底板突水研究現(xiàn)狀

1.3.1.1底板突水機(jī)理研究(1)底板相對隔水層盡管巖溶地層的分布面積占世界大陸面積的1/4，但由于地質(zhì)條件及煤層賦存狀態(tài)的差異性，世界上一些產(chǎn)煤大國(如美國、加拿大、澳大利亞、德國、英國等)一般都不存在煤礦開采過程中的底板突水問題，只有一些少數(shù)國家在煤礦開發(fā)中不同程度地受到底板巖溶水的影響。由于國外煤礦開采已有100多年的歷史，因此對底板突水的研究也是率先進(jìn)行的。早在20世紀(jì)初，歐洲的一些學(xué)者就注意到煤礦開采過程中底板隔水層的作用，并從若干次底板突水資料中認(rèn)識(shí)到，只要煤層底板有隔水層，突水次數(shù)就少，突水量也小，隔水層越厚則突水次數(shù)及突水量越少。20世紀(jì)40～50年代，匈牙利韋格弗倫斯第一次提出“底板相對隔水層”的概念。他指出，煤層底板突水不僅與隔水層厚度有關(guān)，而且還與水壓力有關(guān)。突水條件受相對隔水層厚度的制約。相對隔水層厚度是等值隔水層厚度與水壓力值之比。同時(shí)提出，在相對隔水層厚度大于1.5m/atm的情況下，開采過程中基本不突水，而80%～88%的突水都是相對隔水層厚度小于此值。由此，許多承壓水上采煤的國家引用了相對隔水層厚度大于2m/atm就不會(huì)引起煤層底板突水的概念。這期間蘇聯(lián)學(xué)者B·斯列薩列夫?qū)⒚簩拥装逡曌鲀啥斯潭ǖ某惺芫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。20世紀(jì)60～70年代，匈牙利國家礦業(yè)技術(shù)鑒定委員會(huì)將相對隔水層厚度的概念列入《礦業(yè)安全規(guī)程》，并對不同礦井條件做了規(guī)定和說明。蘇聯(lián)、南斯拉夫等國的學(xué)者也開始研究相對隔水層的作用，包括采空區(qū)引起的應(yīng)力變化對相對隔水層厚度的影響，以及水流和巖石結(jié)構(gòu)關(guān)系等。20世紀(jì)70～80年代末期，很多國家的巖石力學(xué)工作者在研究礦柱的穩(wěn)定性時(shí)，研究了底板的破壞機(jī)理。其中最有代表性的是桑托斯、賓尼威斯基。他們基于改進(jìn)的Hoek-Brown巖體強(qiáng)度準(zhǔn)則，引入臨界能量釋放點(diǎn)的概念分析了底板的承載能力。(2)“下三帶”理論“下三帶”的理論觀點(diǎn)最早是在20世紀(jì)80年代初由山東科技大學(xué)(原山東礦業(yè)學(xué)院)荊自剛、李白英在實(shí)踐中提出的，并由以李白英為代表的一批科研人員在實(shí)踐中進(jìn)行應(yīng)用和發(fā)展。該理論認(rèn)為，開采煤層底板也像采動(dòng)覆巖一樣存在著三帶(圖1.3)，即:采動(dòng)底板破壞帶(Ⅰ)，完整巖層帶(Ⅱ)，承壓水導(dǎo)高帶(Ⅲ)。圖1.3開采煤層底板“三帶”劃分模型示意圖第Ⅰ帶:“采動(dòng)底板破壞帶”(h1)是指由于采動(dòng)礦壓的作用，底板巖層連續(xù)性遭到破壞，導(dǎo)水性發(fā)生明顯改變的層帶。該帶的厚度即為“底板破壞深度”。底板破壞帶包含有層向裂隙帶和豎向裂隙帶，它們相互穿插無明顯界線。層向裂隙主要是底板受礦壓作用，底板經(jīng)壓縮膨脹壓縮，產(chǎn)生反向位移所致;豎向裂隙主要是剪切及層向拉力破壞所致。該帶的厚度受多種因素影響，但主要受采面斜長的影響，并給出了經(jīng)驗(yàn)公式。第Ⅱ帶:“完整巖層帶(或保護(hù)層帶)”(h2)是指底板巖層保持采前的完整狀態(tài)及其阻水性能的部分。