我国煤层底板突水机理与防治研究现状及展望

2022-12-01 08:53孔德中王玉成

煤矿安全 2022年11期

李飞，孔德中，汪洋，王玉成

（贵州大学矿业学院，贵州贵阳 550025）

长期以来，矿井水害都是威胁煤矿生产安全的严重灾害[1]。据统计，2008 年至2019 年期间全国共发生矿井水害事故133 起，占期间内事故总数的13.5%，事故死亡人数644 人，占期间内事故死亡人数的14.8%，虽相较之前事故死亡人数有所下降，但事故发生数量并未得到较大的改善[2-3]。地质构造的复杂性使得我国矿井水害的发生存在许多影响因素，而其中对于底板突水的影响因素，近年来国内已有较多的研究。断层、陷落柱等地质构造的存在、承压含水层内水压力的大小、底板隔水层的厚度大小、隔水层岩性的不同以及开采深度和采动强度的大小均能够影响到底板突水事故的发生[4]。而对于这些因素如何影响底板突水的研究，国内也做了大量工作。基于国外内学者相继提出的“流固耦合”理论、板壳理论、“原位张裂”与“零位破坏”理论[5-6]、“下三带”理论[7]、水压应力作用[8]、“突水优势面”理论[9]、“强通道渗流”理论等关键性理论，通过理论计算、数值模拟、物理相似模拟等研究手段，使得不同情况下的煤层底板突水的机理越来越明晰。

随着底板突水机理研究的发展，针对现有煤层底板突水的防治措施也不断被应用和完善。目前，基于对煤层底板突水影响因素的研究，国内广泛应用的注浆加固改造增加隔水层厚度、采前疏水降压以及区域留设防水煤柱和防水闸门隔离法都能够较好地解决目前浅埋煤层底板突水问题。但随着开采深度的不断增加，采动带来的影响也越来越大，同时构造的复杂性，围岩应力的增大再加上承压含水层水压的增强，都对深部开采煤层防治煤层底板突水带来了不小的挑战。为此，将近些年来众多专家学者对于煤层底板突水机理的研究与防治措施的应用效果进行了总结分析，并做出了展望。

1 底板突水机理研究现状

煤矿水害一直以来都是煤矿开采中一个很大的安全问题，是仅次于瓦斯的第2 矿井灾害，而煤层底板突水问题则是水害问题重点研究内容之一。我国是受下部石灰岩岩溶水威胁最严重的国家，岩溶水是造成煤层底板突水的重要原因，岩溶水害区主要分布于我国的华北石炭二叠纪煤田和华南晚二叠纪煤田[10]。而对于煤层底板突水问题的研究多集中在基于“下三带”理论、“应力场-渗流场”耦合作用的基础之上进行研究。“下三带”划分示意图如图1。

图1 “下三带”划分示意图Fig.1 Diagram of“lower three zones”division

有学者将煤层底板突水类型大致分为2 类：一类是正常型突水，即完整隔水层条件下受应力场与渗流场耦合作用下的底板突水；另一类则是构造型突水[11]，其中涉及范围最广的构造型突水则是底板含断层构造而引起的突水。随着煤矿行业的不断发展，其它地质因素及大采深高承压水影响下的底板突水问题的研究同样也被许多专家学者重视起来。

1）正常底板突水机理研究现状。对于正常型底板突水问题，其研究时间相对较长，成果也相对较多。权修才等[12]将采场底板简化建立离层条件下力学模型，对采煤工作面底板破坏的机理进行了力学上的分析，阐明底板最大变形量与底板岩层的力学性质有着很大的关系，利用MATLAB 软件分析得出了煤层底板破坏区域与形式；高玉兵等[13]分析工作面支承压力与含水层水压的分布特征，阐明工作面煤壁附近处的应力增高区以及工作面的端头区都可能会因产生裂隙较多而成为突水易发区域，开采深度与围岩应力增加，含水层水压增大易引起底板突水事故，分别从微观与宏观的角度分析得出底板突水事故是在微观裂隙的扩张与有效隔水层整体断裂的共同影响下引发的，阐明底板破碎带与承压水导升带的裂隙贯通会引起底板突水；沈义东等[14]针对煤层底板隔水层建立力学模型，利用FLAC3D数值模拟分析了底板隔水层在承压含水层作用下的应力特征，阐明底板隔水层厚度与采煤工作面跨度之比的大小决定着隔水层发生压剪破坏还是弯拉破坏，在两端固支、受承压水压力作用条件下，隔水层中部发生弯拉破坏，端部发生压剪破坏。

