煤层底板突水预测及防治研究设计专题报告

煤层底板突水预测及防治研究摘要：煤矿底板突水与瓦斯、冲击矿压等灾害并列，是矿山建设与矿山生产过程中的主要安全灾害之一，其破坏性给国家和人民带来了重大的人身伤害和经济损失，因此研究底板突水的预测方法与防治措施是十分必要的。随着煤炭科学技术水平的不断进步，煤矿开采技术水平的不断提高，底板突水防治技术也在不断发展。本文通过查阅相关资料，从底板突水的影响因素、机理、探测和预报等各方面的研究现状着手，旨在全面了解底板突水的现象，从而采取合理的预测方法和相应的防治技术措施，希望有效地预防和控制底板突水事故的发生。关键词：底板突水；机理；探测；预测；防治1 概况矿井水害一直是制约我国煤炭生产发展的重要因素之一。据原煤炭工业部统计资料显示,我国煤矿突水事故居高不下,全国 601 处国有煤矿中,具有底板突水危险性威胁的有 285 处。60%矿井事故与地下水作用有关,造成生产损失和人员伤亡,导致多种环境负效应。频繁发生的突水事故严重威胁着煤矿的安全生产。从近年的开采情况看,每年采出受水害威胁的煤炭还不到总储量的10%。如果不能解放这些受水害威胁的煤炭储量,不仅影响煤矿的产量, 而且一些老矿井还有被迫提前关井的危险。我国煤炭资源主要分布在北方缺水地区，预防突水、保护地下水资源，关系到子孙后代的生存和国民经济的持续发展。随着开采深度和强度的增加，煤炭开采环境日趋复杂， 水害问题将更加突出。深入揭示突水机理，开发裂隙演化的连续探测技术，以预防和治理突水，对于煤矿安全生产具有积极的意义。2 底板突水及类型划分煤层底板突水实质是煤层下伏承压水沿采煤工作面底板隔水层岩体内部通道突破底板隔水层的阻隔，以突发、缓发或滞发的形式向上涌人工作面采空区的过程。研究它的发生、发展规律是进行突水预测预报的前提，制定合理开采方案和预防措施的依据。因此， 研究突水的机理，对突水进行分类是很重要的。同时各种不同类型的底板突水在其成分上是不同的，为了查明底板突水产生的原因和条件，首先因对底板突水进行分类。（1）按突水地点，可分为巷道突水和采场突水。巷道突水多以构造破坏为主，承压水通过断裂或构造破碎带进入底板，形成充水，一旦巷道揭露出来后，承压水就迅速涌入。采场突水多以采矿破坏为主，矿山压力破坏和消弱了底板隔水层的厚度和强度，造成与汗水层的密切水力联系。（2）按突水的动态分为爆发型、缓冲型和滞后型三种。爆发型主要是由于存在充水断层加上突水处的底板隔水能力很弱引起的，其突水的特点为来势猛、速度快和冲击力强等。缓冲型主要是由采矿、构造破坏等迭加作用所造成的。由于突水处有一定的隔水能力， 突水来的慢，水量由小到大。滞后型主要是承压水沿裂隙长期冲蚀及矿压持续作用的结果。（3）按突水量大小可分为特大型突水、大型突水、中型突水和小型突水，如下表：突水类型特大型大型中型小型突水量（m/min ）50204951953 底板突水的影响因素煤层底板突水是一种综合的水文地质现象，它受到许多因素的影响，例如水源（水量、水压）、工作面底板的岩性组合、地质构造、工作面开采空间及采煤方法、矿山压力等， 下面对影响底板突水的主要因素分别进行分析。3.1 水源位于煤层底板下部的承压含水层，其水压力的大小决定着底板是否会发生突水，而其富水性则决定着突水后水害的规模及对矿井的威胁程度，因此，它是造成底板突水的主要源泉。在煤层底板突水过程中，水压力的作用主要表现在以下几个方面：（1）承压水在水压力的作用下不断侵蚀、冲刷底板隔水层，渗透至上覆隔水层的构造裂隙中，降低隔水层的完整性，减弱岩体的抵抗强度，并扩大隔水层内部的裂隙，最终形成突水通道；（2）当底板岩层存在导水断层时，承压水会沿断层直接进入工作面采空区；（3）当含水层的上部岩层为透水层时，则承压水会渗透至该岩层内，形成承压水导升裂隙带，造成底板有效隔水层厚度的减小；（4）当含水层上部岩层为隔水层时，则承压水将作为一种静力作用于上覆岩层。当水压力较高或水流速较大时，承压水将挤入其上覆岩层中，并形成导水裂隙。