它包含以前所謂“采動(dòng)底板破壞影響帶”中的下部影響帶以及未變形部分，其共同特點(diǎn)是保持采前巖層的連續(xù)性，其阻水性能未發(fā)生變化。第Ⅲ帶:“承壓水導(dǎo)高帶(或隱伏水頭帶)”(h3)是指含水層中的承壓水沿隔水底板中的裂隙或斷裂破碎帶上升的高度(即由含水層頂面到承壓水導(dǎo)升上限之間的部分)。有時(shí)受采動(dòng)影響，采前原始導(dǎo)高還可再導(dǎo)升，但上升值很小，由于裂隙發(fā)育的不均勻性，故導(dǎo)高帶的上界是參差不齊的。不同的礦區(qū)，因其底部巖層性質(zhì)及地質(zhì)構(gòu)造差異，承壓水原始導(dǎo)高大小不一，有的礦區(qū)也許無原始導(dǎo)高帶存在。(3)原位張裂與零位破壞理論由煤炭科學(xué)研究總院北京開采所王作宇、劉鴻泉等人于20世紀(jì)90年代初提出。該理論認(rèn)為，礦壓、水壓聯(lián)合作用于工作面對煤層的影響范圍可分為三段:超前壓力壓縮段(Ⅰ段)、卸壓膨脹段(Ⅱ段)和采后壓力壓縮穩(wěn)定段(Ⅲ段)(圖1.4)。超前壓力壓縮段在其上部巖體自重力和下部水壓力的聯(lián)合作用下整個(gè)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出上半部受水平擠壓、下半部受水平引張的狀態(tài)，因而在中部附近的底面上的原巖節(jié)理、裂縫等不連續(xù)而產(chǎn)生巖體的原位張裂。在底板承壓水的作用下，克服巖體結(jié)構(gòu)面阻力而擴(kuò)大，并沿著不連續(xù)面發(fā)展或形成新的張裂，從而形成底板巖體的原位張裂。煤層底板結(jié)構(gòu)巖體由Ⅰ段向Ⅱ段過渡引起其結(jié)構(gòu)狀態(tài)的質(zhì)變，處于壓縮的巖體應(yīng)力急劇卸壓，圍巖的儲(chǔ)存能大于巖體的保留能，便以脆性破壞的形式釋放殘余彈性應(yīng)變能以達(dá)到巖體能量的重新平衡，從而引起采場底板巖體的零位破壞，并且認(rèn)為頂板自重應(yīng)力場的支撐壓力是引起底板產(chǎn)生破壞的基本前提，煤柱煤體的塑性破壞寬度是控制底板最大破壞深度的主要參數(shù)，底板巖體的摩擦角是影響零位破壞的基本因素，并進(jìn)一步用塑性滑移線理論分析了采動(dòng)底板的最大破壞深度。該理論綜合考慮了采動(dòng)效應(yīng)及承壓水運(yùn)動(dòng)，闡明了底板巖體移動(dòng)發(fā)生、發(fā)展、形成和變化的過程，揭示了礦井突水的內(nèi)在原因，對承壓水上采煤實(shí)踐具有重大的指導(dǎo)意義，但對于原位張裂發(fā)生發(fā)展過程缺乏深入研究，其發(fā)育高度(厚度)難以確定，限制了其在實(shí)際中的應(yīng)用。圖1.4 底板巖體的原位張裂與零位破壞示意圖(4)薄板模型理論煤炭科學(xué)研究總院北京開采所劉天泉、張金才等從力學(xué)分析角度出發(fā)，于20世紀(jì)90年代提出了底板巖體“兩帶”的模型，即底板巖體由采動(dòng)導(dǎo)水裂隙帶及底板隔水帶組成。該理論引用斷裂力學(xué)工型裂紋的力學(xué)模型，求出采場邊緣應(yīng)力場分布的彈性能，并應(yīng)用Comulomb-Mohr破壞準(zhǔn)則及Griffith破壞準(zhǔn)則，求出礦山壓力對底板的最大破壞深度。而對隔水帶的處理是看作四周固支受均布載荷作用下的彈性薄板，然后采用彈塑性理論分別得到了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的計(jì)算公式。這種模型前半部分，即對導(dǎo)水裂隙帶的處理，盡管十分簡化，但所得的彈性解還是能揭示礦壓對底板破壞規(guī)律的，如果將巖體損傷特征考慮進(jìn)去就會(huì)較為接近底板巖體的實(shí)際情況。