煤层顶底板开采的上下三带防水方法

煤矿生产的特点是地下作业，作业地点根据煤炭资源的赋存深浅不同，差异较大，在矿井掘采过程中，煤层顶底板常有涌水和突水事故发生，河南在倾斜或缓倾斜煤层开采过程中常造成底板上下三带突水。

一、顶板垮落形成上三带：

顶板垮落形成的导水裂隙，其裂隙属典型的采矿扰动类导水通道。矿床开发开采以后，由于在地下形成采空空间，如果没有专门顶板控制技术，则必然造成采空区上方岩层的变形、移动、破坏，甚至形成开裂、离层或碎块状垮塌。采空区顶板岩层的破坏变形形态与规律会受到采空空间几何结构，顶板岩性及其组合，矿床产状及采矿方法，岩石应力环境及其受力状态等多种因素的控制，不同因素的组合会产生完全不同的顶板岩石变形破坏特征。但就一般规律而言，采空区上方可划分出3个不同性质的破坏和变形影响带（图7－61）。

图7－61　顶板破坏与变形规律示意图

（一）垮落带　指采矿工作面放顶后引起的直接顶板垮落破坏范围。根据垮落块的破坏程度和堆积状况，可分为规则垮落带和不规则杂乱垮落带。如果垮落带高度达到上覆含水层，则往往引起顶板水的突发性突入。当上覆含水层为第四纪松散沉积含水层时，不但会形成突水，还会引起溃砂和地面塌陷等灾害。

其高度取决于顶板岩性及岩层组成、采出煤厚及冒落岩层的移动速度和承受弯曲的能力。一般来讲，第一分层开采后的冒落高度仅为采厚的2.3～2.8倍。当为砂岩顶板时，且用全垮落法管理顶板，则第一分层开采后，其冒落高度为采厚的3.5～4倍，图7－61中以h1表示。

（二）断裂带　指垮落带以上大量出现的切层、离层和断裂或裂缝发育带。该带一般由下而上，其断裂和离层程序由强变弱。但当顶板岩性及其组合变化比较复杂时，也会出现不均匀发育的特点。总之，该层不一定具备透砂能力，但一般具有较强的导水能力。

（三）弯曲带沉降　指断裂带以上的地表的整个范围内岩体发生弯曲下沉的整体变形和沉降移动区。该带主要特点是岩层的整个变形和移动，而其断裂化程度较弱，所以一般不具备导水能力。

从矿床水文地质角度来看，可以把工作面顶板简单地划为两带，即垮落断裂带（垮落带和断裂带之和，又称导水断裂带）和弯曲带。对矿井突水有意义的主要是垮落断裂带，弯曲沉降带主要由裂隙带上方的岩层组成。由于逐渐远离采空区，受采动影响最小，由于岩层下沉值小于岩层本身能承受的张力，移动过程连续而有规律，并呈平缓下沉，岩层的整体性也没遭受破坏。形成与采空区无贯通裂隙的弯曲沉降带。图7－61中以h3表示，其高度较大，可直达地表，使地表出现盆状下陷，并有可能在地表产生张力裂缝。在河南煤矿采面出水事故时有发生，其情况如表7－32所示。

表7－32　河南煤矿采面垮落出水事故表

二、二1煤层底板三带破坏造成突水

当矿层底板隔水层之下赋存有高承压水时，在矿床未开采时，水岩处于一定的力平衡状态之下，一旦矿体被开发在隔水层之上形成临空边界并产生应力释放后，在矿压和水压的作用下，隔水底板岩层必然受到不同程度的破坏，形成新的破裂面或使原有的闭合裂隙活化一旦这种破裂面或裂隙沟通底板承压含水层水时，必然导致底板之下承压含水层水涌入矿井。这种因巷道掘进或矿床开发扰动其底板隔水层使其形成的导水通道，称之为底板破坏式导水通道。

河南是煤矿水害最严重的省份之一，而采煤工作面或巷道底板隔水层之下喀斯特承压水突水事故占煤矿总突水事故的30%以上。这主要是因为大面积分布的华北石炭二叠系煤层底板之下普遍发育在山西组、太原组薄层灰岩承压含水层和深部的奥陶系巨厚层灰岩富水含水层。含水层的富水性是发生底板突水的内在因素，它决定着突水水量的大小及突水量的动态变化特征，水压力的存在是驱动含水层水流入矿井的动力，而底板破坏所形成的破裂则是地下水得以流动的通路和咽喉，只有当三者同时存在并达到某种特殊组合时，才能发生底板突水。