（5）在煤层开采过程中，采动矿压不断向底板传递应力，在它与含水层水压的耦合作用下，底板岩体加速破坏，并使底板隔水层中原生裂隙、断层重新活动，形成新的透水裂隙。因此，底板有效隔水层的阻水能力降低，底板承压水很容易通过破坏裂隙而进入开采工作面，造成底板突水。实践也证明，当煤层底板地质条件基本相似时，承压水压力越大，发生底板突水的可能性越大。3.2 矿山压力作用矿山压力是起到破坏隔水层底板，促使底板突水的作用力。矿山压力使煤层底板遭受破坏，从而降低底板岩石的隔水性和力学强度，是突水的触发因素。工作面斜长、采深、煤层厚度、煤层倾角、采掘方式是影响矿山压力和底板破坏深度大小的主要因素。就采深来说，采深越大底板破坏越严重，越易发生突水。采矿过程中的矿山压力，对工作面底板具有严重的破坏作用，产生新裂隙，并“活化”原有断裂，导致底板突水。随着采煤工作面的推进，底板任一断面总是经历超前支撑压力压缩破坏、采后悬顶卸压膨胀破坏、采空区周边剪切破坏、最后顶板冒落压实的再受压过程。其中采空区卸压膨胀及其周边剪切对底板破坏最严重，产生的裂隙最多。矿压对底板的破坏程度是不一样的。根据现场观测，工作面初压及周期来压时顶板悬顶面积最大，工作面周围煤体的支撑压力及煤壁处的剪切力达到最大值，煤层底板最易造成破坏，底板最易突水。因此突水点多在初压及周压地段或煤壁处.在开采矿压作用下，通常有以下 4 种型式形成突水通道:在开采矿压作用下，底板破坏带涉及到承压水导升带， 或底板破坏带涉及到承压含水层(无导升带时)，矿压产生的底板破坏带使原岩裂隙结构面产生不同程度的扩张、延展，在底板中产生了具有连通性的裂隙结构面，具有一定压力的承压水沿着裂隙上升，冲刷结构面，使裂隙软化、蚀扩，逐渐形成较大的突水通道，造成突水。在开采矿压作用下，底板破坏带与承压水导升带，或底板破坏带与承压含水层(无导升带时)之间的距离小于保护带的安全厚度时，随着开采跨度的增大，承压水将突破底板岩梁进入工作面。在开采矿压作用下，所留断层隔离煤柱被压碎，通过断层面或断层破坏带的承压水突破煤柱进入工作面。因此，保留足够宽度的隔离煤柱，使之不被开采矿压破坏是防止承压水进入工作面的关键问题之一。在开采矿压作用下，通过断层面或断层破坏带的承压水使底板发生突水。这一通道形成的条件将涉及煤层底板破坏深度和煤层支承压力高峰的位置及向底板延伸的方位。为了防止承压水从底板破坏区进入工作面，必须使破坏深度线和剪切破坏延伸线的交点与断层保持一个足够安全的的距离。3.3 底板岩层岩性及其组合特征隔水岩层厚度、岩性及其组合对底板突水起着重要的制约作用。隔水层越厚越安全， 无须赘述。需注意的是在隔水层厚度相同的情况下，不同岩性组合抵抗水压的能力不同。在构造及水文条件、工作面几何尺寸、顶板管理方式等都相似的情况下，有些工作面突水， 有些工作面就不突水，甚至突水系数小的工作面反而比突水系数大的工作面突水量还大。这说明隔水层岩性组合对突水起相当的制约作用。坚硬性脆的岩层，在矿山压力的作用下易产生裂隙，但不容易被水冲刷扩大。软岩层，受力后易发生塑性变形，不易形成裂隙； 即使形成裂隙，因破裂结构面碎屑物较多，裂隙的透水性也较差，但裂隙易被高压水流冲刷扩大。如果隔水层由软、硬相间的岩层组成，则能相互弥补各自的缺陷，提高抗水压能力。相邻上下两岩层，下一层中的裂隙能否扩展到上一层中去，经应力强度因子分析的结果，硬岩层中的裂隙较易于向软岩层扩展，而软岩层中的裂隙不易于向硬岩层扩展，因此对防突水最有利的岩性组合是：顶、底都为相对较软的岩层，中间为软硬相间的岩层。3.4 地质构造地质构造，尤其是断层是造成煤层底板突水的主要原因之一。地质构造特别是断裂构造，对含水层的变形破坏，岩溶的发育分布和方向性，导水裂隙的形成，地下水的补给、径流、排泄条件，乃至井田和区域水文地质条件都起着重要作用。断层是矿井突水重要的导水通道，断裂缩短了煤层与对盘含水层之间的距离。当断层切割太灰或奥灰含水层时， 有可能导致煤层与含水层对接或距离缩短，从而使隔水层的有效厚度降低，导致突水。