煤矿水害现状及防治对策

1、科技部与山东省科技计划与奖励评审专家科技部与山东省科技计划与奖励评审专家教育部优秀博士论文评审专家教育部优秀博士论文评审专家国土部矿山地质灾害与环境保护评审专家国土部矿山地质灾害与环境保护评审专家山东科技大学水文学与水资源学科带头人山东科技大学水文学与水资源学科带头人山东省安全工程泰山学者学术骨干山东省安全工程泰山学者学术骨干国际岩石力学与工程学会中国小组成员国际岩石力学与工程学会中国小组成员山东岩石力学与工程学会理事山东岩石力学与工程学会理事 一一 我国煤矿水害现状及特点我国煤矿水害现状及特点 二二 我国煤矿水害的基本概念及理论我国煤矿水害的基本概念及理论 三三 煤矿水害防治水技术研究现状煤

2、矿水害防治水技术研究现状 四四 矿井水害防治技术工作内容及对策矿井水害防治技术工作内容及对策 五五 正在从事的煤矿水害防治新技术研究正在从事的煤矿水害防治新技术研究 工作工作 2000m深度深度5.57万亿吨；万亿吨；1000m深度深度2.8万亿吨万亿吨 当前当前67%；本世纪；本世纪50% 井工开采比重井工开采比重95%；开采深度；开采深度 400m 百万吨死亡率百万吨死亡率6人，居世界之首；人，居世界之首； 每年死亡总数每年死亡总数6000人，超过世界的总合。人，超过世界的总合。 川滇构造带川滇构造带阴山构造带阴山构造带贺兰山构造带贺兰山构造带昆仑昆仑秦岭秦岭构造带构造带1 12 23 3

3、4 45 56 61-华北石炭二叠纪煤田的岩溶华北石炭二叠纪煤田的岩溶-裂隙水水害区；裂隙水水害区； 2-华南晚二叠世煤田的岩溶水水害区；华南晚二叠世煤田的岩溶水水害区； 3-东北侏罗纪煤田的裂隙水水害区；东北侏罗纪煤田的裂隙水水害区； 4-西北侏罗纪煤田的裂隙水水害区；西北侏罗纪煤田的裂隙水水害区； 5-西藏西藏-滇西中滇西中生代煤田的裂隙水水害区；生代煤田的裂隙水水害区； 6-台湾第三纪煤田的岩溶台湾第三纪煤田的岩溶-裂隙水水害区；裂隙水水害区；年份 969798990001020304事故总数 150 120124123104109162137119死亡人数 488 4505074683

4、51432516551393重大事故 1310106599145死亡人数 193 14615914865168130231107下面的图表反映了下面的图表反映了19961996年年20042004年煤矿水害事故情况。年煤矿水害事故情况。37231319336050100150200250乡镇煤矿国有重点煤矿国有地方煤矿突水次数死亡人数20042004年全国各类煤矿水害事故及死亡人数统计年全国各类煤矿水害事故及死亡人数统计 死亡总数死亡总数2864011121236929050100150200250老空水溶洞突水顶板水底板水死亡人数次数20042004年全国煤矿重大突水事故突水类型分布年全国煤

5、矿重大突水事故突水类型分布 20052005年全国煤矿重大突水事故年全国煤矿重大突水事故 死亡总数死亡总数593人广东兴宁广东兴宁123人人13188179050100150200123水害事故情况死亡人数同比增长事故总数20052005年年7 78 8月份我国煤矿水害事故情况月份我国煤矿水害事故情况如震惊国内外的如震惊国内外的20052005年年“8.78.7”大兴矿难就大兴矿难就是水淹区下采煤发生的。大兴煤矿埋深约是水淹区下采煤发生的。大兴煤矿埋深约700m700m，地层倾角在地层倾角在4545至至7070之间。之间。160160至至260m260m标高的范围为水淹的采空区，蓄水量为标高的

6、范围为水淹的采空区，蓄水量为15001500至至20002000万立方米；矿井的生产区为万立方米；矿井的生产区为230m230m至至440m440m。防水煤柱高度为。防水煤柱高度为7070至至110m110m。20052005年年8 8月月7 7日发生淹井后，人员伤亡达日发生淹井后，人员伤亡达121121人，造成事故人，造成事故的原因一方面是急倾斜煤层不适宜留设防水煤的原因一方面是急倾斜煤层不适宜留设防水煤柱，另一方面是井下偷采了防水煤柱。再一方柱，另一方面是井下偷采了防水煤柱。再一方面可能是早期煤柱本身就不完整。虽然出水后面可能是早期煤柱本身就不完整。虽然出水后采用多种物探手段，但效果不理想

7、，未能查明采用多种物探手段，但效果不理想，未能查明煤柱厚度。煤柱厚度。20062006年年1 13 3月份我国煤矿水害事故情况月份我国煤矿水害事故情况89890 04949404001020304050607080901234国有重点国有地方乡镇煤矿2007-2007-2002008 8 我国我国煤矿事故类型分布统计煤矿事故类型分布统计2.1 地表水体及大气降水造成的水害我国煤矿水害的类型我国煤矿水害的类型2. 2 松散层水(冲积层水)水害2. 3 老窑水造成的水害2. 4 含水层突水水害2. 5 小煤窑造成的水害突水频率呈现上升趋势突水频率呈现上升趋势废弃矿井与小窑诱发突水明显废弃矿井与小窑

8、诱发突水明显上升上升矿井突水与矿井防治水管理水平密切相关矿井突水与矿井防治水管理水平密切相关突水频率与生产发展速度关系密切突水频率与生产发展速度关系密切新时期我国煤矿水害的新特点新时期我国煤矿水害的新特点突水引起的灾害和社会影响越来越大突水引起的灾害和社会影响越来越大相对落后的水害防治技术不能满足新的生产条件相对落后的水害防治技术不能满足新的生产条件隐蔽型导水构造的精细探查技术与装备不足隐蔽型导水构造的精细探查技术与装备不足对人类活动诱发的突水事故防范措施不到位对人类活动诱发的突水事故防范措施不到位缺乏专门的防治水队伍和规范化的水害监管体系缺乏专门的防治水队伍和规范化的水害监管体系现有防治水技

