地质工程硕士论文-山西原平国荣煤矿地下水灾害预测与防治研究.pdf

硕士研究生学位论文 山西原平国荣煤矿 地下水灾害预测与防治研究 专业：地质工程 研究方向：地质灾害预测与防治 研究生：裴萃 指导教师： 刘之葵教授 论文起止日期：2 0 0 8 年12 月至2 0 10 年4 月 s t u d y o nu n d e r g r o u n dw a t e rd i s a s t e rp r e d i c t i o n p r e v e n t i o na n dc o n t r o lo fg u o r o n gc o a lm i n e m a j o r ： i ny u a n p i n g ，s h a n x ip r o v i n c e g e o l o g i c a le n g i n e e r i n g d i r e c t i o no fs t u d y - g e o l o g i cd i s a s t e rp r e d i c t i o n p r e v e n t i o na n dc o n t r o l g r a d u a t es t u d e n t ：p e ic u i s u tv i s o r ：p r o f l i uz h i k u s u p e r v i s o r r o t l un l k u l ： d e p a r t m e n to f c i v i le n g i n e e r i n g g u i l i nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y d e c e m b e r , 2 0 0 8t oa p r i l ，2 010 9d4 眦7jjjim 71洲y 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权书 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并表 示谢意。 学位论文作者( 签字) ： 苤茎 签字日期：垒也：垒：兰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解( 学校) 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的印刷本和电子版本，允许论文被查阅和借 阅。本人授权( 学校) 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国 科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过 网络向社会公众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 导师签字： 签字日期萨卅。年善月2 日 摘要 我国是煤炭大国，在今后的很长一段时间，煤炭都将是我国最重要的可利用能源之一。 长期以来，因为煤矿地下水灾害而带来的人身伤亡和经济损失严重。本文以山西原平国荣煤 矿矿区为研究对象，查清分析该矿矿井的水文地质条件，研究矿井的突水机理，探索科学的 矿井涌水量计算方法，预测煤矿地下水引发的灾害，提出地下水灾害有效防治措施，对确保 煤矿矿井的安全生产，无论从理论上，还是在实践的需要上，都显得十分必要。本文得到以 下主要成果和认识： l 、在矿区进行野外综合地质调查及收集资料的基础上，对原平国荣煤矿矿区范围内的 地层岩性分布、地质结构、地质构造特征、工程地质条件以及水文地质条件等进行较系统和 详细的分析和研究。 2 、根据对矿区水文地质条件分析和研究可知，开采的2 、5 号煤层直接充水含水层为其 顶板以上砂岩裂隙含水层，井田内存在不同程度的导水性和富水性。通过分析煤矿的充水水 源和充水途径可知，该井田对煤层开采危害严重的是奥陶系灰岩，虽然其为煤矿充水的间接 水源，但由于断层的存在，缩短了含水层与煤层之间的距离，由于奥陶系灰岩水具有静储量 大、水压高等特点，一旦发生突水，涌水量大，难于疏干，潜在危害严重。 3 、运用富水系数比拟法、解析法、水文地质比拟法等对矿井涌水量进行预测，并且还 应用e x c e l 对该矿的涌水量进行了估算。通过分析和预测可知，当开采水平为+ 1 0 0 m 时，矿 坑的涌水量为1 5 - 5 5 m 3 h ；当开采水平为+ 0 m 时，矿井涌水量最大可达6 8 m 3 h 。 4 、通过不周的计算方法对比分析可知，利用e x c e l 的计算功能完成矿井涌水量计算， 一定程度上，能够避免一些传统计算方法的效率较低、误差较大、容易出错、专业软件价格 昂贵的缺点，在工程实践中具有实用参考价值。 