煤层底板“下三带”突水防治措施探析

孙柏坤，黄瑛

（1.中国葛洲坝集团第五工程有限公司，湖北宜昌443002；2.中国葛洲坝集团第五工程有限公司，云南昆明650041）

煤层底板“下三带”突水防治措施探析

孙柏坤1，黄瑛2

（1.中国葛洲坝集团第五工程有限公司，湖北宜昌443002；2.中国葛洲坝集团第五工程有限公司，云南昆明650041）

根据煤层底板“下三带”理论，对煤层底板突水实质及影响因素进行分析，并在此基础上提出相应的煤层底板突水防治措施。探讨了采用注浆改造技术对煤层底板进行改造的施工工艺。

煤层底板突水；“下三带”；有效隔水层厚度；注浆改造

0 引言

煤炭是世界三大能源之一。我国煤炭储量巨大，长期以来，煤炭也是我国最主要的能源之一。在煤矿开采过程中，由于一系列原因，矿井事故不断发生。据统计，有60%的矿井事故与地下水有关［1］。不同形式的地下水涌入矿井中，不仅造成了生产损失和人员伤亡，导致多种环境负效应，还威胁着煤矿运行，使大量煤炭资源无法正常开采。笔者试结合煤层底板“下三带”理论，分析煤层底板的突水机理及影响因素，探讨煤层底板突水的防治措施，希望能为突水治理提供一定的参考意见。

1 煤层底板“下三带”理论

采用放注水、声波资料、电法勘探和超声成像等先进技术对煤层开采后的底板进行实测，结果均显示煤层采动以后底板岩层会形成3个带，即所谓的煤层底板“下三带”［2～3］，包括底板采动导水破坏带、完整岩层带（或称保护层带）、承压水导升带。

1．1 第Ⅰ带：底板采动导水破坏带

在采动矿压的作用下，导水破坏带底板岩层的连续性和稳定性遭受破坏，导水性发生明显的改变。其中，层面裂隙和竖向裂隙将会直接遭受破坏，且节理间相互穿插，无明显界限。该带的厚度（h1）为煤层开采时底板的破坏厚度。在导水破坏带岩层中，一般分布有3种裂隙：竖向张裂隙、层向裂隙和剪切裂隙。在自然条件不变的情况下，采动矿压越大，对底板的破坏深度就越大。受采动矿压作用，该带由浅到深的破坏程度由强到弱，透水性也逐渐减弱。

1．2 第Ⅱ带：完整岩层带（或称保护层带）

在采动矿压的作用下，完整岩层带虽遭矿压作用，甚至产生弹塑性变形，但仍能保持开采前岩层的连续性，其阻抗水的性能未发生变化。该带岩层厚度（h2）的大小决定于底板岩层隔水层的厚度及第Ⅰ带和第Ⅱ带厚度变化的大小。

1．3 第Ⅲ带：承压水导升带

导升带是指含水层中的承压水沿隔水层底部裂隙导升的上限与含水层顶面之间含水部分的岩体，其厚度为h3。

沿煤层走向做一剖面，采煤工作面底板“下三带”的分布如图1所示。煤层至底板含水层之间的底板总厚度H=h1+h2+h3，L为采空区的采顶距。

图1 煤层底板“下三带”示意图Fig.1 “Three belt”diagram of seam floor

2 煤层底板突水机理及影响因素分析

2．1 煤层底板突水机理分析

煤矿底板突水的实质是指煤层底板第三带“承压水导升带”中的承压水在水头压力的作用下，沿采煤工作面底板隔水层的岩层或岩体内部裂隙、断层、断裂面及导水带等结构面软弱部位向上涌出，并进入采空工作面的过程［4］。当煤矿开采工作面逐渐向煤层底板含水层推进时，将会面临溃水、溃沙的危险。当下覆含水层水头压力逐步增大时，两者的隔水层有效厚度减小，则采矿工作面将会面临发生各类突水事件的危险，严重威胁工作人员的人身安全，影响各类仪器设备的使用寿命［5］。因此，通过分析煤层底板突水机理和影响因素，对煤层底板“下三带”进行改造，防止突水事件的发生，提高其采矿安全性，是保障人员的生命安全及设备使用的重要举措。

