙發(fā)育及突水通道的形成過程、突水模式和斷層滯后突水機(jī)理方面，仍不夠完善，需要做深入研究。

本文首先總結(jié)了國內(nèi)外針對(duì)地板突水的研究進(jìn)展，闡述了科研專家針對(duì)突水機(jī)理的研究和防治工作所作出的突出貢獻(xiàn)，針對(duì)斷層誘發(fā)底板突水這一突出問題，總結(jié)歸納了國內(nèi)專家學(xué)者所做的主要研究工作，分析了斷層突水的誘因及判別標(biāo)準(zhǔn)。深入研究采動(dòng)作用下含隱伏斷層底板的滲流破壞規(guī)律，可為承壓水上采煤的突水機(jī)制分析及防治提供一些新的認(rèn)識(shí)，對(duì)于解放受承壓水威脅的煤層具有重要的意義。

1 底板采動(dòng)突水研究進(jìn)展

煤炭突水問題在煤炭開采過程中廣泛存在。國外學(xué)者針對(duì)突水問題進(jìn)行了大量的研究工作，100多年前，匈牙利的韋格·弗倫斯第一次提出了底板相對(duì)隔水層的概念，并建立了水壓、隔水層厚度與底板突水的關(guān)系。原蘇聯(lián)學(xué)者B·斯列薩列夫?qū)⒚簩拥装逡曌鲀啥斯潭ǖ某袎壕驾d荷作用的梁，并結(jié)合強(qiáng)度理論推導(dǎo)出底板理論安全水壓值的計(jì)算公式。匈牙利和南斯拉夫等國學(xué)者提出相對(duì)隔水層厚度概念，并以此作為承壓水上開采煤層底板突水與否的標(biāo)準(zhǔn)。C·F·Santos、Z·T·Bieniawski分析了底板的承載能力。

我國學(xué)者針對(duì)煤層底板突水的研究始于60年代初，在1965年焦作水文會(huì)戰(zhàn)時(shí)提出了突水系數(shù)的概念，以此作為突水預(yù)測預(yù)報(bào)的標(biāo)準(zhǔn)，并且取得相關(guān)礦區(qū)的臨界突水系數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。70～80年代，煤炭科學(xué)研究總院西安分院水文所引用了“等值隔水層厚度”的概念對(duì)突水系數(shù)公式進(jìn)行了修正，從而提高了預(yù)測精度。

自從改革開放以來，我國對(duì)于煤炭的需求量日益增加，使得煤炭開采規(guī)模和深度逐漸增加。與此同時(shí)，煤炭開采帶來的突水事故也越來越嚴(yán)重。國內(nèi)學(xué)者對(duì)采場底板突水機(jī)理做出大量深入研究，得到了一系列新的理論，主要包括：

（1）改革開放初期，李白英等于提出了“下三帶”理論[2]，認(rèn)為開采煤層底板存在“三帶”：底板導(dǎo)水破壞帶，完整巖層帶和承壓水導(dǎo)升帶，其中完整巖層隔水帶主要作用是保護(hù)阻隔底板，當(dāng)?shù)装搴畮c底板導(dǎo)水帶溝通時(shí)，就會(huì)發(fā)生突水事故。

（2）煤科總院王作宇、劉鴻泉[3]等人于90年代提出了底板移動(dòng)的“原位張裂”與“零位破壞”理論。該理論認(rèn)為礦壓、水壓聯(lián)合作用于工作面對(duì)煤層的影響范圍可以分為三段：超前壓力壓縮段、卸壓膨脹段和采后壓力壓縮穩(wěn)定段。該理論闡明了底板巖體移動(dòng)的發(fā)生、發(fā)展、形成和變化過程，揭示了礦井突水的內(nèi)因。

（3）由煤科總院西安分院水文所[4]于20世紀(jì)90年代提出了“巖-水應(yīng)力關(guān)系理論”，通過分析采動(dòng)礦壓與底板承壓水水壓的關(guān)系，揭示了底板突水的過程及變化機(jī)理。

（4）錢鳴高、繆協(xié)興[5]于20世紀(jì)90年根據(jù)底板巖層的層狀結(jié)構(gòu)特征，建立了采場底板巖體的KS理論。該理論認(rèn)為，在采場底板巖層中存在一層強(qiáng)度最高的巖層作為底板的關(guān)鍵巖層，在采動(dòng)礦壓條件下，當(dāng)關(guān)鍵層達(dá)到極限破斷跨距時(shí)，煤層至含水層之間的其他巖層均已達(dá)到極限破斷跨距。

（5）劉天泉、張金才[6]等人于90年代初提出了“薄板結(jié)構(gòu)理論”。將底板隔水層帶看作四周固支受均布載荷作用的彈性薄板，通過采用彈塑性理論求得了以底板巖層抗剪及抗拉強(qiáng)度為基準(zhǔn)的預(yù)測底板所能承受的極限水壓力的判別公式。

（6）中科院地質(zhì)所于90年代后期提出“強(qiáng)滲通道”說[7]，該理論認(rèn)為底板發(fā)生突水的關(guān)鍵因素是突水通道。分為兩種情況：底板中存在固有的突水通道；及底板在采動(dòng)作用下形成新的次生通道突水。