模型的后半部分對隔水帶的處理不僅在理論上立足點(diǎn)不對，而且與工程實(shí)際相差甚遠(yuǎn)。首先，薄板理論的前提是厚寬之比小于1/5～1/7，模型中的底板隔水帶一般是不能滿足這一條件的。其次，模型中認(rèn)為煤層底板除了采動(dòng)導(dǎo)水裂隙帶，剩余的巖層便是隔水帶，與現(xiàn)實(shí)不符。因此，這種模型在實(shí)際生產(chǎn)中很難推廣和應(yīng)用。(5)“強(qiáng)滲通道”說由中國科學(xué)院地質(zhì)研究所于20世紀(jì)90年代提出。該理論認(rèn)為底板是否發(fā)生突水關(guān)鍵在于是否具備突水通道。這分為兩種情況:其一，底板水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)存在與水源勾通的固有突水通道，當(dāng)其被采掘工程揭穿時(shí)，即可產(chǎn)生突破性的大量涌水，構(gòu)成突水事故;其二，底板中不存在這種固有的突水通道，但在工程應(yīng)力、地殼應(yīng)力以及地下水共同作用下，沿底板巖體結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)中原有的薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生形變、蛻變與破壞，形成新的貫穿性強(qiáng)滲通道而誘發(fā)突水。前者屬于原生通道突水，后者屬于再生或次生通道突水。該理論重視了地質(zhì)構(gòu)造(包括斷層和節(jié)理)這一薄弱面對突水的影響，但對采動(dòng)和水壓對其產(chǎn)生的影響，尤其采動(dòng)礦壓的作用缺乏應(yīng)有的研究。(6)“巖水應(yīng)力關(guān)系”說該學(xué)說由煤炭科學(xué)研究總院西安分院于20世紀(jì)90年代提出。該學(xué)說認(rèn)為底板突水是巖(底板砂頁巖)、水(底板承壓水)、應(yīng)力(采動(dòng)應(yīng)力和地應(yīng)力)共同作用的結(jié)果。采動(dòng)礦壓使底板隔水層出現(xiàn)一定深度的導(dǎo)水裂隙，降低了巖體強(qiáng)度，削弱了隔水性能，造成了底板滲流場重新分布，當(dāng)承壓水沿導(dǎo)水破裂進(jìn)一步浸入時(shí)，巖體則因受水軟化而導(dǎo)致裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，直至兩者相互作用的結(jié)果增強(qiáng)到底板巖體的最小主應(yīng)力小于承壓水水壓時(shí)，便產(chǎn)生壓裂擴(kuò)容，發(fā)生突水。其表達(dá)式為:I=Pw/z(式中:I為突水臨界指數(shù)，Pw為底板隔水巖體承受的水壓;z為底板巖體的最小主應(yīng)力)。當(dāng)I<1時(shí)不會(huì)發(fā)生突水，反之則發(fā)生突水。該學(xué)說綜合考慮了巖石、水壓及地應(yīng)力的影響，揭示了突水發(fā)生的動(dòng)態(tài)機(jī)理，但對采動(dòng)導(dǎo)水裂隙帶及承壓水的再導(dǎo)生以及巖體的抗張強(qiáng)度等問題卻未得出定量結(jié)論。(7)關(guān)鍵層理論中國礦業(yè)大學(xué)錢鳴高院士根據(jù)底板巖層的層狀結(jié)構(gòu)特征，于20世紀(jì)90年代中期建立了采場底板巖體的KS理論。該理論認(rèn)為，煤層底板在采動(dòng)破壞帶之下，含水層之上存在一層承載能力最高的巖層，稱為“關(guān)鍵層”(圖1.5)。