5 、通过原平国荣煤矿矿坑突水机理的研究分析可知，影响突水的因素有含水层的富水 性、水压、结构面、工程采动和隔水底板这五个主要因素，其中结构面和高水压是主导因素， 采动矿压是诱导因素，隔水层厚度是制约因素，而水源的存在是最基本的因素。 6 、利用突水系数法和突水概率指数法对该矿分析得知，5 号煤层的临界突水系数为 0 0 5 3 9 7 m p a m ，2 号煤层的临近突水系数为o 0 2 1 6 9 m p a m 。经过突水概率指数法分析得知 0 0 6 是此煤田发生突水的最小突水概率，只有当突水概率大于o 。1 5 时，才可能发生突水。 7 、针对原平国荣煤矿的特点，提出了具体的地下水灾害防治措施。可以从地面防水和 井下防水两个方面进行煤矿突水灾害的预防。在地表可开挖排水沟和防水堵漏等措施。井下 预防可采用封堵涌水通道，修建防水闸门或水闸墙，提前疏水降压以及超前探水等措施。 关键词：煤矿突水；涌水量；突水概率；承压水导升带；原平国荣煤矿 a b s t r a c t c h i n ai sac o a lp o w e rc o u n t r yi nt h ew o l r d t h ec o a lw i l lb eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n t a v a i l a b ee n e r g yf o ra l o n gt i m ei nc h i n a t h ep e r s o n a li n j u r ya n de c o n o m i cl o s si ss e r i o u sb e c a u s e o ft h eh a z a r d sc a u s e db ym i n eg r o u n d w a t e rf o ral o n gt i m e m a k i n gt h ey u a n p i n g g u o r o n gc o a li n s h a n x i 髂t h eo b j e c to fs t u d yi nt h i sp a p e r , t h eh y d r o g e o l o g i c a lc o n d i t i o n so ft h ec o a li sa n a l y z e d ， t h ec o a l si n r u s hm e c h a n i s mi ss t u d i e d ，t h es c i e n t i f i cc a l c u l a t i o no ft h ec o a l si n f l o ww i l lb e d i s c u s s e d ，t h ew a t e r - i n d u c e dd i s a s t e r sa n dp r o p o s i n ge f f e c t i v e m e a s u r e sf o r c o n t r o l l i n g g r o u n d w a t e rd i s a s t e rw i l lb ef o r e c a s t e d i ti sn e c e s s a r yf o re n s u r i n gt h ec o a l ss a t e t yb o t hi nt h e o r y a n di np r a c t i c e t h em a i nr e s u l t sa n dk n o w l e d g eh a sb e e np o i n t e do u ti nt h i st h e s i sa sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v eg e o l o g i c a ls u r v e ya n dc o l l e c t i o no fi n f o r m a t i o n ，t h e y u a n p i n g g u o r o n gc o a l sl i t h o l o g yd i s t r i b u t i o n ，t h eg e o l o g i c a ls t r u c t u r e ，t h eg e o l o g i c a ls t r u c t u r e s f e a t u r e ，t h eg e o l o g i c a le n g i n e e r i n gc o n d i t i o n sa n dt h eh y d