断层的导水性与断裂面的力学性质、断裂两盘的岩性、断裂的规模以及充填胶结程度有关。一般是，正断层是在低围压条件下形成的，因此，其断裂面的张裂程度很大，并且破碎带疏松多孔隙，透水性强。而逆断层多是在高围压条件下形成的，破碎带宽度小且致密孔隙小。所以，在其他条件相同的情况下，正断层更容易造成工作面突水。此外，相同力学性质的断裂，两盘均为刚性岩层时导水性好，为柔性岩层时导水性差。底板岩层中裂隙的存在，破坏了底板岩层的完整性，使底板隔水性能大大降低，承压水会不断侵蚀底板岩层，造成承压水的突入。底板岩体在采动影响下，岩层中原生裂隙和采动裂隙发生扩展，降低了底板岩层的阻水性能。多个裂隙在采动影响下，相互作用，使得裂纹间的岩桥缩短，贯通率增大，在一定条件下，容易相互连通，形成突水通道。裂纹内存在水压时，水压一方面软化裂隙周围岩体，使其强度降低，另一方面水压的存在使裂隙内的有效应力增加，使裂纹周围岩体的塑性区进一步增大，裂隙的相互贯通的可能性进一步增强。小断层及构造裂隙因其数量多，张性好，充填性差，是基岩地下水良好的导水通道，相互连结起到汇水网络作用，是矿井主要的控水构造之一。对于褶皱尤其是其轴部，其物理性能低劣、易变，易于发生变形破坏与失稳，节理裂隙比较发育，经承压水的楔入而形成强渗通道。褶皱在形成过程中产生的层间裂隙也有利于灰岩中岩溶的发育和地下水的运移。3.5 工作面开采空间及开采方法在采煤方法一定的条件下，开采空间的大小决定着底板的突水与否。开采空间的大小主要由工作面倾斜长度及采厚来衡量。开采空间越大，工作面周围的支承压力越大，从而底板的变形及破坏程度越严重，突水的可能性就越大。在实际生产中发现，在水压、隔水层厚度、岩性组合及构造条件基本一致时，工作面倾斜长度越大越容易发生底板突水。同样，采厚越大，工作面周围支承压力就越大，导致底板突水的可能性也就越大。不同的采煤方法对工作面底板突水与否起着抑制作用。当煤层厚度比较大时，可以采用分层开采， 从而减轻采动矿压对工作面底板的破坏程度，这样有利于抑制底板突水的发生；同理，采用短壁工作面开采、条带开采或充填采空区开采，也是可以抑制或减少底板突水事故的有效措施。3.6 采动（1）应力状态的改变。当工作面从开切眼开始回采之后,采面围岩应力将发生变化。随着工作面的推进,煤层底板前方处于支承压力作用而压缩。工作面推过后,应力释放,底板处于膨胀状态。随着顶板的冒落,采空区冒落矸石的压实,工作面后方一定距离的底板以恢复到原岩应力状态。由于工作面是在不断推进的过程中,所以,底板处于压缩膨胀 再压缩的状态。而在压缩与膨胀变形的过渡区,底板最易发生破坏。在开切眼附近,竖向应力集中程度最高,底板容易发生变形及产生裂隙。在上、下出口附近煤层的底板不仅受到支承压力的影响,而且受静压力的影响,因此,沿上、下出口附近底板的采动裂隙比较发育,易形成突水点。而在上、下出口与开切眼处,突水的几率则更大。在工作面停采线处,由于没有动压的影响,底板的变形及破坏程度较小，发生突水的可能性不大。（2）结构面的再扩展。工程采动能够引发原结构面的再次扩展。由于结构面本身物理性状的差异性,其扩展后导水性能不尽相同,根据涌水量的变化情况,裂隙受采动的程度可划分为五种基本类型:增大型,裂隙受到短轴方向拉伸、长轴方向压缩的矿压作用,充填物少, 松散受力后裂隙逐渐张开,涌水量逐渐增大;下降型,裂隙受到短轴方向压缩、长轴方向拉伸的矿压作用,充填物多;受力后裂隙压缩,涌水量逐渐减少;裂隙走向与矿压作用方向成一定的角度,受力不均,充填物较多,涌水量时大时小,但总的趋势是下降型;裂隙走向与矿压作用方向成一定的角度,受力不均,充填物较少,涌水量在工作面后方趋于稳定;裂隙受到双向压缩的矿压作用,充填物少,受力后基本不产生变形,涌水量呈稳定型。（3）采动裂隙带的形成。由于采动矿压和水的作用,在底板采动破坏深度范围内,底板岩层中一般产生 3 种裂隙:竖向张裂隙,分布在紧靠煤层底板的最上部,是底板膨胀时层向张力破坏所形成的张裂隙;层向裂隙,主要岩层面以离层形式出现,一般在底板浅部较发育,它是在采煤工作面推进过程中底板受矿压作用,反向位移沿层向薄弱结构面离层所致;剪切裂隙,一般为两组,以 60左右分别反向交叉分布。