9、术手段利用不够，防治水工作规范化程度低现有防治水技术手段利用不够，防治水工作规范化程度低煤矿水害新特点产生的原因煤矿水害新特点产生的原因新的采矿条件下矿井突水机理研究新的采矿条件下矿井突水机理研究煤层底板隔水层采动场效应研究煤层底板隔水层采动场效应研究突水条件适时监控与预警技术研究突水条件适时监控与预警技术研究废弃矿井诱发突水条件及防范技术研究废弃矿井诱发突水条件及防范技术研究隐伏导水构造精细探查技术与装备研究隐伏导水构造精细探查技术与装备研究新形式下煤矿水害防治技术面临的研究问题新形式下煤矿水害防治技术面临的研究问题高压强含水层水文地质条件勘探技术研究高压强含水层水文地质条件勘探技术研究复合

10、含水层分层富水性定量评价技术研究复合含水层分层富水性定量评价技术研究矿井水文地质条件探查和水文地质信息分析管理技术矿井水文地质条件探查和水文地质信息分析管理技术要能满足高产高效矿井建设与生产的时间与空间要求要能满足高产高效矿井建设与生产的时间与空间要求矿井含导水构造的探查精度和探查深度要能满足矿井巷道矿井含导水构造的探查精度和探查深度要能满足矿井巷道掘进与工作面回采速度和空间尺度的要求掘进与工作面回采速度和空间尺度的要求矿井水害条件的监测与预警分析要具备实时性和定量性矿井水害条件的监测与预警分析要具备实时性和定量性新形式下矿井生产对水害防治技术的基本要求新形式下矿井生产对水害防治技术的基本要求

11、 煤矿水害煤矿水害充水水源充水水源充水途径充水途径充水水量充水水量充水方式充水方式间接充水水源间接充水水源直接充水水源直接充水水源自身充水水源自身充水水源间接顶板水间接顶板水间接底板水间接底板水直接顶板水直接顶板水直接底板水直接底板水工作面位于工作面位于含水层之中含水层之中常见的充水途径常见的充水途径天然通道天然通道人工通道人工通道导水裂隙导水裂隙导水断层导水断层陷陷 落落 柱柱岩溶塌洞岩溶塌洞顶板三带顶板三带底板三带底板三带防水煤岩柱防水煤岩柱不良钻孔不良钻孔点状通道点状通道线状通道线状通道面状通道面状通道常见矿井充水途径常见矿井充水途径正常水量正常水量最大水量最大水量灾害水量灾害水量常见的

12、水量类型常见的水量类型矿井充水因素的不同组合会形成不同类矿井充水因素的不同组合会形成不同类型的矿井水文地质条件和矿井水害类型型的矿井水文地质条件和矿井水害类型常见的矿井涌水量类型常见的矿井涌水量类型开采活动行进过程中，开采活动行进过程中，覆岩逐渐转化的三种岩层结构，覆岩逐渐转化的三种岩层结构，作者称之为作者称之为覆岩运动结构覆岩运动结构工作面开采覆岩拱形冒落对采场围岩的影响示意 1 1、李毅中、王显政、赵铁锤在全国煤矿、李毅中、王显政、赵铁锤在全国煤矿 防治水会议上的讲话防治水会议上的讲话2 2、关于加强煤矿水害防治工作的指导意见、关于加强煤矿水害防治工作的指导意见 （安监总煤矿（安监总煤矿2

13、00698200698号）号）3 3、煤矿水害防治工作规范（讨论稿）、煤矿水害防治工作规范（讨论稿）4 4、煤矿安全规程、煤矿安全规程十六字原则：十六字原则：预测预报，有疑必探，先探后掘，先治后采。预测预报，有疑必探，先探后掘，先治后采。五字措施五字措施：防、堵、疏、排、截防、堵、疏、排、截基本要求：基本要求：责任落实到位，人员落实到位，资金落实到位，责任落实到位，人员落实到位，资金落实到位，规划预案到位，制度措施到位。规划预案到位，制度措施到位。工作面推进断裂破坏的岩层波及到含水岩层，特别是原有工作面推进断裂破坏的岩层波及到含水岩层，特别是原有构造破坏的富水区域。构造破坏的富水区域。顶板存在

14、富水区间；顶板存在富水区间； 采场推进裂断破坏岩层沟通富水区；采场推进裂断破坏岩层沟通富水区； 透水量超限透水量超限 透水时间超限透水时间超限BL0HHL0BLL( a )( b )ETOpiTiQdtqq排QQTBd3e3d3e2d2d2e1d1d1L0hHhhLHLLBL0LiBHyLiBL0LiLhLBhh0HHh 即：hKHL hBLLhBLLHyLiBL0LiLB=Lhh0Hh 即：HKLhhBLL HLh0hLBLiL0LiyBHh 即：HKLhhABBLLLA0LBL0LiyLhAHhHh 即：HKLhBLLABBLLAB模型工作面条件判别准则 不透水 不透水 透 水 不透水 透

15、 水 不透水控制关键（开切眼相对富水区位置和工作面长度）xBBxdxxyfyy00 xhhxdxxyfyy00BLLABminBLBLHLB22max)(244222HhhLARm0m0COHLHLdL0H0m0RmmmRm0eoLoHoMOHCoHLfL 透水量预计式中：为煤层倾角 K渗透系数。渗透系数。)(221QQQtgmkCQRmCIkQQooHoHc120112近水平煤层；倾斜煤层。tgmkLQRmkLQQoHH220222近水平煤层；倾斜煤层。其中。Q；Q工作面长度方向透水量推进方向透水量流量21 2022HLLoHiioRmmR 0RRimim0miioRmmR 渗透层分类渗透层