r o g e o l o g i c a lc o n d i t i o n sh a sb e e n a n a l y z e da n ds t u d i e di nt h i st h e s i s 2 a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sa n dt h er e s e a r c ho ft h em i n e ，t h e2 ，5 m i n e dc o a l sd i r e c t l y w a t e r - f i l l e da q u i f e ri st h es a n d s t o n e - c r a c kw a t e r - f i l l e da q u i f e ra b o i et h e i rr o o f t h e r e sd i f f e r e n t l e v e l so fw a t e rc o n d u c t i v i t ya n dw a t e r - e n r i c h e dp r o p e r t i e si nt h em i n ef i e l d t h r o u g ht h ea n a l y s i s o fw a t e r - f i l l e ds o u r c ea n dw a t e r - f i l l e dc h a n n e l s ，t h es e r i o u sd a m a g et ot h ec o a li so r d o v i c i a n l i m e s t o n e a l t h o u g hi ti sai n d i r e c tw a t e r - f i l l e ds o u r c e ，t h ed i s t a n c eb e t w e e nt h ea q u i f e r sa n dt h e c o a li ss h o r t e n e db e c a u s eo ft h ef a u l t a st h eo r d o v i c i a nl i m e s t o n ew a t e rw i t hl a r g er e s e r v e sa n d h i g hp r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i c s ，o n c et h ee v e n to f as u d d e nw a t e r , i tw i l lb el a r g ed i s c h a r g e ，d i f f i c u l t t od e w a t e r i n ga n ds e r i o u sp o t e n t i a lh a r m 3 i nt h i sp a p e r , t h em e t h o d so fw a t e r - r i c hf a c t o ra n a l o g y , a n a l y t i c a la n dh y d r o g e o l o g i e a l a n a l o g yh a sb e e nu s e dt op r e d i c tt h ea m o u n to fw a t e ro f t h em i n e ，a n dt h ee x c e lh a sa l s ob e e n u s e d t h r o u g ht h ea n a l y s i sa n df o r e c a s t i n g ，w h e nt h em i n i n gl e v e li s + 10 0m ，t h em i n e sd i s c h a r g e i s15 5 5 m 3 h ；w h e nt h ee x p l o i t a t i o nl e v e li s + 0m ，t h em i n ed i s c h a r g ei su pt o6 8 m 3 h 4 b yd i f f e r e n tc a l c u l a t i o nm e t h o d s ，u s i n ge x c e lf u n c t i o n st oc o m p l e t ec a l c u l a t i o no fm i n e w a t e rc a na v o i ds o m es h o r t c o m i n g so ft h et r a d i t i o n