这是由于采空区与煤壁及采空区顶板冒落在受压区岩层反向受力剪切形成。上述三种裂隙严重破坏了底板岩体的完整性,当它们与含水层(或承压水导升带或导水断层)沟通,可发生底板突水。底板岩体的破坏深度与程度主要与采场矿压大小和矿压显现剧烈程度以及底板特征有关。其中前者的影响因素有:开采深度、直接顶厚度及采高,煤层倾角,工作面尺寸大小以及顶板岩性与结构等;后者的影响因素有底板岩性、岩体结构与构造特征等。3.7 底板采动破坏深度不同的采煤方法对工作面底板突水与否起着抑制作用。当煤层厚度比较大时,可以采用分层开采,从而减轻采动矿压对工作面底板的破坏程度,这样有利于抑制底板突水的发生;同理,采用短壁工作面开采、条带开采或充填采空区开采,也是可以抑制或减少底板突水事故的有效措施。在采煤方法一定的条件下,开采空间的大小决定着底板突水与否。开采空间的大小主要由工作面倾斜长度及采厚来衡量。开采空间越大,工作面周围的支承压力越大,从而底板的变形及破坏程度越严重,突水的可能性就越大。在实际生产中发现,在水压、隔水层厚度、含水层富水性、断层落差条件基本一致时,工作面倾斜长度越大越容易发生底板突水。同样, 采厚越大,工作面周围支承压力就越大,导致底板突水的可能性也就越大。底板采动破坏深度的确定可通常采用现场实测、经验估算、理论计算等多种手段。一般情况下可分为下列三种情况。（1）理论计算。采用下列理论公式,比较其结果,取其最大值。C1h = 1.57g 2 H 2 L / 4R2（1）h1 = (n +1)H / 2p (cosF0 - p / 2 + F) -s / g tanF0 - mHh1 = 0.015HcosF0 / 2cos(p / 4 + F0 / 2)exp(p / 4 + F0 / 2) tanF0（2）（3）式中： h1 底板采动破坏深度,m;m最大支承压力系数;底板岩体平均容重,kg/m;H采深,m;L工作面斜长,m;底板岩体平均内聚力,MPa;F0 底板岩体平均内摩擦角,() 。（2）现场实测。现场实测通常采用钻孔抽(放)水试验及其它探测手段确定破坏深度。根据全国已有的工作面底板破坏深度的实测资料,通过对各种因素的对比分析,选取开采深度、煤层倾角、岩石强度和工作面斜长等 4 个主要因素,进行了多元回归分析,得到底板破坏深度的回归公式为(复相关系数为 0.95):h1 = 0.111L + 0.006H + 4.541s C - 0.009a - 2.40（4）式中：s c 岩石单轴轴抗压强度,MPa; 煤层倾角() 。（3）室内模拟实验观测法。可采用相似材料模拟、有限元数值电算模拟、光弹试验等综合方法。其优点是可以模拟多种地质采矿条件，获取不同地质采矿条件下的底板导水破坏深度，提供安全开采方案决策依据，而且时间快，费用低。但最好其结果有一定的现场观测资料验证，其效果更好。（4）经验估算。计算通常采用的经验公式为:h1 = 0.7007 + 0.1079L（5）或h1 = 0.0085H + 0.1665a + 0.1079L + 4.3579（6）或h1 = 7.9291(L / H ) + 0.0091H + 0.00448a + 0.3113 f（7）式中： h1 底板导水破坏深度（m）；L 工作面斜长（m）；H 开采深度（m）；开采煤层倾角（）；f 底板岩层的坚固系数。煤矿底板突水是一个受多种因素影响的非常复杂的问题。它不仅受到地质条件如围岩性质、岩层组合、断层等影响，还受到水文地质条件如含水层、隔水层、富水性、水头压力等影响，同时还受到煤矿开采方法及地应力等的影响和控制，这些均对研究煤矿底板突水机制及预测方法构成了很大困难。通过对以上煤矿底板突水的主要影响因素进行分析， 在预防和控制煤层底板突水时就可以找到问题的主要矛盾与矛盾的主要方面，有重点的进行预测和防治，为实现煤矿安全开采起到了重要作用。