16、分类透水系数透水系数相关岩层类别相关岩层类别强透水岩层k10m/d 粗砂岩，砾岩，岩溶发育岩层透水岩层K=（10-1）m/d 砂，裂隙发育的岩层微透水岩层K=（1-0.01）m/d 亚砂土，裂隙微弱岩层极弱透水岩层K=（0.01-0.001）m/d 亚粘土，粘土，淤泥不透水岩层K0.001m/d 致密坚硬岩层（包括坚硬沉积岩，岩浆岩，变质岩）、粘土、淤泥、泥岩u顶板透水事故预测和控制的信息基础顶板透水事故预测和控制的信息基础 顶板透水事故预测控制的信息，包括水源信息、构造运动破坏情况、采动顶板运动破坏信息及采动支承压力分布信息四个方面。 (1)(1)水源信息，包括：水源信息，包括： 顶板含水层

17、数目位置，厚度含水特征（包括含水性质、面积、富水区域分布、水压力及补给水源情况等）。 顶板隔水层位置、厚度； 顶板褶曲、断层。 (2)(2)构造破坏情况，包括：构造破坏情况，包括： 褶曲破坏情况； 断层破坏情况。 正是构造破坏沟通了各含水层及补给水源的联系，形成富水区域。 (3)(3)采动顶板运动破坏信息，包括在不同工作面长度条件下，上覆岩层运动破采动顶板运动破坏信息，包括在不同工作面长度条件下，上覆岩层运动破坏情况及随采场推进的发展变化规律等。关键的信息有：坏情况及随采场推进的发展变化规律等。关键的信息有： 在既定工作面长度下，进入破坏的上覆岩层范围，包括直接顶厚度、老顶厚度导水裂隙带高度等

18、。 直接顶导水裂隙带各岩梁，在重力作用下的运动步距，特别是第一次裂断步距等。 可能进入导水裂隙带的含水层,在重力作用下第一次裂断和周期性裂断步距。 (4)(4)采动支承压力分布信息的重点是采场四周煤壁进入破坏的采动支承压力分布信息的重点是采场四周煤壁进入破坏的“内应力场内应力场”宽宽度。度。保导水HHH水H导H保H为了使导水裂缝带不波及水体，防水安全矿（岩）柱最小尺寸为了使导水裂缝带不波及水体，防水安全矿（岩）柱最小尺寸应当等于导水裂缝带的最大高度加上保护层的高度，即：应当等于导水裂缝带的最大高度加上保护层的高度，即： (5-1)式中 防水安全矿（岩）柱高度； 导水裂隙带的最大高度； 保护层厚

19、度。采动（采掘工作面推进）支承压力及围岩破坏波及承压水源。采动（采掘工作面推进）支承压力及围岩破坏波及承压水源。煤层底板存在富集储水溶洞的巨厚灰岩层。煤层底板存在富集储水溶洞的巨厚灰岩层。 采动围岩破坏沟通水源。采动围岩破坏沟通水源。 矿井排水能力不足，安全撤离时间不够。矿井排水能力不足，安全撤离时间不够。其中：其中：dtqqQoTopTE)(iiTSq11,niniiiiRPRPf 3niiiPPfS第一节第一节 底板突水事故概述底板突水事故概述 80年代与50年代相比，突水频率增长2.572.57倍倍。5060年代突水量一般为5 520m20m3 3/min/min，个别达50m50m3

20、3/min/min，60年代突水涌水量一般上升至202040m40m3 3/min/min，1956195619861986年年3030年间年间，其发生淹井222222起，突水起，突水16001600次，次，13181318人丧生人丧生，直接经济损失高达3030亿元亿元。特别严重的是是19841984年到年到19851985年一年间年一年间，全国共发生因底板突水而淹井事故2222起起，仅开滦、焦作、肥城开滦、焦作、肥城等三个大水矿务局就有6 6对矿井被淹对矿井被淹，峰值水量高达2050m2050m3 3/min/min，形成世界之最，直接经济损失约8 8亿元亿元。目前受水威胁的矿井约30030

21、0处，约占大矿总数近处，约占大矿总数近50%50%，受水威胁储量威胁储量近百亿吨近百亿吨。 1 1、按突水地点、按突水地点 （1 1）巷道突水）巷道突水 多以构造破坏为主，承压水通过断裂或构造破碎带进入底板，形成多以构造破坏为主，承压水通过断裂或构造破碎带进入底板，形成充水，一旦巷道揭露出来后，承压水就迅速涌入。充水，一旦巷道揭露出来后，承压水就迅速涌入。第二节第二节 “下三带下三带”理论的概念理论的概念 一、底板突水类型一、底板突水类型多以采矿破坏为主，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。强度，造成与

22、含水层的密切水力联系。巷道突水和采场突水的比例几乎相等巷道突水和采场突水的比例几乎相等 （2 2）采场突水）采场突水但目前，我国煤矿底板突水类型的划分尚没有一个统一的标准，早在1987年李白英等就对我国底板突水进行过综合分类，较有代表性的单因素分类方案有：岩溶陷落柱导水隔水层强度不够突水非断层突水断层隐伏较远突水断层接近煤层突水断层切穿煤层突水断层突水煤层底板突水min/20min/5min/50min/20min/5033333mQmmQmmQ小型突水大型突水特大型突水底板突水（1 1）按突水与断层的关系分）按突水与断层的关系分 （2 2）按突水量的大小分：）按突水量的大小分： 滞后型突水缓

23、冲型突水爆发型突水底板突水量补给的岩层突水有松散层或地表水动储砂岩含水层突水薄层灰岩突水厚层灰岩突水底板突水（3 3）按突水动态特征划分）按突水动态特征划分 （4 4）按含水层性质划分）按含水层性质划分 陷落柱通道型突水裂隙通道型突水回采底板破坏型突水回采影响断层型突水掘进勾通陷落柱型突水掘进勾通断层型突水型陷落柱断层掘进勾通煤矿突水)/(突水其他构造影响下的底板水有断层影响下的底板突水无断层影响下的底板突采动影响型突水裂隙渗透型突水导水陷落柱突水导水断层突水非采动影响型突水采场底板突水 高延法教授研究了底板突水的条件和特点，高延法教授研究了底板突水的条件和特点，按采掘关系将底板突水划分为三大