2）含断层底板突水机理研究现状。构造型底板突水问题主要以断层影响下的底板突水问题为主，根据相关统计表明，我国煤矿采煤工作面底板突水事故中大约有80%的事故是由断层构造引起的[15]，甚至出现了“逢断必突”的结论，因此，对于断层构造影响下的煤层底板突水机理的研究较多，断层导水示意图如图2。张拥军等[16]利用RFPA2D软件模拟煤层底板隔离层内含隐伏小断层条件下底板岩层破坏、突水通道形成以及底板突水发生全过程，将底板小断层活化突水的过程分为2 个阶段，阐明隐伏小断层的距离采空区越近，数量越多，越容易引起底板突水，采动应力与承压含水层水压应力场与渗流场、裂隙场也均会对底板突水产生影响；贾晓亮[17]利用FLAC3D软件模拟不同断层倾角条件下断层带附近的煤岩体塑性区的分布状况，对25°、45°、75°倾角断层条件下的规律分析得出倾角小的正断层更容易引发底板突水事故，其机理是小倾角断层容易与底板破裂带贯通；马凯等[18]通过力学分析完整底板与含断层底板岩体的采动破坏深度，得出基于司马矿地质条件的含断层底板破坏深度要是完整底板的2倍，通过室内三轴渗透性试验，阐明断层活化突水的机理为围压的降低导致断层带内的裂隙发生扩张、延伸，后联通形成了大裂隙，使其内充填物的渗透性得到增强，易导致底板断层活化突水，利用FLAC3D软件模拟底板断层活化在水力耦合作用下随工作面推进的变化过程，阐明了底板断层活化突水机理；原富珍等[19]通过微震监测技术对煤层底板断层附近的围岩破坏情况进行实时现场监测，利用RFPA2D软件数值模拟，分过断层前后2 个阶段阐明导水通道形成过程，通过分析断层面剪应力与底板应力特征，阐明了底板断层带围岩的破坏机理。

图2 断层导水示意图Fig.2 Schematic diagram of fault water diversion

3）其它地质因素影响底板突水机理研究现状。针对其它地质构造以及其它地质影响因素引起的底板突水问题的研究，近些年来也有较多的研究。焦阳等[20]将煤层底板简化为受采动应力与高承压水压力的弹性薄板，阐明煤层底板下含隐伏的溶洞突水的原因是采动应力与高压岩溶水的扩散，滞后突水则是因为隔水层不断变薄最后破坏过程的结果，利用COMSOL 软件数值模拟煤层底板下含隐伏溶洞致其滞后突水的过程，总结出该地质构造条件下滞后突水的机理，底板隐伏岩溶滞后突水示意如图3；刘业娇等[21]通过理论分析得出底板关键层其初始挠度方程，利用RFPA 软件模拟董家河煤矿的实际工况，结果分析得出不同工作面推进距离下软岩底板破坏突水机理，直观地展现了推进距离小时底板渗透率低、推进距离大时底板渗透率高，在渗流场的作用下底板渗透量会随着工作面推进距离的增加而呈现出马鞍形波动的趋势；魏大勇等[22]利用FLAC3D软件从底板应力分布特征与塑性区分布特征2 个方面分析含以陷落柱为主的地质构造底板随着工作面推进的变化特征，阐明这类条件下底板突水的机理在于底板塑性区与陷落柱构造塑性区贯通。

图3 底板隐伏岩溶滞后突水示意Fig.3 Lagging water inrush of concealed karst in floor

4）大采深高承压水底板突水机理研究。随着开采深度的不断增加，越来越多的国内学者将研究的方向投向了深部开采突水机理的研究。赵庆彪等[23]提出“分时段分带突破”的煤层底板的突水机理，从空间上构建了6 种底板突水模式，阐明高承压水上行的条件，将底板渗水与突水过程划分4 个时间段，并得出底板突水综合判别式；翟晓荣等[24]利用FLAC3D软件模拟不同开采深度下的受采动作用引起的煤层底板的破坏特征，对比揭示了深部开采煤层底板原位张裂隙产生、与承压水含水层贯通、原位导升带发育、采动破坏带与递进导升带联通这一底板突水机理；尹尚先等[25]结合底板隔水层的厚度、底板破坏带的高度和承压水导升带高度三者之和以及突水系数将隔水层按厚度分成5 种类型的隔水层，与浅部底板突水问题对比，构建了深部底板奥灰及薄层灰岩水害概念及突水模式，总结出深部突水特征，阐明深部突水的机理即是奥灰水通过隔水层中的薄层灰岩不断向上中转，对于深部开采底板突水的机理有一个较好地总结。