圖1.5 采場結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵層示意圖在采動(dòng)條件下，將關(guān)鍵層作為四邊固支的矩形薄板，然后按彈性理論和塑性理論分別求得底板關(guān)鍵層在水壓等作用下的極限破斷跨距，并分析了關(guān)鍵層破斷后巖塊的平衡條件，建立了無斷層條件下采場底板的突水準(zhǔn)則和斷層突水的突水準(zhǔn)則。該理論抓住了底板巖體具有層狀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，并注意到了底板中的強(qiáng)硬巖層在抑制突水中的作用，揭示了在采動(dòng)條件和承壓水作用下采場底板的突水機(jī)理。但將煤層底板破裂突水僅僅歸結(jié)為“關(guān)鍵層”的破斷似乎有些過于簡化，忽略軟弱巖層在底板突水中的作用顯然是不妥的;而且在底板為多層巖性層的情況下，究竟應(yīng)將哪一層巖層作為關(guān)鍵層，在實(shí)踐中往往不易掌握。此外底板突水與否決不僅由關(guān)鍵層所控制，而且還由一些承載能力不很強(qiáng)，但阻水性能好的巖層所控制，理論模型與實(shí)際地質(zhì)環(huán)境相差較遠(yuǎn)。(8)“下四帶”理論該理論于21世紀(jì)初由山東科技大學(xué)施龍青提出。圖1.6所示為開采煤層底板“四帶”劃分理論，即“下四帶”理論的模型，它將開采煤層底板自開采煤層底板的頂?shù)胶畬又g的巖層劃分出4個(gè)組成帶:礦壓破壞帶(Ⅰ)、新增損傷帶(Ⅱ)、原始損傷帶(Ⅲ)、原始導(dǎo)高帶(Ⅳ)。下面從力學(xué)性質(zhì)和隔水能力方面闡明各帶的基本特征。圖1.6 開采煤層底板“四帶”劃分模型圖第Ⅰ帶(h1):“礦壓破壞帶”是指礦山壓力對底板的破壞作用顯著，底板巖石的彈性性能遭到明顯傷失的層帶。其特點(diǎn)為:巖石處于黏彈性狀態(tài);各種裂隙不僅交織成網(wǎng)，而且貫通性好、導(dǎo)水性能很強(qiáng);巖層的連續(xù)性徹底破壞，完全喪失了隔水能力;承壓水沿該帶突出所消耗的能量僅僅用于克服突水通道中的沿程阻力。第Ⅱ帶(h2):“新增損傷帶”是指受礦山壓力破壞的影響作用明顯，巖石彈性性能發(fā)生了明顯改變的層帶。其特點(diǎn)為:底板巖層的原有抗壓強(qiáng)度明顯降低，但巖層的彈性性能尚未完全喪失，即巖石仍處于彈性狀態(tài);巖層的原有裂隙得到了明顯地?cái)U(kuò)展，但尚未相互貫通;巖層具有一定的連續(xù)性和隔水能力;承壓水要沿該帶突出，其消耗的能量主要用于貫通裂隙。第Ⅲ帶(h3):“原始損傷帶”是指不受礦山壓力破壞作用的影響或影響甚微，巖石彈性性能保持不變的層帶。其特點(diǎn)為:巖石保持原有彈性性能;巖層內(nèi)的裂隙保持原先的非相互貫通狀態(tài);巖層的連續(xù)性和隔水能力良好;底板水要沿該帶突出，其消耗的能量主要用于破壞巖石及貫通裂隙。第Ⅳ帶(h4):“原始導(dǎo)高帶”是指不受礦山壓力作用的影響，并發(fā)育有承壓水的原始導(dǎo)高的層帶。其特點(diǎn)為:因水化學(xué)作用，巖石處于彈塑性、塑性狀態(tài);裂隙發(fā)育參差不齊，并已成為突水通道;巖層的連續(xù)性差;底板水從該帶突出只需克服沿程阻力。該理論的力學(xué)基礎(chǔ)是損傷力學(xué)與斷裂力學(xué)理論，在各帶厚度計(jì)算公式推導(dǎo)方面采用了較為復(fù)雜的理論研究，因此在一定程度上限制了所得公式的現(xiàn)場推廣與應(yīng)用。如何進(jìn)一步提高該理論的實(shí)用性還有待于不斷探索和研究。