24、类按采掘关系将底板突水划分为三大类 黎良杰博士按采动影响将长壁工作面黎良杰博士按采动影响将长壁工作面底板突水划分为二大类六小类底板突水划分为二大类六小类 王作宇、刘鸿泉根据突水发生部位和突水形式的不同，将断裂突王作宇、刘鸿泉根据突水发生部位和突水形式的不同，将断裂突水分为水分为4 4种类型，即突发型、跳跃型、缓冲型、滞后型。并总结出各种类型，即突发型、跳跃型、缓冲型、滞后型。并总结出各型断裂的突水过程和断裂发育特点（见表型断裂的突水过程和断裂发育特点（见表1 1）。）。 突水类型突水过程及形式断裂发育特点突发型突水时，水量瞬时达到峰值，水势猛、速度快，冲击力与水压一致，水量达到峰值后持续稳定或

25、逐渐减小无充填断裂贯穿性断裂断裂与工作面剪切带相交处居多跳跃型突水量跳跃式增长，有泥沙冲出，水量达到最大值需要较短时间，随后逐渐稳定，减小趋势不明显断裂充填性不好，大多为贯穿性断裂缓冲型突水时，水量由小到大需要较长时间才能达到稳定，长者可达1-2年充填较好的断裂，临空型断裂滞后型工作面回采数日，数月甚至数年后才发生突水，水量变化很难掌握。断裂充填好、临空型断裂。一般在回采中隐伏存在。表表1 1 断裂突水统计表断裂突水统计表Tab.1 The statistical table of rupturing water-inrushingTab.1 The statistical table of

26、rupturing water-inrushing 我在参考前人分类的基础上，根据采场覆岩开采过程中的运动结我在参考前人分类的基础上，根据采场覆岩开采过程中的运动结构特征，从底板突水的途径与机理角度，提出以下的突水类型划构特征，从底板突水的途径与机理角度，提出以下的突水类型划方案。方案。 采动破坏导通型型薄隔水层完整底板采动破坏导通型断续节理底板型采动破坏导通型采动影响导通型原始通道沟通型陷落柱构造型采动破坏导通型采动影响导通型原始通道沟通型断裂构造型底板突水类型)( 煤层底板岩层经历长期、多次的地质作用，经煤层底板岩层经历长期、多次的地质作用，经受过变形，遭受过破坏，不仅存在大量构造结构面，

27、受过变形，遭受过破坏，不仅存在大量构造结构面，而且岩体中一般都存在大量岩体节理裂隙，真正均而且岩体中一般都存在大量岩体节理裂隙，真正均质的完整底板是不存在的（只有在薄隔水层条件下，质的完整底板是不存在的（只有在薄隔水层条件下，局部可能存在单一岩性岩层，其节理很小，分布密局部可能存在单一岩性岩层，其节理很小，分布密度又少，可近似视为均质正常底板），这就是煤层度又少，可近似视为均质正常底板），这就是煤层底板岩层的基本结构特征，也是底板突水的主要通底板岩层的基本结构特征，也是底板突水的主要通道和影响底板岩层阻抗突水性能的主要因素。据文道和影响底板岩层阻抗突水性能的主要因素。据文献和的资料，断层型底板

28、突水占总突水次数的献和的资料，断层型底板突水占总突水次数的75%75%（其中导水断层型占断层型突水的（其中导水断层型占断层型突水的53%53%，采动影响，采动影响型占型占47%47%），陷落柱型占），陷落柱型占5%5%，底板裂隙型，底板裂隙型17%17%，薄隔，薄隔水层型占水层型占3%3%。 较大的构造（断层与岩溶陷落柱）和裂隙一般大都较大的构造（断层与岩溶陷落柱）和裂隙一般大都切穿煤系地层，张开性的构造和裂隙，则容易造成原切穿煤系地层，张开性的构造和裂隙，则容易造成原始通道直接沟通型突水，闭合性的构造和裂隙，则容始通道直接沟通型突水，闭合性的构造和裂隙，则容易造成构造和裂隙活化导通型突水，而

29、部分隐伏的构易造成构造和裂隙活化导通型突水，而部分隐伏的构造裂隙，则可能与底板上部采动破坏产生的裂隙造成造裂隙，则可能与底板上部采动破坏产生的裂隙造成采动破坏导通型突水。含有较小和非穿透断续性节理采动破坏导通型突水。含有较小和非穿透断续性节理裂隙（这里为了区分明确，以下统称为节理）的底板裂隙（这里为了区分明确，以下统称为节理）的底板岩层，其突水的产生则是由于采动影响下断续性节理岩层，其突水的产生则是由于采动影响下断续性节理断裂扩展，形成裂缝沟通承压水造成采动破坏导通型断裂扩展，形成裂缝沟通承压水造成采动破坏导通型突水。完整底板（薄隔水层）则是在矿山压力作用或突水。完整底板（薄隔水层）则是在矿山

30、压力作用或承压水水力联合作用下，产生采动破坏裂缝直接沟通承压水水力联合作用下，产生采动破坏裂缝直接沟通承压水造成采动破坏导通型突水。以上分析正是本分承压水造成采动破坏导通型突水。以上分析正是本分类方案的依据。类方案的依据。GK33EFVC0241M3oV2D0H23N1L图图6-1 6-1 开采影响范围内各影响带的划分开采影响范围内各影响带的划分二、底板突水机理研究二、底板突水机理研究1 1地表下沉曲线；地表下沉曲线；2 2支承压力分布曲支承压力分布曲线；线；3 3沿层面法向岩石沿层面法向岩石变形曲线；变形曲线；4 4垮落带垮落带充分采动区；充分采动区；、最大弯曲最大弯曲区；区；、顶板压缩顶板