4 底板突水机理研究现状矿井突水灾害的一种动力现象是在采矿活动影响下，承压水沿隔水层中的导水通道涌入矿井。几十年来，国内外许多学者对矿井突水机理进行了一些有益的探索，取得了大量的研究成果。突水系数、强渗通道、水岩应力、零位破坏与原位张裂、关键层 及下三带等理论学说，都从各个方面揭示了突水发生的机理和预测方法，对于矿井安全 生产起到了积极的指导作用。4.1 国外研究现状煤矿底板突水实质是下伏承压水冲破底板隔水层的阻隔，沿采煤工作面底板隔水层岩体内部导水通道，以突发、缓发或滞发的形式向上涌入工作面采空区的过程。作为一种综合水文地质现象，它受到许多因素的影响，例如下伏含水层承压水的水压、水量，工作面底板的岩性组合、底板隔水层岩体的构造及采煤工艺方法等。国外煤矿开采已有一百多年的历史，因此对底板突水机理的研究也是率先进行的。早在 20 世纪初，国外就有人注意到底板隔水层的作用，并从多次底板突水资料中认识到，只要煤层底板有隔水层，突水次数就少，突水量也小。20 世纪 40 年代至 50 年代，匈牙利韦格弗伦斯第一次提出底板相对隔水层的概念。他指出，煤层底板突水不仅与隔水层厚度有关，而且还与水压力有关，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之比。同时指出，在相对隔水层厚度大于 1.5m/atm 的情况下，开采过程中基本不突水，而 80%88%的突水都是相对隔水层厚度小于此值。由此，许多承压水上采煤的国家引用了相对隔水层厚度大于 2m/atm 就不会引起底板突水的概念。在这期间前苏联学者 B.斯列萨列夫将煤层底板视作两端固定的受均布载荷作用的梁，结合强度理论，推导出底板理论安全水压值 H 的计算公式PH = 2K t 2 / L2 + gt /106（8）式中：H 底板所能承受的理论安全水压值，MPa；K P 隔水层的抗拉强度，MPa；t 隔水层厚度，m；L 工件面最大控顶距或巷道宽度，m；底板隔水层平均重力密度，N/m。当实际水压 H实 H 时，底板隔水层就会产生失稳破坏，从而导致底板突水。20 世纪 60 年代至 70 年代，匈牙利国家矿业技术鉴定委员会将相对隔水层厚度的概念列入矿业安全规程，并对不同矿井条件作了规定和说明。前苏联和南斯拉夫等国的学者也开始研究相对隔水层的作用，包括采空区引起的应力变化对相对隔水层厚度的影响，以及水流和岩石结构关系等。20 世纪 70 年代至 80 年代末期，很多国家的岩石力学工作者在研究矿柱的稳定性时，研究了底板的突水机理。其中，最有代表性的是 C.F.Santos，Z.T.Bieniawski.，他们基于改进的 Hoek-Brown 岩体强度准则，并引入了临界能量释放的概念分析了底板的承载能力。4.2 国内研究现状早期的研究仅限于对突水资料整理、归类，然后加以分析、综合，导出经验公式。自40 年代，人们开始用力学的观点探讨突水成因，1944 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，而且还与岩性有关。苏联学者斯列沙辽夫以静力学理论为基础，研究了煤层底板在承压水作用下的破坏机制， 将煤层底板视作两端固定的承受均布载荷作用的梁，并结合强度理论推导出底板理论安全水压值的计算公式：2S h2P = t a + gh（9）aL2a式中： Pa 底板所能承受的理论安全水压值，MPa；St 隔水层的抗拉强度，MPa；ha 隔水层厚度，m；L工作面斜长或巷道宽度，m；底板隔水层平均重力密度，MN/m当实际水头压力 Psh Pa 时则会产生失稳破坏，反之则安全。该公式计算简单，对巷道或控顶距较小的工作面较为适用。但因未考虑矿山压力等因素对底板破坏的影响，其计算结果与实际情况差别较大，因此其使用受到很大限制。但它开创了用力学方法研究底板突水的先例。