a lm e t h o do fl o we f f i c i e n c y , l a r g ee r r o r s ， e r r o r - p r o n e ，e x p e n s i v ep r o f e s s i o n a ls o f t w a r e i th a st h ev a l u ei ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e 5 t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ey u a n p i n g g u o r o n gc o a l sw a t e ri n r u s hm e c h a n i s m ，t h e r ea r e f i v ef a c t o r st oa f f e c tw a t e ri n r u s h ，t h e y r ew a t e r - e n r i c h e dp r o p e r t i e s ，h i g hp r e s s u r e ，s t r u c t u r ep l a n e ， m i n i n ge n g i n e e r i n ga n dw a t e r p r o o ff l o o r t h es t r u c t u r ep l a n ea n dt h eh j i g hp r e s s u r ea r et h e d o m i n a n tf a c t o r s ，t h em i n i n ge n g i n e e r i n gi st h ei n d u c t i o nf a c t o r t h ew a t e r p r o o ff l o o ri st h e c o n s t r a i n t sa n dt h ew a t e ri st h eb a s e df a c t o r i i 6 t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ew a t e ri n r u s hc o e f f i c i e n tm e t h o da n dt h ew a t e ri n r u s hi n d e x , t h e n o 5c o a l ，sc r i t i c a lw a t e ri n r u s hc o e f f i c i e n ti s0 0 5 3 9 7 m p “m 。a n dt h en o 2c o a l sc o e f f i c i e n ti s 0 0 216 9 1 v l p a m b yu s i n gt h ew a t e rb u r s tp r o b a b i l i t yi n d e x , 0 0 6i st h em i n i m u mw a t e ri n r u s ho f t h ec o a l o n l yw h e nt h ew a t e rb u r s tp r o b a b i l i t yg e t st o0 1 5 t h ei n r u s ho f w a t e rw i l lo c c t h 7 t a k i n gi n t oa c c o u n tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fy u a n p i n g g u o r o n gc o a l ，s p e c i f i cm e a s u r e sf o r p r e v e n t i o no fu n d e r g r o u n dw a t e rd i s a s t e rh a sb e e np u tf o r w a r d e d i nt h i sp a p e r t h ew a t e ri n r u s h c a nb ep r e v e n t e df r o mt h eg r o u n dw a t e ra n du n d e r g r o u n dw a t e r e x c a v a t i n gd r a i n sa n dw a t e r p r o o f p l u g g i n gm e a s u r e sc a nb et a k e ni ng r o u n ds u r f a c e t h eo t h e rp r e v e