综上所述，对于底板突水机理问题的研究，国内学者大多以底板突水的影响因素为出发点，主要集中在对煤层底板含断层构造引起底板突水以及深井高承压水条件下底板突水问题研究，研究手段多采用理论分析、相似模拟试验及FLAC3D、RFPA2D等软件进行数值模拟，对于这些问题的研究多基于“下三带”理论、“薄板”理论以及“底板关键层”理论之上。随着开采深度的不断增大，华北型和华南型煤田的高承压含水层威胁将不断增大，因此对于底板突水机理的研究还需要不断跟进。

2 底板突水防治措施应用现状

1）底板注浆加固技术。目前应用最为广泛的是底板注浆加固对底板含水层进行改造、增加隔水层厚度。其原理则是通过物探或钻探法在回采工作面两侧的运输巷和回风巷内对底板进行探查，对底板岩层的富水性以及其内部的裂隙分布状况进行分析，制定工程参数后通过将水泥、黏土水泥浆、粉煤灰水泥浆或其它注浆材料注到底板隔水层中，加厚加固隔水层，降低其导水性以达到防治突水的目的[26]，煤层底板注浆加固技术原理示意图如图4。对于这一技术的研究与应用，国内已有较多案例。李振华等[27]以底板富水性强、含水层水压大、隔水层厚度薄的赵固二矿为工程背景，提出了超高压注浆法，通过现场实测，该方法对其底板进行加固效果比较显著，丰富了底板注浆加固的应用案例；陈善乐等[28]利用ANSYS 软件模拟对注浆前后不同推进距离下的应变进行分析，发现在应力场的作用下，破坏区域主要集中在煤层两侧以及断层带附近的岩层破裂区域，随着工作面向断层带靠近，底板注浆加固后，突水问题明显得到改善；李涛等[29]提出了单孔放水实验装置及配套使用技术，同时基于突水优势面理论提出了底板分类注浆技术，通过工程实践，发现采用该技术能够很好地提高治理底板突水的效率。近几年，对于深部煤层开采底板突水采用底板注浆技术进行防治的研究也多了起来。汪雄友等[30]对大采深复杂地质条件下的煤层开采底板突水问题进行分析，采用底板注浆加固技术对其进行底板改造以防治底板突水，通过用涌水量对比法、物探探测法和突水系数计算法对实践效果进行评价分析，效果显著，丰富了大采深高水压复杂地质条件下的底板注浆加固技术的研究。

图4 煤层底板注浆加固技术原理示意图Fig.4 Schematic diagram of grouting reinforcement technology for coal seam floor

2）留设断层防水煤柱方法。对于留设断层防水煤（岩）柱对底板突水进行区域治理的这一方法的研究，国内也有许多，该方法即是在受断层影响下易引发底板突水的区域合理留设煤柱以防治煤层底板突水，该方法的应用主要体现在煤柱留设的宽度上。王进尚等[31]通过水力压裂法，以太原东山煤矿煤层为研究对象，进行抗拉强度测试，为断层防水煤柱的留设提供了依据；董永等[32]从矿压作用、构造作用以及水力劈裂作用3 个不同的方面推出采动影响下底板岩层破坏的深度，并推出了最终留设断层隔水煤柱宽度的计算公式，以淮北矿业集团某矿为背景验算了该公式；刘发义等[33]以某矿2321 工作面为研究对象，通过离散元数值模拟回采留设不同宽度的煤柱时断层附件的破碎带的应力情况推出适合该矿断层防水煤柱留设宽度的计算公式，验证了该留设煤柱宽度公式的适用性，可作为一个较好的应用案例。