2．2 底板突水的影响因素

通过现场实测、室内相似材料模拟、室内数学模拟以及对大量突水资料的综合分析［6］，了解到底板突水与水源、地质构造、隔水层、地应力和矿山压力存在着密切关系。

（1）水源是突水的前提条件。水源条件主要包括水量和水压，水量是物质基础，水压是突水的动力。水量丰富、补给充足及水压较大时，可能发生大的突水事件，且危害严重。

（2）地质构造是底板突水的控制因素。大量的统计资料表明，80%以上的底板突水主要发生在断裂构造附近。底板突水实际所经由的通道几乎都是底板隔水层中原有断裂裂隙。断裂构造大大降低了底板岩层的强度，断层错动可以明显减少底板隔水层的有效厚度，使煤层与含水层接近或连接，它是造成底板突水的重要因素。

（3）隔水层阻抗突水的作用。一般而言，当底板隔水层强度高、厚度大、完整性强，有明显强的阻水能力时，不会发生底板突水事故。反之，若底板隔水层强度低、厚度小、裂隙发育强烈，就很容易发生突水事故。

（4）地应力是突水的附加动力来源。突发性的地应力主要指构造应力（包括地震）。实测资料显示，突水与地震有一定的关系。如，唐山地震发生之前，矿区矿井涌水量缓慢减少，临震前，下降幅度大，主震后，矿井涌水量迅猛增加。

（5）矿山压力是采面突水的诱发因素。矿山压力触发突水的机理主要是通过对采空区一定部位的断裂构造发生作用，使周期性的矿压影响到该地区或附近的断层，从而会导致构造弱面活动，使得岩溶承压水乘虚而入，造成矿井底板突水。

综上所述，水源、地质构造、有效隔水层厚度、地应力及矿山压力等各方面的状况均是影响底板突水的重要因素。因此，在进行煤矿开采前，需要对矿区内的工程地质、水文地质及构造地质特征等相关因素进行详细调查及分析，对矿区内可能发生突水的区域进行预报，并采取相应措施，对煤层底板含水层进行改造。

3 煤层底板突水预测及注浆改造技术

3．1 煤层底板突水预测

在对煤层底板突水的防治过程中，首先要对各类钻探、物探资料进行分析，确定煤层底板“下三带”的相对厚度及有效保护层厚度。有效保护层厚度可按式（1）和式（2）进行计算［3］。

式中：TS为突水系数，MPa/m；t为有效隔水层厚度，m；CP为底板破坏厚度，m；M为隔水层厚度，m；L为巷道底板宽度，m；γ为底板隔水层的平均重度，kN/m3；KP为底板隔水层的平均抗拉强度，MPa；P为底板隔水层承受的水头压力，MPa。

从相关规范中可知，正常块段的突出系数TS不大于0．15 MPa／m、受构造破坏块段TS不大于0．06 MP／m时，一般不会造成突水或“底鼓”。反之，则会发生突水事故。

根据突水系数及泄水巷宽度与安全隔水层厚度对应表（如表1所示），可以有效地对煤层底板突水进行预测，确定其突水等级。再由相关参数确定注浆的深度，进而选择相应的注浆方法及措施，对煤层底板进行注浆改造。

表1 泄水巷宽度与安全隔水层厚度对应表Tab.1 Correspondence table of drain roadway width and safety water-resisting layer thickness

3．2 注浆改造技术

煤层底板注浆改造工程［7～9］包括地面造浆站、井下工作面打注浆钻孔、井下连续注浆等工程。

地面注浆站由储土棚、粗浆池、精浆池、一搅池、二搅池、注浆棚、清水池等设施组成。主要设备有制浆机、搅拌机、杂污泵、泥浆泵、空压机等。注浆材料由强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥、黏性土和石灰组成。根据浆液的扩散半径及具体的含水层富水程度，在工作面下顺槽设置钻孔位置及数量，具体的参数根据被改造的含水层的水文地质条件确定。