n t i v em e a s u r e sc a l lb et a k e ni n u n d e r g r o u n d ，f o re x a m p l e ，g u s h i n gw a t e rc h a n n e lc l o s u r e ，c o n s t r u c t i o no fw a t e rg a t e so rl o c kw a l l ， a h e a do fh y d r o p h o b i cb u c le x p l o r i n gw a t e ra h e a da n ds oo n k e y w o r d s ：c o a li n r u s h ；w a t e ri n f l o w ； w a t e rb u r s tp r o b a b i l i t y ； c o n f i n e dw a t e rw i t h c o n d u c t i v i t y ；y u a n p i n g g u o r o n gc o a l i l l 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论。1 1 1 煤矿地下水害的研究意义2 1 2 矿井突水灾害的国内外研究现状3 1 2 1 底板突水机理的理论研究4 1 2 2 矿坑顶板突水、冒水机理研究9 1 2 3 地质构造引发的底板突水9 1 2 4 底板突水研究问题及发展趋势1 1 1 3 本文研究的意义及内容。：l l 1 3 1 研究意义1 1 1 3 2 主要工作内容1 2 第2 章矿区地质概况1 3 2 1 矿区自然地理及经济概况1 3 2 1 1 矿井位置与交通1 3 2 1 2 自然地理1 4 2 1 3 周边矿井和小窑15 2 1 4 地质勘查及矿井地质1 6 2 2 煤矿概况1 6 2 3 矿区地质条件1 7 2 3 1 区域地质1 7 2 3 2 煤系地质18 2 3 3 矿井地层18 2 3 4 区域构造2 2 2 3 5 区域含煤特征：2 3 2 4 水文地质2 4 2 4 1 区域水文地质2 4 2 4 2 井田水文地质2 5 2 5 矿区工程地质条件2 7 2 5 1 主要可采煤层的顶底板岩石特征2 7 2 5 2 岩石力学性质2 8 第3 章矿井充水条件分析2 9 3 1 原平国荣煤矿开采简介2 9 3 1 1 原平国荣煤矿的生产建设情况2 9 3 1 2 井田内小窑的开采情况3 0 3 1 3 探采对比。3 0 3 。2 原平国荣煤矿的水害情况3 3 3 3 原平国荣煤矿突水特征及原因分析3 3 3 4 煤矿的充水条件分析3 4 3 4 1 煤矿的充水水源3 4 3 4 2 煤矿的充水途径3 5 3 4 3 煤矿充水的主要特点3 6 3 5 原平国荣煤矿的充水类型3 6 3 5 1 煤矿的突水类型介绍3 6 3 5 2 原平国荣煤矿的突水类型3 7 第4 章矿坑涌水量的预测3 8 4 1 富水系数比拟法预测3 8 4 2 水文地质比拟法预测3 9 4 3 解析法预测3 9 4 3 1 建立水文地质概念模型4 0 4 3 2 参数确定4 0 4 3 3 计算方法。4 l 4 4 利用e x c e l 估算矿井涌水量4 3 4 4 1 利用地下水动力学估算涌水量4 4 4 4 2 利用水文地质比拟法估算涌水量4 5 4 5 讨论4 5 第5 章煤矿突水机理分析及预测防治4 7 5 1 影响突水的因素4 7 5 2 岩石力学特征分析4 9 5 2 1 物理力学性质4 9 5 2 2 岩体变形特征5 0 5 2 3 抗压强度5 l 5 2 4 岩体的结构类型5 l 5 3 原平国荣煤矿煤层突水机理分析5 2 5 3 1 原平国荣煤矿煤层底板的应力状态5 2 5 3 2 原平国荣煤矿煤层顶、底板的运动规律：5 2 5 3 3 承压水导升带5 3 5 3 4 底板岩层阻水性能5 5 5 3 5 断裂构造导水机制5 6 5 4 原平国荣煤矿突水预测5 6 5 4 1 突水系数法5 7 5 4 2 突水概率指数法5 8 5 4 3 底板阻抗突水性能分区5 9 第6 章原平国荣煤矿地下水灾害防治6 1 6 1 地面防水6 1 6 2 井下防水6 l 6 2 1 防水的措施6 l 6 2 2 排水设计6 2 6 3 原平国荣煤矿防治措施6 3 第7 章结论和建议6 4 7 1 结论6 4 7 2 建议6 5 致谢6 6 参考文献6 7 个人简介7 1 申请学位期间的研究成果及发表的学术论文7 1 桂林理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 我国是煤炭大国，煤炭是我国目前最重要的可利用能源之一，估计今后相当 长一段时间都将保持这个局面。