（一）采矿扰动破坏理论

关于底板隔水层在采矿扰动下的破坏机理，目前尚没有统一的理论，但大量资料表明，承压水能否突破，主要取决于承压含水层水压的大小和隔水底板岩层的强度、厚度和岩性特征。在底板岩性变化不大的情况下，隔水层的厚度起着主要作用，因此产生了用临界隔水层厚度（ML）和临界突水压力（HL）两个指标来预测矿井底板突水的可能性。临界突水水压值（HL）是指一定厚度的隔水层底板保持稳定，不被突破时所能承受的最大水压值；而临界隔水层厚度是指在一定的水压力作用下，能够保持稳定、不被突破所需要的最小隔水层厚度。用来计算这两个指标的常见公式是斯列萨列夫公式：

式中：

HL—隔水底板所能承受的临界水压值，kN／m2；

HP—作用于隔水层底板上的实际水压值，kN／m2；

ML—能够阻抗水压Hp的临界隔水层厚度，m；

tp—隔水底板岩层的实际厚度，m；

L—采区空间底宽，m；

Kp—底板隔水层抗张强度，kN／m2；

rR—底板隔水层岩石密度，t／m3；

利用上述公式评价预测隔水底板是否会形成穿透导水通道的准则为：

Hp＜HL时，不会形成穿透底板的导水通道；

tp＞ML时，不会形成穿透底板的导水通道；

Hp＞HL时，会形成穿透底板的导水通道；

tp＜ML时，会形成穿透底板的导水通道；

（二）矿压破裂下三带理论

破裂构造是导致底板突水的重要因素，据统计80%～90%以上的突水均发生在岩体的某种破裂面或损伤面附近（如断层、裂隙带墙周边等）。而矿山压力往往是产生新破裂和诱发旧破裂的最关键因素。矿压进一步破坏和降低了底板隔水层的岩体强度和阻水能力，促使在水压力作用下突水通道的形成。据井下工作面综合测试资料显示，在一次周期来压步距内，支承压力对底板隔水层的作用具明显的分带特征。如图7－62所示，由于采空区的形成使得采空区上覆岩层的压力转移到采空区周围岩柱，从而使采空区周围为压缩带，底板岩层在采空区周边一个环状带内处于受压状态；而在采空区中心部位，由于上悬下压（下部在水压作用下存在向上的推力）而处于降压或减压区，底板岩层处于张拉膨胀状态；在受压区和张拉区之间便形成了一个剪力带，这一带往往是优先遭受破坏的部位，且这一破坏深度一般为6～14m，同样这一带是最易发生底板突水的区域。矿压破裂理论给出了底板易突水分析，但未能给出预测突水是否发生的判据，影响了其实用性。

（三）突水系数理论

突水系数理论实质上基于统计学方法而提出的。关于突水系数值的计算方法经历了多次变化和修正，而判别是否突水的阀值（临界值）则是依据大量的突水实测资料统计计算得到的。

20世纪60年代，焦作矿区防治水，最早提出的突水系数就是作用于底板隔水层的水压与底板隔水层厚度之比值。其表达式可简单地写为

式中：T—突水系数，Mpa／m；

p—作用于隔水层底板的水压力，Mpa；

M—底板隔水岩层厚度，m。

图7－62　采空区底板隔水层受力分布示意图

图7－63　底板隔水层在开采条件下三带划分示意图

I－被压破坏带；II－完整隔水带；III－原始导升高度带

这一公式，后来煤炭科学研究总院西安分院通过大量试验研究，提出了有效隔水层厚度的概念，即将煤层底板隔水层划分为三带。如图7－63所示，上段为矿山压力对底板隔水层的破坏带（试验资料认为这一段厚度为6～14m）；中段为完整隔水层带；下段为原始导升高度带（在底板高水压作用下，地下水已经在隔水层中劈裂侵入了一定的高度），根据矿氡测量值分析，灰岩水的导升高度在水压为1.2Mpa时为1～6m。

基于上述关于隔水底板三带的划分，提出了突水系数计算的修正公式为

式中T—突水系数，Mpa／m；

p—作用于隔水层底板的水压力，Mpa；

M—底板隔水层总厚度，m；

MI—矿压破坏带厚度，m；

MII—有效隔水层厚度，m；

MIII—原始导升带厚度，m。

式4与式3相比，考虑了矿压及水压对底板隔水层的破坏和影响，但该公式中仍未考虑底板隔水层是由不同性质的岩层复合而成，且不同岩石有着完全不同的力学性质和抗水压能力。因此，不能单纯以岩层的实际厚度来计算突水系数，而应根据岩石本身的力学强度和隔水性能对实际厚度进行计算，得出一个假定岩体强度和隔水性能均一的等效隔水层厚度（Me）。提出了等效隔水层厚度的计算公式：(www.xing528.com)