1.3.1.2底板突水預(yù)測評(píng)價(jià)(1)突水系數(shù)法從1964年焦作礦區(qū)水文地質(zhì)大會(huì)戰(zhàn)中煤炭科學(xué)研究總院西安分院提出突水系數(shù)的概念后，一直以其作為預(yù)測評(píng)價(jià)底板突水與否的標(biāo)準(zhǔn)。即:煤礦底板巖溶水水害防治的理論與實(shí)踐式中:Ts為突水系數(shù);P為含水層水壓，MPa;M為隔水層厚度，m。20世紀(jì)70～80年代，突水系數(shù)的表達(dá)式經(jīng)兩次修改后確定為:煤礦底板巖溶水水害防治的理論與實(shí)踐式中:Mi為隔水層第i層厚度，m;ai為隔水層第i層等效厚度的換算系數(shù);CP為礦壓對底板的破壞深度，m。公式(1.2)于1984年被煤炭工業(yè)部寫入《礦井水文地質(zhì)規(guī)程》，2000年被國家煤炭工業(yè)局編入《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》，成為指導(dǎo)現(xiàn)場技術(shù)人員評(píng)價(jià)底板突水的依據(jù)。由于當(dāng)煤層底板與承壓水含水層水頭的空間位置確定后，突水系數(shù)就是一個(gè)定值，它與隔水層的阻水性能、巖性、地層結(jié)構(gòu)、采煤方法、礦床充水、含水層的富水性和水動(dòng)力學(xué)特征等重要的因素沒有直接關(guān)系，也就是說，突水系數(shù)所包含的和反映的地質(zhì)、水文地質(zhì)及其他有關(guān)的信息量不夠，在利用突水系數(shù)臨界值判別底板突水與否，所得結(jié)果尚欠缺完整性。(2)多元信息耦合法根據(jù)多年來大量突水案例的分析，煤礦帶壓開采煤層底板突水的主控因素有充水含水層、底板隔水巖段防突性能、地質(zhì)構(gòu)造、礦壓破壞發(fā)育帶和導(dǎo)升發(fā)育帶等。為此，更加有效地利用多元信息，提出具有復(fù)雜形成機(jī)理的非線性動(dòng)力現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型和評(píng)價(jià)方法，是提高底板突水的危險(xiǎn)性預(yù)測的關(guān)鍵所在。隨著地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)的發(fā)展，其強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析處理功能線性、非線性數(shù)學(xué)方法的耦合技術(shù)成為了近年來底板突水的危險(xiǎn)性預(yù)測的主要方法。該方法以多源信息集成理論為指導(dǎo)，以GIS為操作平臺(tái)，在煤層底板突水主控因素分析確定基礎(chǔ)上，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集、分析和處理，建立各主控因素的子專題層圖;應(yīng)用多源地學(xué)數(shù)據(jù)復(fù)合疊加原理，采用泛決策分析方法(如ANN、證據(jù)權(quán)重法、Logistic回歸、AHP等)，通過模型的反演識(shí)別或?qū)W習(xí)訓(xùn)練，確定出煤層底板突水的各主控因素對復(fù)雜突水過程的“貢獻(xiàn)”或“權(quán)重”，建立煤層底板突水預(yù)測預(yù)報(bào)評(píng)價(jià)模型;然后根據(jù)研究區(qū)各單元計(jì)算的突水脆弱性指數(shù)頻率直方圖分析，合理確定突水脆弱性分區(qū)閾值，最終對煤層底板突水脆弱性作出科學(xué)的區(qū)劃和預(yù)測預(yù)報(bào)評(píng)價(jià)。