60 年代至 70 年代，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、南斯拉夫等国，广泛采用了相对隔水层厚度，即以砂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砂岩的厚度，以此作为衡量突水与否的标准。该方法不仅考虑了水压对隔水层厚度的作用，而且将岩层的岩石力学强度放在重要位置，且计算简便，具有较好的实用性。但因同样未考虑矿山压力的影响，平面尺寸效应，也未考虑岩层的原生破坏，因此亦不全面。70 年代至 80 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。C. F. Santos、Z. T. Bieniawski 等人基于改进的 Hoek-Brown 岩体强度准则，并引入临界能量释放点的概念和与岩体指标 RMR 相关的无量纲常量 M.S，分析了底板的承载能力。对研究采动影响下的底板破坏机理有一定参考价值。我国早在 60 年代就开始了底板突水规律的研究工作。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厚度承受的极限水压值，即：T = P（10）hsa式中： TS 突水系数，MPa/m；P 水压头，MPa；ha 隔水层厚度，m；底板突水系数在数值上相当于匈牙利相对隔水层厚度的倒数。20 世纪 70 年代至 80 年代，通过不断深入研究工作面矿山压力对底板破坏作用的影响，煤炭科学研究总院西安分院对突水系数的表达式进行了两次修改后确定为：Ts =Piih a - C（11）p式中： hi 隔水层第 i 分层厚度，m；ai 隔水层第 i 分层等效厚度的换算系数；CP 矿山压力对底板的破坏深度，m。底板突水系数在我国煤矿防治水中得到广泛应用，列入了开采规程。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和隔水层厚度两项简单因素，但它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，故一直沿用至今。由于临界突水系数统计中 80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。用于预测正常底板，其数值偏小，这对深部开采有时起到了一定的束缚和限制作用。80 年代以后，随着各矿区开采水平的延伸，突水事故日趋严重，煤炭部门和煤炭科技工作者对突水机理日益重视。除煤矿第一线的工程技术人员不断总结、探索突水发生机理外，煤科总院西安分院、北京开采所、山东矿院、中国矿大、中科院地质所等单位深入现场，作了大量探测观测分析和实验研究工作，在此基础上结合岩体力学理论归纳总结出具有我国特色的突水机理新理论，主要包括：（1）薄板结构理论煤科总院北京开采所刘天泉院士、张金才博士等认为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、塑性力学理论和相似材料模拟实验来研究底板突水机制， 采用半无限体一定长度上受均布竖向载荷的弹性解、结合莫尔库仑强度理论和 Griffith 强度理论分别求得了底板受采动影响的最大破坏深度。将底板隔水层带看作四周固支受均布载荷作用下的弹性薄板，然后采用弹塑性理论分别得到了以底板岩层抗剪及抗拉强度为基准的预测底板所能承受的极限水压力的计算公式。该理论首次运用板结构研究底板突水机制，发展了突水理论。但在一般情况下，底板隔水带不满足薄板条件厚宽比小于1/51/7，只有在较薄隔水层条件下才能应用；另外，该理论未考虑承压水导水带及渗流的作用，故使应用受到一定限制。（2）零位破坏与原位张裂理论由煤科总院北京开采所王作宇、刘鸿泉等人提出。该理论认为，矿压、水压联合作用 于工作面对煤层的影响范围可分为三段：超前压力压缩段（I 段）、卸压膨胀段（II 段） 和采后压力压缩稳定段（III 段）。