我国煤炭资源丰富，全国共有煤炭资源的矿区 6 0 0 0 余个，查明煤炭资源储量为1 0 2 0 1 亿吨，其中煤炭基础储量3 3 4 1 亿吨( 煤 炭储量为1 8 8 6 亿吨) ，煤炭资源量为6 8 7 2 亿吨。按照中国探明可直接利用的煤 炭储量1 8 8 6 亿吨来计算，应该可以保证开采上百年。 我国煤炭主要分布在华北、西北地区，集中在昆仑山秦岭大别山以 北的北方地区，以山西、陕西、内蒙古等省区的储量最丰富，其中，山西省是我 国资源储量最多的省份，占全国总储量的3 0 。与资源分布相对应的，煤炭生产 也集中于这些地区。在漫长的地质演变过程中，煤田受到多种地质因素的作用， 由于成煤年代、成煤原始物质、还原程度及成因类型上的差异，再加上各种变质 作用的存在，致使中国煤炭品种多样化，从低变程度的竭煤到高变质程度的无烟 煤都有储存【j j 。 受地质条件和煤矿开采历史等客观因素的影响，我国煤矿水文地质条件极为 复杂，无论是受水威胁的面积、类型还是水害威胁的程度，都是世界罕见的，存 在地表水、老空水、冲击层水、底板水等各种类型的水害。各个区域矿井都存在 不同类型水害的危险，其中，华北地区以老空水、底板奥灰水害为主；华东地区 以冲击层水、底板岩溶水害为主；华南地区以地表水、老空水、溶洞水害为主； 其他地区以老空水害为主。 根据相关资料，在国有重点煤矿中，水文地质条件属于复杂的矿井占2 7 ， 属于简单的矿井占3 4 。在国有地方煤矿和乡镇煤矿中，水文地质条件属于复杂 或极复杂的矿井占8 5 。在大中型煤矿中有5 0 0 多个工作面受水害威胁。随煤 矿采深的加大和大量小煤矿关闭后形成的积水，煤矿开采的水文地质条件越来越 复杂，也使得水害治理难度越来越大。煤矿水害事故的频繁发生，给人民生命和 财产也造成了严重损失，煤矿水害现在己成为影响安全生产的重大问题之一1 2 j 。 采矿，特别是地下采矿必须排净矿坑积水，处理地层漏水，但是这又会造成 地下水的不平衡，进而导致地层的不平衡和不稳定性，如果认识不足或处理不当， 将会导致煤矿矿坑突水、涌水等事故的发生。 我国煤矿水文地质条件复杂，水害类型多样化，客观上给防治水害工作带来 了很大的难度，尤其是近年来，随着煤炭工业的快速发展，煤炭资源以大规模、 超强度的开发，加剧了煤矿水害事故发生的复杂性。 造成地下水引发煤矿灾害的主要原因有以下：( 1 ) 由于煤矿水文地质条件的 复杂性，对水文地质条件难于完全查清。一些煤矿未采取有效的方法手段对充水 桂林理工大学硕士学位论文 水源进行探查，在水害隐患没有明确排除危险的情况下盲目组织生产、赶进度， 致使煤矿发生水害事故，如，2 0 1 0 年3 月2 8 日发生在山西王家岭煤矿发生的透 水事故即是该情况：( 2 ) 对突( 透) 水机理研究还难于认识全面，限于目前的研 究水平，尽管有时水源是确定的，但对采矿诱发的导水通道的形成机理还缺乏足 够认识，导致煤矿水害事故时有发生；( 3 ) 在探测技术方面仍存在着一些不足， 尤其在导水构造探查方法上存在较大缺陷。( 4 ) 管理工作不到位，监管不力。一 些煤炭企业面临采掘接替紧张的局面，没有严格执行矿井水文地质规程和煤 矿防治水工作条例，最终导致煤矿水害事故的发生1 3 j 。 1 1 煤矿地下水害的研究意义 煤矿地下水害至今一直是困扰我国煤矿安全生产的难题之一，主要是我国矿 区地质条件复杂，煤田在地质历史演化过程中，经历了多次的构造运动，不仅形 成支离破碎的断块式煤田，也在不同程度的加大了煤层的埋藏深度，同时也给煤 田水文地质条件增加了复杂性。 矿井水文地质工作直接影响煤矿的安全，尤其是矿井水害对煤矿生产的影响 极大，长期以来，煤矿水害给国家和人民带来的人身伤亡和经济损失极为惨重， 而且随着开采水平的延伸和开采范围的扩大，威胁越来越严重，尤其是在水文地 质条件复杂、水压高的矿井，受底板奥灰岩溶承压水的威胁越严重。据不完全统 计，在过去的2 0 多年里，有2 5 0 多个矿井被水淹没，死亡1 7 0 0 多人，经济损失 高达3 5 0 多亿元。据不完全统计，2 0 0 3 年以来我国煤矿发生特大突水事故1 4 次， 在这些突水事故中因小煤窑及废弃矿井诱发的有1 0 次，陷落柱及构造因素诱发 的3 次，其它原因的1 测4 训。 