31、压缩区；区；、地板压缩地板压缩区；区；、底板不均底板不均匀隆起区；匀隆起区；底板均匀隆起底板均匀隆起区区 1.1.岩层移动和变形分区岩层移动和变形分区 充分采动区充分采动区 最大弯曲区：最大弯曲区：岩层向下弯曲的程度最大岩层向下弯曲的程度最大 顶板压缩区顶板压缩区 底板压缩区底板压缩区: :支承压力引起沿垂直方向压缩支承压力引起沿垂直方向压缩, ,工作面区域以工作面区域以外地层下沉外地层下沉 不均匀隆起区不均匀隆起区 应力降低应力降低 均匀隆起区均匀隆起区 底鼓底鼓 水平挤压水平挤压2 2、煤层底板应力及变形分区、煤层底板应力及变形分区h =k Hvh h 0v Hv图图13-1 13-1 煤

32、层底板应力及变形分区煤层底板应力及变形分区底板破坏带底板破坏带底板突水的通道底板突水的通道3 3、煤层底板岩层中的下三带、煤层底板岩层中的下三带图图13-2 13-2 下三带示意图下三带示意图 底板采动导水破坏带；底板采动导水破坏带；底板阻水带；底板阻水带；底板承压水导升带底板承压水导升带a a倾斜的正常岩层情况倾斜的正常岩层情况b b水平岩层并有断层切割情况水平岩层并有断层切割情况c c底板含水层顶部存在充填隔水底板含水层顶部存在充填隔水带情况带情况 底板采动导水破坏带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是煤层底板岩层受采动影响而产生的采动导水断裂范围裂范围 ，由沿层

33、面和垂直于层面的裂缝形成。，由沿层面和垂直于层面的裂缝形成。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而影响底板采动导水破坏带深度。构通过影响前支承压力而影响底板采动导水破坏带深度。影响底板采动导水破坏带深度的因素：影响底板采动导水破坏带深度的因素： 工作面长度愈大，矿山压力显现工作面长度愈大，矿山压力显现愈充分，底板破坏深度愈大愈充分，底板破坏深度愈大 顶板悬顶愈大，前支承压力峰值顶板悬顶愈大，前支承压力峰值愈大，对底板破坏愈严重。愈大，对底板破坏愈严重。 采深加大后前支承压力的绝对量采深加大后

34、前支承压力的绝对量随采深加大而加大随采深加大而加大 3 2 0底板破坏深度1 604 0841 2L ( m )工 作 面 斜 长1 2 08 0p 5 - 31 6 0 2 0 0 2 4 0 2 8 0h(m)2 02 42 83 2图图13-3 13-3 工作面底板采动导水破坏带工作面底板采动导水破坏带深度与工作面斜长的关系深度与工作面斜长的关系表表13-1 13-1 不同采煤方法的底板破坏深度不同采煤方法的底板破坏深度采煤方法及面长采煤方法及面长长壁长壁8080100100m m短壁短壁5050m m条带条带2020m m房柱房柱1515m m15m15m底板破坏深度底板破坏深度( (

35、m)m)101017173.53.57 72.52.53 33 35 5注：根据数值计算结果注：根据数值计算结果（IIII）底板阻水带）底板阻水带 位于煤层底板采动导水破坏带以下、底部含水体以上具有阻水能力位于煤层底板采动导水破坏带以下、底部含水体以上具有阻水能力的岩层范围的岩层范围 。 此带内岩层仍然能保持连续性，一定厚度的底板阻水带可以阻止底此带内岩层仍然能保持连续性，一定厚度的底板阻水带可以阻止底板突水，也称为保护层带或完整岩层带。板突水，也称为保护层带或完整岩层带。 底板阻水带的厚度可能大小不一，甚至可能不存在。底板阻水带的厚度可能大小不一，甚至可能不存在。顶板初次来压之前煤层底板内应

36、力及破坏区计算顶板初次来压之前煤层底板内应力及破坏区计算 43K - 12 L21SOS- P 0K - 1顶板初次来压之前煤层底板应力增量计算简化图顶板初次来压之前煤层底板应力增量计算简化图 第一、二、三阶段应力计算公式第一、二、三阶段应力计算公式底板阻水带厚度底板阻水带厚度h h2 2 的计算方法：的计算方法：实验法实验法 h h2 2=p/Z =p/Z p p底板上的水压力，底板上的水压力，MPaMPa；Z Z阻水系数，阻水系数，MPa/mMPa/m。钻孔水力压裂法钻孔水力压裂法实测单位底板隔水岩层平均阻水能力的系数实测单位底板隔水岩层平均阻水能力的系数 Z=Pb / R Z=Pb /

37、RPbPb使岩体破裂时的临界水压力，使岩体破裂时的临界水压力，MPaMPa；R R裂缝扩展半径，一般取裂缝扩展半径，一般取40405050m m表表13-2 13-2 岩层阻水系数岩层阻水系数Z Z岩性岩性中、粗粒中、粗粒砂岩砂岩细砂岩细砂岩粉砂岩粉砂岩泥岩泥岩石灰岩石灰岩断层带断层带阻水系数阻水系数/MPa.m/MPa.m-1-10.3-0.50.3-0.50.30.30.20.20.1-0.30.1-0.30.40.40.05-0.100.05-0.10（）底板承压水导升带）底板承压水导升带与石灰岩邻接的岩层中原始就存在着节理和裂隙，岩溶承压水进入后与石灰岩邻接的岩层中原始就存在着节理和裂

38、隙，岩溶承压水进入后成为导水层。成为导水层。底板承压水导升带底板承压水导升带指煤层底板承压含水层的水在水压力和矿压作用下指煤层底板承压含水层的水在水压力和矿压作用下上升到其顶板岩层中的范围。上升到其顶板岩层中的范围。底板承压水导升带上界参差不齐，断层附近的承压水导升带高度一般底板承压水导升带上界参差不齐，断层附近的承压水导升带高度一般较大，有些矿区可能无底板承压水导升带。较大，有些矿区可能无底板承压水导升带。还有的矿区含水层顶部有厚度不等的岩溶充填带，不含水，并起隔水还有的矿区含水层顶部有厚度不等的岩溶充填带，不含水，并起隔水作用，若其厚度分布稳定则可与底板隔水层合并看待。因此有人将此现象作用