超前压力压缩段在其上部岩体自重力和下部水压力的联合作用下整个结构呈现出上半部受水平挤压、下半部受水平引张的状态，因而在中部 附近的底面上的原岩节理、裂缝等不连续而产生岩体的原位裂隙，在底板承压水的作用下， 克服岩体结构面阻力而扩大，并沿着不连续面发展或形成新的张裂，从而形成底板岩体的 原位张裂。煤层底板结构岩体由 I 段向 II 段过渡引起其结构状态的质变，处于压缩的岩体应力急剧卸压，围岩的贮存能大于岩体的保留能，便以脆性破坏的形式释放残余弹性应 变能以达到岩体能量的重新平衡，从而引起采场底板岩体的零位破坏，并且认为顶板自重 应力场的支承压力是引起底板产生破坏的基本前提，煤柱煤体的塑性破坏宽度是控制底板 最大破坏深度的主要参数，底板岩体的摩擦角是影响零位破坏的基本因素，并进一步用塑 性滑移线理论分析了采动底板的最大破坏深度。该理论综合考虑了采动效应及承压水运动， 阐明了底板岩体移动发生、发展、形成和变化的过程。揭示了矿井突水的内在原因，对承 压水上采煤实践具有重大的指导意义。但对于原位张裂发生发展过程缺乏深入研究，其发 育高度（厚度）难以确定，限制了其在实际中的应用。（3）强渗通道说由中科院地质所提出。该理论认为底板是否发生突水关键在于是否具备突水通道。这分为两种情况：其一，底板水文地质结构存在与水源沟通的固有突水通道，当其被采掘工程揭穿时，即可产生突破性的大量涌水，构成突水事故；其二，底板中不存在这种固有的突水通道，但在工程应力、地壳应力以及地下水共同作用下沿袭底板岩体结构和水文地质结构中原有的薄弱环节发生形变、蜕变与破坏，形成新的贯穿性强渗通道而诱发突水。前者属于原生通道突水，后者属于再生或次生通道突水。该理论重视了地质构造（包括断层和节理）这一薄弱面对突水的影响，但对采动矿压和水压对其产生的影响作用缺乏深入研究。（4）岩水应力关系说煤科院西安分院提出。该学说认为底板突水是岩（底板砂页岩）、水（底板承压水）、应力（采动应力和地应力）共同作用的结果。采动矿压使底板隔水层出现一定深度的导水裂隙，降低了岩体强度，削弱了隔水性能，造成了底板渗流场重新分布，当承压水沿导水破裂进一步浸入时，岩体则因受水软化而导致裂缝继续扩展，直至两者相互作用的结果增强到底板岩体的最小主应力小于承压水水压时，便产生压裂扩容，发生突水。其表达式为： I = PW / z （I 为突水临界指数；： PW 为底板隔水岩体承受的水压；z 为底板岩体的最小主应力），当 I 1 时不会发生突水，反之则发生突水。该学说综合考虑了岩石、水压及地应力的影响，揭示了突水发生的动态机理，但对采动导水裂隙带及承压水的再导升高度等问题却未得出定量结论。（5）关键层（KS）理论中国矿大钱鸣高院士、黎良杰博士根据底板岩层的层状结构特征，建立了采场底板岩体的 KS 理论。该理论认为，煤层底板在采动破坏带之下，含水层之上存在一层承载能力最高的岩层，称为关键层。在采动条件下，将关键层作为四边固支的矩形薄板，然后按 弹性理论和塑性理论分别求得底板关键层在水压等作用下的极限破断跨距，并分析了关键层破断后岩块的平衡条件，建立了无断层条件下采场底板的突水准则和断层突水的突水准则。该理论抓住了底板岩体具有层状结构的特点，并注意到了底板中的强硬岩层在突水中的作用，揭示了在采动条件和承压水作用下采场底板的突水机理。但将煤层底板破裂突水仅仅归结为所谓关键层的破断似乎有些过于简化，忽略软弱岩层在底板突水中的作用显然是不妥的；而且，关键层仅是一个模糊概念，在底板为多层岩性层的情况下，究竟应将哪一层岩层作为关键层，在实践中不易掌握。（6）下三带理论及四带理论山东矿院特采所李白英教授等人经十余年深入隔水层底板内部进行综合观测、并结合相似材料模拟和有限元计算等研究发现：开采煤层底板也存在着类似采动覆岩破坏移动的三带，即底板采动导水破坏带、完整岩层带（或有效保护层带）、承压水导升带（或隐伏水头带），如图 1 所示。底板采动导水破坏带是指由于采动矿压的作用，底板岩层连续性遭到破坏，导水性发生明显改变的层带，该带的厚度即为底板导水破坏带深度。而完整岩层带位于采动导水破坏带之下，其特点是保持采前岩层的连续性及其阻水性能，它是阻抗底板突水的最关键因素，故又称为保护层带。