根据有关资料和媒体报道，最近几年发生的比较有影响的煤矿地下水灾害事 故有： 2 0 1 0 年3 月2 8 日1 4 时3 0 分许，华晋焦煤有限责任公司王家岭煤矿发生一 起透水事故( 位于山两省乡宁县和河津市境内) ，据初步统计，当班下井2 6 1 人， 升井1 0 9 人，1 5 2 人被困井下； 2 0 1 0 年3 月1 日7 时2 0 分许，正在建设中的乌海神华集团骆驼山煤矿1 6 号煤层掘进工作面突然发生透水事故，事故发生时井下共有7 7 人，经抢救有4 6 人相继升井，其中1 人死亡，31 人无生还可能； 2 0 1 0 年2 月6 日上午8 时1 0 分，江苏省徐州市旗山矿发生意外突水事故， 井下人员全部撤离； 2 0 0 9 年7 月2 2 日深夜，黑龙江省鸡西市恒山区鑫永丰煤矿发生透水事故， 当时入井2 4 人，1 人升井，2 3 人被困井下，经救援后，死亡1 2 人； 2 桂林理工大学硕士学位论文 2 0 0 9 年6 月1 7 日8 时1 7 分左右，贵州省黔西南州晴隆县中营镇新桥煤矿 发生透水事故，造成1 6 人被困； 2 0 0 9 年3 月2 1 日1 7 时左右，湖南省常宁市三角塘镇企业办煤矿发生一起 透水事故。经事故现场抢救处置指挥组初步摸底调查，事故发生后有1 3 人被困 井下，死亡； 2 0 0 9 年2 月2 7 日1 1 时3 0 分，湖北省赤壁市官塘驿镇随阳山肖家村煤矿发 生突水事故造成2 0 多名矿工遇难； 2 0 0 8 年1 2 月5 日晚9 点，位于山西省朔州市山阴县马营乡青羊岭村辛庄煤 矿发生一起严重透水事故。导致井下至少3 0 人遇难； 2 0 0 8 年7 月2 1 日，广西百色市右江矿务局那读煤矿透水事故，造成3 6 人 死亡； 2 0 0 8 年6 月1 8 日1 4 时2 0 分许，浙江省杭州市仇山磁土矿采空区发生突水 事故，造成1 5 名矿工被困，6 人死亡 由此可见，地下水问题己成为影响煤矿安全最重要的因素之一，也是目前困 扰煤矿企业安全生产的难题之一。在人身和财产损失面前，查清矿井水文地质条 件，研究矿井的突水机理，研究底板突水机理，对确保矿井的安全生产都具有重 大的理论和实际意义。 1 2 矿井突水灾害的国内外研究现状 煤矿水害是与瓦斯、火灾等并列的矿山建设与生产过程中的主要安全灾害之 一。在煤矿水害中，底板高压水突入矿井造成的损失尤为严重。我国是世界上矿 井水文地质条件中最复杂的国家之一，也是矿井突水灾害发生最频繁、突水量最 大，危害最严重的国家之一。我们虽然在矿井水害的防治理论与技术上已取得很 大进展，但水害对矿井安全生产的威胁仍相当严重1 7 j 。 随着科学技术的进步，煤矿生产与建设过程中的装备、工艺、技术都有了极 大的提高，矿井建设和矿井生产的速度和规模迅速扩张，而矿井水害的防治工作 没有达到需求，从而形成煤矿的突水事故，也使煤矿突水成了现阶段我国矿井水 灾害的主要形式。 与国外相比，我国对煤矿矿山水灾害问题的研究起步较晚。多年来，许多专 家对突水机理进行了深入研究，包括影响突水的因素及其时空关系、突水发生的 规律、特征、类型及突水判据等，其次是底板的破坏规律与突水的关系及突水防 治方法的研究，如国内的专家学者刘天泉院士、张金才、白晨光、高延法、李白 英、王作宇等对煤层底板的变形破坏规律、关键层失稳的力学机制、零位破坏的 概念等进行了详细的研究，并用弹塑性力学理论、实测资料及数值方法等进行了 桂林j e f f - - 大学硕士学位论文 理论计算，所有的这些研究都为突水监测预报奠定了良好的基础。在此基础上， 专家们对煤矿突水提出了不同的预测预报系统。张金才对煤层底板突水预测的理 论、方法及判据进行了详细的研刭8 】；陈泰生等用模式识别预测了煤矿突水，该 方法是基于大量的数据统计基础上，其势函数复杂，训练周期长，很难对其稳定 性作出检验【9 】；王作字等详细地论述了科学的预测系统、观测系统、监测与治理 系统，提出用定点j c 法监测，其公式中的参数难以精确获得，测点的布置方位 未加深入的研列1 0 】；朱第植利用相似模拟法预测了煤层底板突水，其结论是针 对某一具体问题，难以普遍推广【l l 】；施龙青、宋振骐从矿压角度对煤层底板突水 的条件及其位置进行了预测，其结论具有普遍意义，但对地质构造复杂的矿区， 很难作出准确性判断【1 2 】；黎良杰等简评了底板突水预测的理论，并用反演法预 测了底板突水，该方法借助于类似矿井的突水资料进行反演，若无类似矿井，其 应用就受到限制【l3 】；煤炭科学研究总院西安分院鹤壁课题组用概率法对煤层底 板突水进行了预测，但很难作出适时预测【i 训。 1 2 1 底板突水机理的理论研究 1 2 1 1 国外研究现状 世界上许多国家如匈牙利、波兰、西班牙等，在煤矿开发中都不同程度的受 到底板岩溶水灾害的影响。在国外，对底板岩溶水的研究已有1 0 0 多年的历史， 在底板岩体结构的研究、探测技术及防治水害措施等方面，积累了丰富的经验。 早在2 0 世纪初，国外就有人注意到底板隔水层的作用，1 9 4 4 年匈牙利学者韦格 弗伦斯第一次提出了相对隔水层的概念，认识到煤层底板突水不仅与隔水层厚度 有关，而且还与水压有关。突水条件受相对隔水层厚度的制约，相对隔水层厚度 是等值隔水层厚度与水压力值之比。