39、，若其厚度分布稳定则可与底板隔水层合并看待。因此有人将此现象比喻为比喻为“负导高负导高” h h4 4。 底板承压水导升带高度底板承压水导升带高度h h3 3可用物探和钻探方法确定，可用物探和钻探方法确定，一般可在井下巷一般可在井下巷道中用电测方法进行探测，必要时采用钻探试验。道中用电测方法进行探测，必要时采用钻探试验。1 1、水源条件、水源条件 煤层底板煤层底板是突水的物质基础，其富水程度和初给条件是突水的物质基础，其富水程度和初给条件决定了底板突水的水量大小和突水点能否持久涌水。决定了底板突水的水量大小和突水点能否持久涌水。水量愈丰富，突水量水量愈丰富，突水量愈大，危害也愈大。愈大，危害也

40、愈大。但由于岩溶发育的不均一性，其富水性无论在水平方向上或垂直方向但由于岩溶发育的不均一性，其富水性无论在水平方向上或垂直方向上均具有较大的差异。水平方向上，在岩溶发育的主要径流带，富水性强上均具有较大的差异。水平方向上，在岩溶发育的主要径流带，富水性强且动储量丰富，位于该处的采区易出大水。在垂直方向上，往往在某一标且动储量丰富，位于该处的采区易出大水。在垂直方向上，往往在某一标高和范围内，岩溶发育，含水丰富，位于此深度的采区突水频率及突水量高和范围内，岩溶发育，含水丰富，位于此深度的采区突水频率及突水量均较高。均较高。 水压是突水的动力，水压是突水的动力，底板含水层具有的底板含水层具有的是底

41、板发生突水的力是底板发生突水的力学前提条件。学前提条件。处于封闭状态的岩溶水不断溶蚀、冲刷裂隙，形成通道，由处于封闭状态的岩溶水不断溶蚀、冲刷裂隙，形成通道，由含水层进入底板隔水层，水压愈大，破坏愈严重。含水层进入底板隔水层，水压愈大，破坏愈严重。在煤层底板地质条件相在煤层底板地质条件相似的情况下，承压水水压越高，越容易突水。煤层底板突水过程中的水头似的情况下，承压水水压越高，越容易突水。煤层底板突水过程中的水头压力作用主要表现在以下几个方面：压力作用主要表现在以下几个方面： 三、影响底板突水的主要因素三、影响底板突水的主要因素（1）具有较高水头压力的地下水容易克服上覆隔水层内部的软弱）具有较

42、高水头压力的地下水容易克服上覆隔水层内部的软弱结构面中的阻力和面上的摩擦力，沿结构面上升，使承压水的势能变为结构面中的阻力和面上的摩擦力，沿结构面上升，使承压水的势能变为动能，成为底板突水的动力源之一。动能，成为底板突水的动力源之一。（2）水在动态渗流条件下不断潜蚀、冲刷，破坏隔水层的结构面，）水在动态渗流条件下不断潜蚀、冲刷，破坏隔水层的结构面，降低隔水层的完整性，减弱岩层的抵抗强度并扩大隔水层内部的裂缝，降低隔水层的完整性，减弱岩层的抵抗强度并扩大隔水层内部的裂缝，形成贮水空间，一旦与回采空间连通，即可引发突水。形成贮水空间，一旦与回采空间连通，即可引发突水。（3）水压、矿压联合作用，加速

43、了底板岩体的破坏，使底板隔水）水压、矿压联合作用，加速了底板岩体的破坏，使底板隔水层中的原生裂隙重新活动并形成新的裂隙，使底板隔水层阻水能力下降，层中的原生裂隙重新活动并形成新的裂隙，使底板隔水层阻水能力下降，底板承压水容易通过破坏裂隙进入回采工作面造成突水。底板承压水容易通过破坏裂隙进入回采工作面造成突水。有关研究表明，单纯的水压作用对完整底板岩体的突破是有限的。有关研究表明，单纯的水压作用对完整底板岩体的突破是有限的。水压的作用是在多种因素综合作用中体现出来的，尤其与地质构造条件、水压的作用是在多种因素综合作用中体现出来的，尤其与地质构造条件、矿压作用相结合，就显示出其巨大的能动作用。矿压

44、作用相结合，就显示出其巨大的能动作用。因此，研究底板含水层的岩溶裂隙发育状况及地下水网络的分布规因此，研究底板含水层的岩溶裂隙发育状况及地下水网络的分布规律，正确认识底板含水层的富水程度，进行富水区划分，对底板突水预律，正确认识底板含水层的富水程度，进行富水区划分，对底板突水预测预报至关重要。测预报至关重要。 )图图13-4 13-4 断层改变了煤层与含水层的相对位置断层改变了煤层与含水层的相对位置2 2、地质构造、地质构造 底板突水事故的底板突水事故的80%80%以上发生在断裂构造附近，这些构造既可以充水，以上发生在断裂构造附近，这些构造既可以充水，又可以导水，大大降低了有效厚度和实际强度。

45、断层改变了煤层与含水层又可以导水，大大降低了有效厚度和实际强度。断层改变了煤层与含水层之间的相对位置变化。之间的相对位置变化。所以，从某种意义上也可称其为所以，从某种意义上也可称其为。 断裂构造在突水中的作用表现在以下几个方面：断裂带是岩体内的薄弱带，易形成突断裂构造在突水中的作用表现在以下几个方面：断裂带是岩体内的薄弱带，易形成突水通道，尤其是导水断层，本身就是突水通道；断裂构造（包括断层和裂隙）破坏底板的水通道，尤其是导水断层，本身就是突水通道；断裂构造（包括断层和裂隙）破坏底板的完整性，降低了岩体的强度，使之更易于受到矿压和水压的破坏；断层缩短了煤层和含水完整性，降低了岩体的强度，使之更