式中

M—底板隔水层的实际量测厚度，m；

Me—底板隔水层的有效厚度，m；

ξ—底板隔水层的强度比值系数；

ξi—底板隔水层中i层岩石的强度比值系数。

从式5和式6不难看出，确定有效隔水层厚度的关键在于如何确定不同性质岩层的强度比值系数。根据邯郸地区的现场压水试验资料获得了表7－33所列的强度比值系数。

在获得了等效隔水层厚度后，并考虑矿压和原始水压的因素，所得到新的突水系数的计算公式如下：

表7－33　部分岩石强度比值系数表

式7对底板隔水层的分带性、分层性及其岩性特征都有所考虑，到了20世纪90年代，煤炭科学研究总院西安分院在华北型煤田奥灰喀斯特水煤矿床带水压安全开采技术项目研究中，通过对底板隔水层中不同分带岩石的阻水能力、抗水压能力现场试验研究，认为底板破坏导水带的底部尚有一定的阻水能力，底板下部构造导水带应属于含水层的一部分而阻水能力。根据这一特点，建立了带水压安全开采的安全水压预测公式：

式中Pa—安全开采底板隔水层允许承受的最高水压，Mpa；

Dph—底板导升带高度，m；

Dbm—底板有效保护层（隔水层）厚度，m；

Ddh—底板存在的构造导水带高度，m；

α—弱阻水破坏深度比率，一般取0.6；

Cz—残余阻水系数，一般为0.015Mpa／m；

Zcp—有效保护层的阻抗水压系数，一般为0.13Mpa／m。

式8既考虑了底板岩层的分带性，同时还考虑了不同带对底板水压的阻抗能力，将不同带岩层对水压的阻抗能力分别计算后求和，形成整个底板岩层对水压的总阻抗能力，并通过比较实际水压与底板整体的总阻抗水压能力，达到判断预测底板突水的可能性。

综观对突水系数的研究过程，不难看出，其主要研究工作都集中于对底板隔水层本身结构和力学性质的研究，而对影响突水预测的另外两个重要因素——水压力和突水系数临界值的研究和改进工作则涉及不多。实际上，当把底板隔水层划分为多个带，并把突水系数的计算公式改进之后，原来建立在统计意义上的临界突水系数已经不适用于新的计算公式，因为统计意义上的突水系数值是底板突水诸多因素的综合反应指标。如果将突水系数的计算公式修正后，相应的突水系数判别指标也应做相应的调整；否则，二者之间不具备可比性，也就不能用作突水预测的依据。另外一个重要因素是作用于底板隔水层的水压力问题。在实际工作中所获得的水压力往往是含水层中的水压值，但当下伏含水层高压水在底板隔水层下部劈裂导升一定的高度后，其在导升段的能量消耗很大，这时作用于有效隔水层段下部的实际水压已远远小于含水层中的观测水压（图7－64）。真正作用于有效隔水层带底部的水压力是导升水的残余压力pc，而非含水层的原始压力p0；如果采用有效隔水层计算突水系数，对应的水压应该采用残余压力pc。

图7－64　底板隔水层不同位置水压分布示意图

由此可见，考虑多种因素的底板隔水层突水系数的计算公式应为

式中各变量物理意义同前。式9只是计算了作用于单位有效隔水层厚度上的水的压力，要判定是否突水还需要正确选择临界突水系数。

底板隔水层破坏突水是河南最常见的煤矿水害类型，主要底板突水事故见表7－34，图7－65和图7－66所示为底板突水典型模式地质结构示意图。

表7－34　河南煤矿主要底板突水事故隔水层厚度与断层关系表

续表

表7－34的资料反映出一个重要事实，这就是不管隔水底板承受的水压如何，不管是巷道突水或工作面突水，凡是发生突水的地方其底板隔水层厚度95%都在20m之内，而很少发现在较厚隔水层厚度和高水压作用下发生底板突水的事例。这一现象表明，发生底板突水的核心因素是矿压破坏带与高压水导升带之间是否相互沟通，而不是作用在底板有效隔水层单位厚度中残余水压力的大小，或者说残余水头压力已经非常小，仅在这一残余水压的作用下很难鼓破一定的有效隔水岩柱而发生突水。

图7－65　石门接近底板灰岩水时底板突水地质结构示意图

图7－66　焦作王封矿1411工作面底板突水地质结构示意图

实践与测试资料表明，矿压作用下的底板破坏深度一般为6～14m，灰岩水的导升高度一般为3～7m，上下两个破坏带厚度之和为9～21m。由此可见，准确查明矿压破坏带和导升断裂带厚度是预测底板突水条件的关键因素。这一认识的建立，对于正确解释为什么大量的在传统突水系数概念下认为是突水危险区的煤炭资源得以安全开采具有重要意义。