同时提出，在相对隔水层厚度大于1 5 m a t m 的情况下，开采过程中基本不突水，而8 0 8 8 的突水都是相对隔水层厚度小 于此值的情况l j 引。 苏联学者b 斯列萨列夫将煤层底板视做两端固定的承压均布荷载作用的 梁，结合强度理论推导出底板理论安全水压值的计算公式( p o = 2 k ，h 2 r + 力) 。 2 0 世纪6 0 7 0 年代，突水机理研究仍以静力学理论为基础，但加强了地质 因素主要是隔水层岩性和强度方面的研究。在匈牙利等国，广泛采用了相对 隔水层厚度，即以泥岩抗水压的能力作为标准隔水层厚度，将其他不同岩性的岩 层换算成泥岩的厚度，以此作为衡量突水与否的标准【1 6 1 。 2 0 世纪7 0 8 0 年代末期，许多国家的岩石力学工作者在研究矿柱的稳定性 时研究了底板的破坏机理。桑托斯、宾尼维斯基等【1 7 】基于改进的h o c k b r o w n 岩 体强度准则，并引入临界能量释放点的概念和取决于岩石性质及承受破坏应力前 4 桂林j e ：r - 大学硕士学位论文 岩石已破裂的程度与岩体指标r m r 相关的无量纲常量m 和s ，分析了底板的承 载能力。 在2 0 世纪8 0 年代末，前全苏矿山地质力学和测量科学研究院突破传统线性 关系，指出导水裂隙和采厚呈平方根关系。实质上，其对煤层底板突水问题的研 究与岩体力学问题的研究密不可分。1 9 7 4 年，l o u i s i s 根据钻孔抽水实验得到裂 隙中水的渗透系数和法向地应力服从指数关系。以后德国的e r i c h s e n 又从裂隙岩 体的剪切变形分析出发建立了渗流和应力之间的耦合关系。1 9 8 6 年o d a 用裂隙 几何张量表达了岩体渗流与变形之间的关系。1 9 9 2 年d e r e ke l s w o r t h 以双重介质 岩石格架的位移转移到裂隙上，再根据裂隙渗流服从立方定律的关系，建立渗流 场计算的固一液耦合模型，并开发了有限元计算程序 1 9 1 。目前，在矿井水害的 研究方面，澳大利亚的学者主要从事地下水运移的数学模型的建立。 1 - 2 1 2 国内研究现状 解放后，我国才开始进行煤矿地下水灾害这方面的研究工作。随着煤炭工业 的发展，我国煤层底板突水理论和实践研究出现了日新月异的发展。2 0 世纪 6 0 7 0 年代，主要是对水文地质条件进行勘测，进而通过该区的水文地质条件对 该矿水害防治进行经验性决策。当时的研究手段比较落后，该工作是煤矿水害防 治的基础性工作，属条件水文地质学的研究范畴，限制了学科的发展。煤层底板 突水概念模型的雏型基本上是在这一时期形成的，如底板保护层和原始导高等概 念。进入2 0 世纪8 0 年代以后，我国许多科学工作者对底板水防治在预测预报、 突水机理、防治技术等方面进行了系统的研究工作，使采掘工程中底板突水研究 成为在人为采掘活动的诱发下，围岩岩性、结构和地质环境( 区域构造场、渗流 场、温度场、水理作用场等) 综合作用的前沿学科 2 0 1 我国在焦作水文会战时首次提出了突水系数的概念，用于作为突水预测预报 的标准。所谓突水系数，就是单位隔水层承受的水压值，即： 疋= p m 式中，五突水系数； 公式( 1 1 ) p 水压； m 隔水层厚度。 2 0 世纪7 0 年代，中国煤炭科学院西安分院考虑到矿压破坏因素对突水系数 作了修正，即： 瓦= 尸一c 尸) 公式( 1 2 ) 式中，c 。矿压破坏底板深度； 其他符号含义同前。 至2 0 世纪8 0 年代，考虑隔水层分层岩石力学性质的不同，并参考了匈牙利 桂林理工大学硕士学位论文 等值隔水层厚度的概念，我国有一次对突水系数作了修正，即： 瓦：p ( ym ，m ，一c ，) 公式( 1 3 ) 式中，m ，隔水层底板各分层厚度； m i 各分层等效厚度换算系数。 我国提出了临界突水系数的概念，即单位隔水层厚度所能承受的最大水压。 突水系数概念明确，公式简便实用，表达式中虽然只出现水压( p ) 和隔水层厚 度( m ) 等两项简单因素，但它却反映突水因素的综合作用，包括矿压破坏底板 或促使断裂重新活动的作用。在煤矿生产中起到了积极的作用，一直沿用至今。 由于临界突水系数统计中8 0 以上是断层突水，所以临界突水系数主要反映的是 断裂薄弱带的突水条件。它用于预测正常底板，其数值偏小，这对深部开采起到 了束缚和限制作用。2 0 世纪8 0 年代以来，在不断总结、探索突水发生机理，各 个单位深入现场，做了大量探测观测分析和实验研究工作，在此基础上结合岩石 力学理论归纳总结了突水机理新理论1 2 。主要有： 1 、薄板结构理论 中国煤炭科学院北京开采所刘天泉院士、张金才博士等【2 2 1 提出底板岩层由 采动导水裂隙带和底板隔水带组成，并运用弹性力学、塑形力学和相似材料模