矿井断层带底板突水机理及防治措施研究

陈 魁

（大同煤矿集团王村煤业公司，山西 大同037001）

我国煤矿水文地质条件相对复杂，采矿活动受到各种水害的威胁，水害事故频发[1-5]。在煤矿（瓦斯，煤尘，水害，火灾，顶板）的五大灾害中，水害事故伤亡人数一直处于前列，仅次于矿井瓦斯灾害。水害事故一旦发生，对矿井影响范围广，抢救难度大，处理时间长，生产恢复困难，对矿山造成的经济损失巨大。在煤层下的承压含水层，为引起底板突水的主要原因之一。而承压含水层又往往位于断层破裂带等地质构造中。有关数据显示，79.5%的底板突水事故发生在断层等不良地质构造处[6]。因此，研究矿井断层带突水机理及防治措施具有重要意义。

1 底板突水基本因素

影响底板突水的因素主要包括：地质构造（主要指断层构造），矿山压力，隔水层，承压水和采矿活动，而突水灾害的发生，往往是以上几种因素的组合。

1.1 地质构造

地质构造引起的突水事故（主要由断层构造引起）是突水的主要控制因素。据统计，约80%的底板突水事故与断层构造有关。因此为效预测煤层底板突水，应充分了解矿井水文地质资料，尤其是井田范围内断层的发育及含水情况，一般而言，逆断层与正断层相比不易发生突水。断层与回采面的相对距离及位置，也是影响断层是否发生突水的因素之一，在开采过程中应充分考虑。

1.2 底板承压水

含水量和水压大小决定了承压水的危害程度，含水量大则突水后造成的危害大，波及范围广，严重时甚至整个矿井被水淹没，造成巨大的经济财产损失，水压大则发生突水的概率大，需要留设的隔水层厚度应相应增大，且承压水可沿岩石裂隙侵入更广的范围，造成裂隙的进一步扩展，在采矿活动中应准确预测预报承压水的位置、含水量等参数，避免造成突水事故。

1.3 底板隔水层

岩石性质及隔水层厚度决定了隔水层的隔水能力，底板隔水层受采矿活动影响,自上而下可分为“采动导水破坏带三带”、“有效隔水层带”、“承压水导升带”，“有效隔水层带”即为未受采矿活动影响的完整岩石带，若在采矿活动中扰动过大，可能导致承压水突破隔水层。

1.4 矿山压力

矿井压力在底板突水过程中起着重要作用。回采工作面时，底板岩层会经受“压缩、膨胀和再压缩”的过程。由于岩石受到反复压缩和卸载，导致岩石原有裂隙的扩张，以及新裂隙的形成，从而为形成充水通道提供了条件，同时岩石的反复压缩，还会造成其强度降低，从而导致有效隔水层厚度减小。

1.5 开采活动

2 断层带底板突水机理

断层的破裂带形成了充水通道，因而断层的存在往往是造成矿井底板突水的主要因素之一，因此有必要从力学角度了解断层突水的机理，以进一步了解断层突水的原理，同时为防治该类底板突水事故提供一定的理论依据。

图1 断层突水机理示意图

断层为工作面底板岩体的软弱面。在长期的地质活动及原岩应力作用下，断层保持在相对稳定的状态，但由于采掘活动的进行，这种原始应力平衡状态被打破，导致应力重分布，以及诱发断层的突然活动。如图1 所示，断层突水分析中，z 为交点距煤层的深度，底板与断层形成充水裂隙的条件为：受采动影响形成的底板破坏深度h 不小于底板高峰应力线与断层交点的深度z，即：h≥z。