46、易于受到矿压和水压的破坏；断层缩短了煤层和含水层的距离，甚至造成含水层与煤层的对接，工作面靠近断层时易发生突水；构造的控水作层的距离，甚至造成含水层与煤层的对接，工作面靠近断层时易发生突水；构造的控水作用，尤其是新构造对地下水的赋存和运移起控制作用。用，尤其是新构造对地下水的赋存和运移起控制作用。 因此，查明开采地段的地质构造，包括断层发育状况、性质及导水性，裂隙的发育规律、因此，查明开采地段的地质构造，包括断层发育状况、性质及导水性，裂隙的发育规律、成因、密度等采取适当的措施预防底板突水，是承压水上采煤的关键内容之一。成因、密度等采取适当的措施预防底板突水，是承压水上采煤的关键内容之一。 岩

47、溶陷落柱是容易引起底板突水另外的一种地质构造。少数岩溶陷落岩溶陷落柱是容易引起底板突水另外的一种地质构造。少数岩溶陷落柱既充水，又导水，在与强含水层沟通的条件下，对安全生产威胁极大。柱既充水，又导水，在与强含水层沟通的条件下，对安全生产威胁极大。 开滦范各庄矿开滦范各庄矿12711271工作面推进到阴存的陷落柱附近时，高压水突破煤工作面推进到阴存的陷落柱附近时，高压水突破煤壁，壁，2121小时后将年产小时后将年产300300万万t t的大型矿井淹没，突水峰期平均涌水量为的大型矿井淹没，突水峰期平均涌水量为20532053m m3 3/min/min。 s- 6 0 0- 5 0 0- 4 0

48、0KO231 4ss1 29s7+ 2 7- 3 0 05s图图13-5 217113-5 2171工作面陷落柱剖面图工作面陷落柱剖面图3 3、隔水层的阻水能力、隔水层的阻水能力底板隔水层是阻抗突水的因素。其阻抗能力取决于底板隔水层的岩性、厚底板隔水层是阻抗突水的因素。其阻抗能力取决于底板隔水层的岩性、厚度、组合特征及地质构造发育程度等。评价底板隔水层的阻抗水能力是一个非度、组合特征及地质构造发育程度等。评价底板隔水层的阻抗水能力是一个非常复杂的工程岩体水力学问题，任何突水预测预报方法都不能脱开这项内容。常复杂的工程岩体水力学问题，任何突水预测预报方法都不能脱开这项内容。底板隔水层阻抗能力主要

49、与下列因素有关：底板隔水层阻抗能力主要与下列因素有关：（1 1）隔水层的厚度、岩性及组合特征：隔水层厚度越大，阻抗水能力越强。不同岩性具）隔水层的厚度、岩性及组合特征：隔水层厚度越大，阻抗水能力越强。不同岩性具有不同的力学强度。阻抗水能力也各不相同。不同岩石力学性质岩层的组合其总体力学效应不有不同的力学强度。阻抗水能力也各不相同。不同岩石力学性质岩层的组合其总体力学效应不同，同时也影响到裂隙的扩展。同，同时也影响到裂隙的扩展。（2 2）地质结构效应：从岩层的沉积成岩到后期的构造变动决定了现在的隔水层从微细观）地质结构效应：从岩层的沉积成岩到后期的构造变动决定了现在的隔水层从微细观上看已不是一个

50、完整的、连续的岩体，但从宏观上可将隔水层划分为两种基本类型：完整型和上看已不是一个完整的、连续的岩体，但从宏观上可将隔水层划分为两种基本类型：完整型和断裂型，完整型又分为均质完整型和断续节理加权平均弱化强度完整型两个亚型；断裂型又分断裂型，完整型又分为均质完整型和断续节理加权平均弱化强度完整型两个亚型；断裂型又分为贯通性断裂结构型和断续节理结构型两个亚型。显然，在相同的地质结构条件下，完整型阻为贯通性断裂结构型和断续节理结构型两个亚型。显然，在相同的地质结构条件下，完整型阻抗水能力较强，贯通性断裂结构型易形成集中的突水通道，而断续节理结构型易形成滞后突水。抗水能力较强，贯通性断裂结构型易形成集

51、中的突水通道，而断续节理结构型易形成滞后突水。（3 3）水的物理化学作用效应：水岩作用可使结构面和岩体的力学性质恶化。）水的物理化学作用效应：水岩作用可使结构面和岩体的力学性质恶化。（4 4）应力作用效应：底板的失稳破坏是在矿压、承压水及地应力作用共同作用下发生的。）应力作用效应：底板的失稳破坏是在矿压、承压水及地应力作用共同作用下发生的。（5 5）时间效应：岩体的流变、突水通道的扩展畅通，底板的破坏等等随着时间发生质的）时间效应：岩体的流变、突水通道的扩展畅通，底板的破坏等等随着时间发生质的变化。工作面快速推进使突水减小的概率，就是使时间效应不能充分发挥作用的缘故。变化。工作面快速推进使突水

52、减小的概率，就是使时间效应不能充分发挥作用的缘故。4、矿山压力、矿山压力 矿山压力的作用强度与开采空间的大小，如采面长度、开采厚度等，顶板矿山压力的作用强度与开采空间的大小，如采面长度、开采厚度等，顶板管理方式，上覆岩层状况，煤层倾角等因素有关。管理方式，上覆岩层状况，煤层倾角等因素有关。开采方法主要包括顶板管理方法、充填非充填、留煤柱与无煤柱、机采与开采方法主要包括顶板管理方法、充填非充填、留煤柱与无煤柱、机采与炮采、单层与分层开采、长壁或短壁（沿走向或倾向），支护方式及控顶面积炮采、单层与分层开采、长壁或短壁（沿走向或倾向），支护方式及控顶面积等方面的影响。总而言之，开采方法的影响主要表现

53、在是否有利于增大或减小等方面的影响。总而言之，开采方法的影响主要表现在是否有利于增大或减小悬顶及冒落的面积和是否有利于增大、集中或减小、分散矿压的作用。矿压增悬顶及冒落的面积和是否有利于增大、集中或减小、分散矿压的作用。矿压增大和集中，有利于底板破坏，减小和分散则反之。大和集中，有利于底板破坏，减小和分散则反之。 （1）初次来压或周期来压期间易突水）初次来压或周期来压期间易突水 ； （2）工作面后部采空区边缘附近易突水；）工作面后部采空区边缘附近易突水； （3）开切眼附近是底板易突水；）开切眼附近是底板易突水； （4）工作面推进速度慢，工作面突然停止推进或在停采线处易突水；）工作面推进速度慢，

