矿压作用下地质构造对底板突水的诱导机理分析

沈瑞卿

（济南华玫矿业有限责任公司，山东 济南 271613）

肥城煤田在煤系地层下伏岩层中赋存奥陶系和石炭系灰岩含水层，其含水性很丰富，在一定的地质条件（断层、陷落柱）和采动影响下，通常互有水力联系，诱发底板突水事故会给工作面的安全生产带来隐患[1-2]。目前，随着煤炭采深的延伸，煤层距承压含水层越近，水文条件更加复杂，底板突水因素难以确定。因此，如何准确判断底板突水因素、采取相应措施、避免底板突水，是煤矿安全生产中亟需解决的课题。华玫矿业公司自1974年建矿以来，发生大小突水21余次，本文以其为对象进行研究分析。

1 矿井突水情况

济南华玫矿业公司曾经发生多次突水事故，其中水量大于200 m3/h的有8次，因地质构造诱导突水的有6次。

2 矿压作用下地质构造对底板突水的影响

华玫矿业9号和10号煤距下伏五灰承压含水层只有17～25 m，底板隔水层主要是中等抗拉强度的粉砂岩，在采场回采中，由于底板岩层中赋存的各条断层成为突水通道的可能性很大，五灰承压含水层的水会沿着断层面涌入采场，也可能会沿着采动造成的断层裂隙破碎带透过底板涌入工作面。在工作面回采中，在采动矿压的作用下，底板断裂型突水往往有以下两种。

1） 断裂构造带突水：随着回采工作面的推进，当推进至采空区底板下伏赋存有断层构造带时，其在采动附加应力场的作用下发生张开、错动等变形[5]，当断层与底板破坏形成的最大剪切面重合时，将会发生很大程度的错动滑移，形成贯通采空区和承压水的水力通道，在水力作用下，断层间摩擦系数减小，进一步发生大的剪切变形，加剧了突水程度。在这种突水方式中，矿压作用主要表现为产生的采动附加剪应力使得断层发生剪切错动，采动附加拉应力使得断层发生张拉破坏，两者都会增大水力通道，加速水力贯通，具体过程示意图，见图1。

图1 底板沿断层裂隙带突水示意图

2） 连通性裂隙结构面底板突水：当煤层底板未有断层、陷落柱等地质构造时，由于其隔水层中有着大量的原生裂隙结构面相互交错，破坏了岩体的完整性，使得岩体的强度降低，在工作面回采中，受采动矿压的作用，这些原生裂隙结构面在剪应力和拉应力的交互作用下，发生不同程度的延伸和扩展，产生贯通性的大结构面，致使承压水沿着裂隙结构面上涌，因水力作用使裂隙面进一步软化变形，使得水力连通程度加剧，最终导致煤层底板突水。导水示意图，见图2。在这种突水方式中，矿压作用与上述第一种情况相似，都是裂隙结构面发生错动和张开变形所致。

图2 裂隙结构面导水示意图

3 地质构造造成底板突水的规律性研究

1）综合分析华玫矿业的较大突水资料，地质构造导致突水一般有其规律：①突水受底板断裂的影响很大。②断层或原生裂隙结构面，其在采动影响下形成的交叉、拐角等部位最易导致突水发生，尤其是交叉部位最为明显。③隐伏的地质构造最易被人忽视，由于其在不同深度的完整性都不同，故在采动应力影响下，其最易发生破坏，从而导致突水发生。

2） 单纯的采动应力影响很难造成突水发生，一般都是在特定的条件下才会造成诱导突水。例如：采煤层与含水层相隔距离较小、隔水层厚度较薄及完整性较差、承压水水压较大等。在此类情况下，采空区底板一定深度的抗拉强度较小的岩层，在开采卸荷的作用下很易发生拉破坏，从而形成底板“断裂带”，当隔水层的厚度（煤层与含水层距离减去“断裂带”和“承压水导升带”的高度）难以抵抗承压水水压和采动矿压的相互作用时，其会发生破坏，进而导致底板突水，底板底鼓突水示意图，见图3。

图3 底板底鼓突水示意图

3）根据梁断裂理论，受均布载荷的固支梁两端有最大弯矩：

式中：P为水压、矿压与岩层自重载荷的叠加，Pa；L为底板隔水层岩层的断裂步距，m。

根据材料力学，梁的最大正应力：

式中：h为-完整隔水层厚度，m。要使完整隔水层不受破坏，须有：

式中：{σ}为-完整隔水层岩石允许抗拉强度，Pa。由式（1）～式（3）可知，受采动矿压作用而诱导底板突水的因素主要有：隔水层厚度、工作面断裂步距、承压水压力、岩石强度等，其主要取决于隔水层的受力大小和抗弯强度。

4 结束语

（1）受采动矿压作用的底板突水主要有两种方式：断裂构造带突水和连通性裂隙结构面底板突水。

（2）突水过程中，矿山压力起诱导作用、地质构造起桥梁作用，含水性是突水的前提，水头压力起主动作用，而底板隔水层起着抑制作用。

（3） 受采动矿压作用的底板突水的因素主要有：隔水层厚度、工作面断裂步距、承压水压力和岩石强度等。

[1] 杜计平,汪理全.煤矿特殊开采方法[M].徐州:中国矿业大学出版社,2005.

[2] 王作宇,刘鸿泉.承压水上采煤[M].北京:煤炭工业出版社,1993.

[3] 魏久传,李白英.承压水上采煤安全性评价[J].煤田地质与勘探.2000,28(4):57-59.

[4] 胡耀青.我国带压开采研究现状及其展望[J].太原理工大学学报.2002,33(6):594-600.

[5] 蒋金泉,宋振骥.回采工作面底板活动及其对突水影响的研究[J].山东矿业学院学报.1987(4):1-11.