（7）21世紀(jì)初中科院的邵愛軍[8]通過引入突變理論，分析煤礦底板系統(tǒng)能量的失穩(wěn)變化，建立了預(yù)測礦坑突水尖點(diǎn)的突變模型。同時(shí)王連國、宋揚(yáng)在此基礎(chǔ)上通過引入突變理論，建立了煤層底板突水尖點(diǎn)突變模型。

此外，朱德仁等提出了底板突水準(zhǔn)則與底板巖體破壞的工程準(zhǔn)則應(yīng)該是兩個(gè)不同的概念。施龍青、肖洪天應(yīng)用幾何損傷力學(xué)理論研究了煤層底板損傷破壞突水機(jī)理。楊天鴻提出“采動(dòng)壓力和水壓力擾動(dòng)應(yīng)力場誘發(fā)巖體破裂是礦山突水前兆的本質(zhì)特征”這一學(xué)術(shù)思路。李連崇通過有限元數(shù)值仿真，揭示了開采擾動(dòng)及水壓驅(qū)動(dòng)下完整底板由隔水巖層到突水通道的演化機(jī)制。

2 斷層誘導(dǎo)突水研究進(jìn)展

總結(jié)資料表明，斷層引起的突水占突水總數(shù)的80%以上。前人在斷層誘發(fā)突水方面利用新方法、新理論、新技術(shù)做了大量的研究工作來探討煤層底板突水的機(jī)理及預(yù)測預(yù)報(bào)研究，得出了一系列有意義的結(jié)論和成果。

黎良杰、錢鳴高等[9]把斷層分為張開型與閉合型分別對(duì)其突水機(jī)理進(jìn)行分析，得出正斷層更容易突水，張開型斷層是是由于斷層與承壓水相互作用而引起，閉合型斷層主要是斷層兩盤強(qiáng)度失穩(wěn)。楊善安[10]總結(jié)分析斷層在采空區(qū)的位置及要素與突水的關(guān)系，考慮開采方法，避免底板突水的發(fā)生。營志杰[11]根據(jù)煤層回采過程中的變形特征分析了斷層滲透性，通過公式計(jì)算得出了合理斷層防水煤柱寬度等數(shù)據(jù)。左建平、陳忠輝等[12]利用數(shù)字散斑相關(guān)方法DSCM及DDA模型試驗(yàn)證實(shí)了采動(dòng)誘發(fā)斷層附近發(fā)生了滑移錯(cuò)動(dòng)，斷層附近水平位移呈現(xiàn)出馬鞍形；李青鋒[13]指出當(dāng)工作面推進(jìn)方向與斷層傾向相同時(shí)斷層最易活化，斷層的活化會(huì)破壞頂板，引起上覆巖失穩(wěn)，從而導(dǎo)致導(dǎo)水裂隙寬度擴(kuò)大。

國內(nèi)學(xué)者的研究成果對(duì)于指導(dǎo)煤層安全生產(chǎn)起到了重要的作用。但由于斷層突水問題本身的復(fù)雜性，還有很多問題例如小斷層誘發(fā)突水機(jī)理研究等沒有得到廣泛深入的研究。因此，深入研究采動(dòng)應(yīng)力下含斷層底板的滲流破壞規(guī)律，可為承壓水上采煤斷層的突水機(jī)制分析及防治提供一些新的認(rèn)識(shí)，對(duì)于解放受承壓水威脅的煤層具有十分重大的意義。

3 展望與討論

前人雖然在大斷層與突水預(yù)測方面已經(jīng)做了大量的研究工作，對(duì)于大斷層的理論成果普遍運(yùn)用在實(shí)際生產(chǎn)中，并且得到了較好的效果。但是隱伏小斷層本身的力學(xué)性質(zhì)、導(dǎo)水特性以及產(chǎn)狀要素等與大斷層存在很大差異，在研究隱伏小斷層突水時(shí)仍然沿用相同的理論進(jìn)行分析顯然是不合適的。因此研究含隱伏斷層底板在工作面開采過程中底板巖層變形破壞、裂隙產(chǎn)生發(fā)育擴(kuò)展演化規(guī)律、損傷區(qū)域的形成演化過程以及水頭壓力變化及滲流運(yùn)移過程，以及對(duì)底板巖體由隔水層到導(dǎo)水通道的形成過程的影響作用尤為重要。

目前我國對(duì)煤礦底板突水已經(jīng)有了非常廣泛的研究，并取得了一系列成果，這些成果為煤炭工業(yè)提供了寶貴的理論依據(jù)。根據(jù)斷層在底板突水中的影響作用，研究隱伏小斷層本身的力學(xué)性質(zhì)、導(dǎo)水特性以及產(chǎn)狀要素對(duì)突水的影響，采動(dòng)作用對(duì)隱伏小斷層的活化及裂隙演化規(guī)律的分析，以及對(duì)底板巖體由隔水層到導(dǎo)水通道的形成過程的影響作用尤為重要。

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