(3)數(shù)值模擬方法數(shù)值模擬方法是利用刻畫地下水系統(tǒng)空間結(jié)果和水力特征的數(shù)學(xué)模型作為工具，以數(shù)字模擬方法為手段定量分析、評(píng)價(jià)、預(yù)測地下水系統(tǒng)的水文地質(zhì)條件、參數(shù)結(jié)構(gòu)、行為規(guī)律及其在擾動(dòng)條件下的變化與響應(yīng)。數(shù)值模擬方法較其他評(píng)價(jià)方法來說，能比較全面地刻畫含水層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和模擬處理比較復(fù)雜含水層系統(tǒng)邊界及其他一般解析法難以處理的水文地質(zhì)問題。國內(nèi)有許多學(xué)者運(yùn)用數(shù)值方法來研究底板采動(dòng)應(yīng)力分布。凌榮華等(1991)在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了煤層底板突水機(jī)理，他們通過對底板巖層的三維應(yīng)力數(shù)值模擬，分析了底板巖層的采動(dòng)效應(yīng)，總結(jié)出底板應(yīng)力變化的一系列規(guī)律，為煤層底板突水機(jī)理的研究提供了新的方法。1.3.1.3底板突水防治措施自20世紀(jì)70年代以來，國外礦井防治水技術(shù)有了很大發(fā)展。含水層預(yù)先疏干降壓法逐漸代替了被動(dòng)排水，在礦井防治水發(fā)展中占主導(dǎo)地位。圍繞疏干降壓防治水方法，相相繼發(fā)展了相應(yīng)的鉆探、排水新技術(shù)，如潛水泵的揚(yáng)程可達(dá)35～1000m，排水量達(dá)126～5000m3/h。值得稱道的是國外疏干工作正在逐漸采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，這使疏干的效果大大提高了一步。另外，由于礦井排水成本越來越高，一些國家開始試用堵水截流的防治水措施?？傊瑖獾V井防治水方法比較單一，主要采用地面管井疏干降壓，堵水截流只作為一種輔助措施。學(xué)者及專家普遍認(rèn)為，在生產(chǎn)階段，注漿堵水不能代替排水。如美國認(rèn)為，即使在巖溶礦區(qū)，也只有少數(shù)礦井可采用堵水截流的防治水方法，多數(shù)仍需疏干降壓。我國的礦層埋藏條件復(fù)雜，針對不同類型礦井的防治水方法多種多樣，有疏有堵，在一定條件下可疏、堵結(jié)合。疏干降壓的方式有地表疏干，也有井下疏干。某些條件下，地表和井下可聯(lián)合疏干降壓。在注漿堵水方面，既有礦山局部工程處理和淹井事故處理，也有大型防滲帷幕注漿工程。根據(jù)近幾年研究成果，排水、供水、環(huán)境保護(hù)三位一體結(jié)合不僅可以解決排、供、環(huán)保三者之間日益嚴(yán)重的矛盾和沖突，而且也是一項(xiàng)十分有效的礦井防治水技術(shù)。但是，究竟在什么條件下應(yīng)采用疏干降壓，什么條件下應(yīng)采用堵水截流，什么條件下應(yīng)采用排、供、環(huán)保三位一體結(jié)合?以往的回答都建立在定性分析的基礎(chǔ)上。一般認(rèn)為，充水通道對礦井涌水量影響較小時(shí)，直接采用疏干降壓;若礦井涌水量主要受充水通道的控制，則應(yīng)堵截充水通道。然而，如何定量研究充水通道的具體空間展布和充水強(qiáng)度，以及充水通道對礦井某開采水平的總涌水量影響大小等問題，一直未能得到較好的解決。結(jié)果造成有時(shí)堵的通道不準(zhǔn)，花費(fèi)巨資，收效甚微;有時(shí)所堵通道充水量不大，效果不明顯。
備注：數(shù)據(jù)僅供參考，不作為投資依據(jù)。