参照相关文献建立断层活化受力的力学模型如图2 所示，并进行临界受力状态分析，以得出诱发断层活动的临界水压力。

图2 断层受力模型

断层面上的正应力σn为：

由摩尔- 库伦准则得到断层抗剪强度：

则断层发生活化的条件是：

Pcr即断层在活化时的临界水压力，可作为受采动影响下断层是否会突水的计算指标之一，若实际水压力大于临界水压力，则有突水的危险，相反则较为安全。

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据矿山压力理论，σz和σx可按下式计算：

式中：K0为最大应力集中系数；γ 为开采上覆岩土层平距容重kN/m3；H 为开采煤层埋深，m；λ为侧向压力系数。

结合式（6）（7）（8）可得：

Hcr是采矿扰动致使断层活化时的临界开采深度，由此可知若底板断层附近的煤层开采深度大于临界开采深度则容易诱发底板断层突水。

3 防治水主要措施

结合以上分析可知，底板含水层水压力，及煤层开采深度是诱发断层活化，底板突水的主要因素，针对以上问题，提出下列防治水措施。

3.1 留设隔水煤柱

留设隔水煤柱，相当于增加了隔水层区域范围，在工作面受采矿扰动时，对工作面的防水安全具有重要意义，安全隔水煤岩柱示意图如图3 所示：

图3 断层防水煤柱示意图

安全隔水煤岩柱经验公式为：

式中：L 为煤柱留设的宽度，m；K 为安全系数，一般取2-5；M 为煤层厚度或采高，m；p 为水头压力，MPa；Kp为煤的抗拉强度，MPa

3.2 降低水压

由式6 可知，承压水水压，与断层带底板突水由着密不可分的关系，水压过大很容易引起突水事故的发生，因此降低承压水水压是防治断层带底板突水的重要措施之一，根据矿井具体地质条件可采用不同的降低水压方法，如在井田外围堵截地表水或采用井点降水，在矿井内部设置专用的抽水巷，布置合理的钻眼打钻放水等，同时需要注意在降低水压过程中的安全问题，避免在不合理的位置布置钻眼，以及错误钻眼布置方式引起的承压水大量外泄及突出。

3.3 注浆堵水

如图4 所示注浆堵水主要包括两方面，一是对隔水层的局部裂隙进行注浆，封堵隔水层裂隙，增加隔水层岩体的完整性，二是对断层破碎带进行注浆，封堵断层破碎带的充水通道，注浆时可以通过工作面运输大巷、回风大巷等打钻到断裂构造导水通道带，在注浆前要充分了解地质资料，准确选定注浆位置，注浆量、注浆压力等。

图4 注浆堵水示意图

3.4 建立矿井综合防治水体系

为有效进行矿井防治水及断层带底板突水，以上措施远远不够，更要建立起矿井综合防治水体系，对井下突水灾害做到预测预报，在对煤层开采前，要查清井田水文地质条件，特别注意矿井水补给来源、含水层位置及涌水通道等，对能堵截的要进行堵截，不能堵截的要采取疏干降水等措施，同时为降低开采活动对断层的扰动而引起底板突水，在开采前要选择合理的开采方法，并对工作面进行优化布置，以使采矿扰动降低到最小，井下采掘工作面应建立起突水预警机制，设立专职的水文观测员，记录每班水量水压变化情况，并安装专用电话及报警器，在可能出现水害情况时应及时上报，设立专用的突水避难硐室及逃生通道，在出现水害时安全员应立即发起警报，按照预定路线撤离相关人员。

4 结 论

1）采矿扰动引起的围岩应力充分布，是诱发底板断层突水的主要原因之一，因此在开采过程中应通过一系列优化布置来减少开采扰动，同时断层含水压力，及煤层开采深度也是诱发底板突水的重要因素，在开采活动中要对其进行合理设计和观测。

2）对断层活化的力学模型进行了分析，推导出了断层活化时的临界水压力及临界开采深度，在实际应用中，可对指标进行量化来评估底板断层突水的概率。

3）在探讨以上突水机理的基础上，提出一系列防治水措施名主要包括：留设隔水煤柱、降低水压、注浆堵水、建立矿井综合防治水体系。