3）采前疏水降压方法。采前疏水降压也是井下防治煤层底板突水常用的方法之一，其原理是通过疏水将底板含水层中的水位下降到预设的某一安全标高之下，使下部含水层水压下降，进而降低隔水层被破坏的风险，防止底板突水事故的发生[34]。葛家德等[35]以刘桥二矿二水平Ⅱ614 首采工作面为研究对象，选定采前疏水降压防治底板突水，制定了疏水水量与疏水的方法，效果较好，有较好的应用范围；王新军等[36]通过均衡原理总结出三种水位动态变化曲线，为煤矿疏水防治底板突水提供了较好的参考；郭国强[37]以宁武煤田昌盛煤矿为研究对象，对奥灰水上带压开采进行危险性评价，通过Visual MODFLOW 建模，阐明了带压开采疏水降压防治底板突水是可行的，扩大了疏水降压方法的适用范围。

4）充填开采防治突水技术。近几年来，也有学者将目光投向利用充填开采技术保护底板以达到防治底板突水的目的。孙明等[38]以内蒙古乌海天誉煤矿9 号煤层为研究对象，对其下奥灰含水层的富水性以及隔水层进行分析，对其采用充填开采的采煤方法，分析发现采用该方法治理底板突水虽增加了吨煤成本，但远小于所带来的经济收益。

综上所述，底板注浆加固技术及留设断层防水煤柱、采前疏水降压等方法得到了较好的应用效果，矿井底板突水问题得到了明显的改善。

3 底板突水研究存在的主要问题

1）室内相似材料模拟试验相对较少。对于机理的研究，多采用数值模拟软件与理论分析的方法，数值模拟的方法只能建立理想化的模型，只能尽可能接近实际的效果，通过室内相似材料模拟试验进行分析的少之又少，特别是针对断层影响下的底板突水问题，这一问题涉及范围较广，应侧重性地针对该类问题进行试验设计并研究。

2）开采深度增加、承压含水层水压增大，对于该类问题的研究应更加重视，同时，底板突水防治措施有待改进和创新。目前，我国煤矿开采不断向深部延伸，但伴随而来的则是采动影响增大、承压含水层内水压增大，在高采动应力与高水压的共同作用下，深井开采也变得越发困难，而对这一问题下底板突水治理的研究却很少，最常用的只有底板注浆加固技术。应该加强对深井底板突水机理与防治措施的研究，不能只将研究的重点放在浅埋煤层的复杂地质条件上。主流的底板注浆加固技术、留设断层防水煤柱、采前疏水降压虽能够很好地适应治理底板突水的问题，但目光不应被局限在这些主流方法上，随着开采深度的增加，虽然综合方法能较为有效地防治，但成本也会相应增加，所以不仅要对这些方法进行改进，而且也要研发更优的、成本更低的技术对底板突水进行治理，从而更有效地降低底板突水发生的频数。

3）从空间上看，针对华北煤田煤层底板突水问题的研究较多，但针对西北以及华南等地的煤田的研究很少，如贵州黔北地区矿井受到茅口组灰岩水影响的研究较少。应扩宽研究范围，同时也不能只局限于煤炭储量丰富的地区，煤炭储量少的地区也要兼顾。

4）底板注浆加固所用注浆材料有待改进。企业若要获得更高的利润，应该将底板突水防治问题重视起来，不断研制出新的注浆材料，不仅要降低吨煤成本，还要让它产生较好的效果。以往的注浆材料有颗粒大、扩散半径小、稳定性差、结石率低、抗水溶蚀性、抗水分散性差，化学注浆材料有造价高、有毒、污染环境、易燃等缺点，二者都无法得到广泛应用，应对注浆材料进行改良。

4 底板突水的防治措施研究展望

1）大采深、复杂化。未来煤矿的开采在纵向上会往更深的煤层开采，横向上会往那些赋存条件较为复杂的煤层开采，应做好相应的准备，研究针对这些问题下的煤层底板突水机理以及研发新的防治技术刻不容缓，对于深部开采防治突水相关配套设备的研发也应该重视起来。

2）低成本、绿色化。未来或可将其它废弃下来的材料进行加工改良，变废为宝，用于底板注浆加固改造底板防治底板突水方面，使其不仅能够有效治理底板突水问题，还能合理利用废弃资源，实现协调可持续地发展。

3）高效率、智能化。对于底板突水问题，不仅要有效地对其进行治理，还要安全高效，以保障矿井的高效率生产运作，可从相关配套设备方面缩短底板突水治理的时间以及选用其它的探测手段方面和提高勘探底板裂隙发育程度、断层带的破碎程度的效率方面入手。同时还要注重往智能化方向发展，可从监测底板突水危险设备方面入手，通过智能监测系统，准确定位突水危险区域，以及时制定防治措施，提高煤矿生产效率。

5 结语