54、工作面突然停止推进或在停采线处易突水； （5）区段或分带煤柱附近易突水。）区段或分带煤柱附近易突水。5、地应力、地应力 （1 1）导致突水的附加力源，主要是指构造应力，构造应力是地）导致突水的附加力源，主要是指构造应力，构造应力是地壳中岩层发生断裂和褶皱作用的主要驱动力。古构造应力场及其更迭壳中岩层发生断裂和褶皱作用的主要驱动力。古构造应力场及其更迭形成了各煤田的基本构造特征，新构造应力场迭加其上，对其进行改形成了各煤田的基本构造特征，新构造应力场迭加其上，对其进行改造并形成新的构造。在应力集中区，地应力加剧了煤层底板变形和破造并形成新的构造。在应力集中区，地应力加剧了煤层底板变形和破坏，成为

55、导致煤层底板突水的附加力源。突水发生频率与地震发生频坏，成为导致煤层底板突水的附加力源。突水发生频率与地震发生频率一致性就是很好的说明。率一致性就是很好的说明。（2 2）阻抗突水的附加力源：主要指自重应力。随埋深增加，自）阻抗突水的附加力源：主要指自重应力。随埋深增加，自重应力增大，断裂的闭合性变好，对底板突水起抑制作用。承压水要重应力增大，断裂的闭合性变好，对底板突水起抑制作用。承压水要突破隔水层，除需克服岩体的抗张能力外，还要克服地应力的作用。突破隔水层，除需克服岩体的抗张能力外，还要克服地应力的作用。目前，对地应力与底板突水关系的定量研究尚显不足。目前，对地应力与底板突水关系的定量研究尚

56、显不足。四、中间岩层带的进一步划分四、中间岩层带的进一步划分 在经典在经典“下三带下三带”理论中的第理论中的第带，即完整岩层带或称其带，即完整岩层带或称其为保护层带。在大厚度的底板隔水层中，由于地质沉积和构造为保护层带。在大厚度的底板隔水层中，由于地质沉积和构造的不均质性决定其不可能是绝对完整岩层。因此，在的不均质性决定其不可能是绝对完整岩层。因此，在“下三带下三带”理论中将完整岩层带或保护层带定义为中间岩层带（）更为严理论中将完整岩层带或保护层带定义为中间岩层带（）更为严谨合理，其阻水性能与保护作用的程度尚需视其原始地质结构、谨合理，其阻水性能与保护作用的程度尚需视其原始地质结构、结构与采动

57、矿压作用等具体条件分析确定。结构与采动矿压作用等具体条件分析确定。 我们认为：厚度较大的保护层带其内部岩性、结构、构造我们认为：厚度较大的保护层带其内部岩性、结构、构造等可能有所不同，对其中若有一定厚度的岩层，关键是判断裂等可能有所不同，对其中若有一定厚度的岩层，关键是判断裂隙是否发育、导通？是否充水？且其水压水量是否对煤层开采隙是否发育、导通？是否充水？且其水压水量是否对煤层开采有威胁？是否可能与下部主要含水层有水力联系？若有威胁或有威胁？是否可能与下部主要含水层有水力联系？若有威胁或有联系，则应把它作为含水层看待，有联系，则应把它作为含水层看待，“下三带下三带”划分则不包括划分则不包括此层

58、。若不含水、无威胁，则仍看作保护层中的一部分，但在此层。若不含水、无威胁，则仍看作保护层中的一部分，但在阻水强度计算时可据实际情况予以扣除考虑。阻水强度计算时可据实际情况予以扣除考虑。 4.1 矿压损伤带（矿压损伤带（ ） 大量底板研究资料表明采动附加支承压力影响深度可达大量底板研究资料表明采动附加支承压力影响深度可达80100m左右，采动底板导水破坏带深度仅为其一小部分，该带裂隙已左右，采动底板导水破坏带深度仅为其一小部分，该带裂隙已基本贯通，渗透性明显增加，基本失去了阻水隔水能力。但在其下基本贯通，渗透性明显增加，基本失去了阻水隔水能力。但在其下的中间岩层带中，其上部存在一个裂隙起裂甚至扩

59、展的亚临界带，的中间岩层带中，其上部存在一个裂隙起裂甚至扩展的亚临界带，可进一步定义为矿压损伤带，矿压损伤带在工作面正常推进的情况可进一步定义为矿压损伤带，矿压损伤带在工作面正常推进的情况下，裂隙没有足够的时间扩展贯通，其渗透性无显著变化，故暂时下，裂隙没有足够的时间扩展贯通，其渗透性无显著变化，故暂时对承压水尚有一定的阻隔作用，但在矿压及承压水的长期耦合作用对承压水尚有一定的阻隔作用，但在矿压及承压水的长期耦合作用下亚临界状态的矿压损伤带的裂隙就可进一步起裂和扩展。有时即下亚临界状态的矿压损伤带的裂隙就可进一步起裂和扩展。有时即使矿压不增加，其分支裂隙的扩展仍能继续，只是扩展较慢，如果使矿压

60、不增加，其分支裂隙的扩展仍能继续，只是扩展较慢，如果时间允许，也可发展贯通，从而引发滞后突水（数天、数月、甚至时间允许，也可发展贯通，从而引发滞后突水（数天、数月、甚至数年）。数年）。2h4.2 未损伤岩层带（未损伤岩层带（ ） 一般中间岩层带中损伤岩层带之下为未损伤岩层带。当矿压影一般中间岩层带中损伤岩层带之下为未损伤岩层带。当矿压影响很小不足以引起完整岩层损伤，该层岩体即为未损伤带，其为相响很小不足以引起完整岩层损伤，该层岩体即为未损伤带，其为相对长期阻隔水的主要层段。对长期阻隔水的主要层段。4.3采动破坏（裂隙贯通）带（采动破坏（裂隙贯通）带（ ） 实际由于岩层的非均匀性，无论是原生或原