注浆钻孔要分3个序次施工，全部注浆结束后，视钻孔涌水量和进浆情况，确定补打检验孔的位置。将制好的黏土水泥浆沿泥浆泵→输浆钻孔→输浆管路→注浆钻孔→含水层的路径灌注进去。注浆压力一般为水压的2～3倍，浆液扩散范围较大。注浆后，可封堵含水到煤层的导水裂隙，加固煤层底板隔水层；也可改变岩层富水性，变强含水层为弱含水层或隔水层，从而达到安全开采之目的。

以上煤层底板注浆技术可以有效防治工作面下方承压含水层对开采面的影响，减少矿井地下水突水和涌水事故的发生，保证开采的顺利进行，减少不必要的经济损失。

3．3 煤层底板突水防治

分析影响煤层底板突水的主要因素，采取相应的防治方法，对煤层底板进行改造，是进一步的工程措施。具体的突水防治措施［10］有以下几种。

（1）在水压较高处，先疏降底板承压水的水压。如，在采空区工作面，设置排水渠，疏导下部含水层中的水，再注浆加固改造底板隔水岩层，将含水层改造为隔水层，从而减少岩体中节理、裂隙等突水通道，缩小水压向上破坏扩展的空间。若水压破坏与采空破坏不相通，就形不成突水通道，底板突水不易发生。

（2）增加隔水层厚度，提高灰岩层的强度。岩层的强度越大，受采动破坏就越小，深部岩体张裂厚度越小，水压破坏越不易发生。

（3）减小底板采动破坏深度，优化工作面布置和开采工艺，减少采动矿压对底板破坏的影响。

（4）建立地面注浆站，为有突水危险的区域的煤层带压开采前的底板进行注浆改造服务，为在掘进工作面穿过有突水危险性的导水断层进行注浆堵水服务。

（5）掘进工作面采用三维地震勘探、超前钻探、瞬变电磁法等方法，对断层、异常构造带、工作面底板富水区有全局的把握。必要时，可随时进行注浆堵水，形成有效的隔水层。

4 结语

我国存在着严重的煤矿底板突水问题，运用底板“下三带”理论对煤矿突水进行预测，结合对煤层底板突水机理及影响因素分析，用注浆改造技术进行煤层底板突水治理，有较好的效果。

［1］仵彦卿，张倬元．岩体水力学导论［M］．成都：西南交通大学出版社，1995：2-6．

［2］王作宇，刘鸿泉．承压水上采煤［M］．北京：煤炭工业出版社，1993：59-72．

［3］李白英．预防矿井底板突水的“下三带”理论及其发展与应用［J］．山东矿业学院学报：自然科学版，1999（12）：11－18．

［4］代长青，何廷峻．承压水体上采煤底板断层突水规律的研究［J］．安徽理工大学学报：自然科学版，2003（12）：6－8．

［5］王安．薄基岩厚松散含水层矿井防治水方法：中国，E21F16／00（2006．01）［P］．2006－02－22．

［6］刘宗才，于红．“下三带”理论与底板突水机理［J］．中国煤田地质，1991（6）：38－41．

［7］赵光全．浅谈煤层底板含水层注浆改造技术的实践与应用［J］．科技信息，2007（19）：484－484．

［8］曹胜根等．煤层底板突水水量预测及注浆改造技术［J］．岩石力学与工程学报，2009（2）：312－318．

［9］孙晓光．煤层底板突水预测及防治研究［D］．徐州：中国矿业大学，2008.

［10］张艳红，孙晓光．煤层底板突水预测及防治［J］．陕西煤炭，2008：73－75．

[责任编辑 杨明庆]

TU45

B

10．13681／j．cnki．cn41－1282／tv．2017．03．010

2017-03-29

孙柏坤（1992-），男，安徽黄山人，助理工程师，主要从事隧道工程施工专业技术工作。