承压水导升带是指含水层中的承压水沿隔水底板中的裂隙或断裂破碎带上升的高度，有时称其为原始导高带。该理论认为，在底板导水破坏带存在层向裂隙带和竖向裂隙带，前者是底板受矿压作用形成压缩膨胀压缩反向位移造成的，后者主要是剪切及层向拉力破坏所致。该带如遇隐伏导水断裂或与承压水导高带沟通，就会发生突水。并且认为底板导水破坏带的主要影响因素是工作面尺寸， 其次是采深、煤层倾角、岩性强度等。该理论基于大量实测资料，揭示了底板突水的内在规律，对底板突水预测及开采安全性论证、编制采区或水平的安全生产规划，为预防突水而选用合适的采煤方法及工作面尺寸具有重要意义。但对裂隙延展的动态机理的力学研究还欠深入。下三带理论比较符合煤层底板破坏、突水规律，在生产实践中得到了较为广泛的应 用，但理论研究尚有待于深入。施龙青指出，阻碍这一理论发展和广泛应用的主要原因有两点：一是基于弹性力学理论推导出底板破坏带的理论计算公式，而弹性力学是建立在一些基本假定基础上的，所有这些假定是不适合岩体的力学特征的；二是下三带理论没有 考虑承压水对底板岩层的破坏作用。他从现代损伤力学及断裂力学理论出发，提出了开采煤层底板的四带划分理论。即开采煤层底板可以划分出：矿压破坏带、新增损伤带、原始损伤带、原始导高带。推导出开采煤层底板四带理论中各带厚度的计算公式， 给出了底板突水判别方法。（7）突水优势面理论图 1 底板下三带分布高延法教授提出了底板突水优势面理论，更符合工程实践的需要。所谓突水优势面， 简单地说是指最容易发生底板突水的断面，是指在底板灰岩承压水威胁的区域，在开采平面上存在着最容易发生底板突水的危险断面。突水优势面的学术观点，包括着两方面的意义：一方面是在底板突水机理方面，优势面的观点注意到这样的两个事实，一是突水系数较大采区未必一定突水，而突水系数较小区域未必不一定突水；二是一般突水（特别是中型以上的突水）往往都发生在某一危险断面上，所以优势面的观点特别强调层面上底板灰岩富水性和底板隔水能力非均匀性，认为底板突水要发生一定会发生在某一危险断面上。而另一方面是在底板突水防治方面，在受承压水威胁煤层带压开采时，要进行突水预测预报或开采安全性评价，最有效的途径是找出突水优势面。突水防治的有效方法就在于突水优势面的治理。突水优势面的观点，一反以往从地层纵向分析认识突水机理的传统，而转向在开采平面上查寻最易突水的薄弱区，承压水上的开采实践和突水案例分析表明，在开采平面上，底板突水的薄弱区（突水危险区）一般呈带状分布，包括底板灰岩的强径流带和底板隔水能力薄弱带等。（8）非线性动力学理论矿井煤层底板突水系统是人类和环境组成的复杂开放系统，呈现出非平衡开放系统的特征，也就是为一非线性系统。煤层底板隔水岩层的变形破坏、失稳，也就是形成一种非平衡耗散结构。因此，人们可以借助非线性力学的理论和方法来研究底板的突水机理。靳德武、王延福认为在底板突水的形成中，存在快、慢两种过程。用塞子模型模拟突水岩块，建立了动力学方程，提出突水的物理判据，并对实例进行了检验，其符合率高。周辉在薄板理论的基础上，建立了立井井筒底板突水的尖点突变模型。运用突变理论的分析方法，求得了井筒底板隔水层的最小理论安全厚度，根据在大涨落存在的前提下突变发生所遵循的 Maxwell 规则，对理论值和实际值的偏差作了合理的解释，为井筒突水的预测及确定隔水层的安全厚度，提供一种新的理论方法和途径。白晨光应用突变理论的方法，对底板关键层的力学模型进行分析，推导出了关键层系统的总势能函数表达式，建立了底板关键层的尖(CUSP)型突变模型，分析了承压水底板关键层失稳的力学机制。王凯针对煤层底板突水预测指标监测信号，分析了单变量序列尖点突变模型及其稳定判据，提出了煤层底板突水的突变理论预测方法。王连国得到煤层底板尖点突变模型的突水势函数，发现煤层底板突水具有突变、缓慢两条路径，并在突水临界点附近具有发散性和 4 模态软化等性质。基于大量实测信息， 对承压水上开采煤层底板变形破坏过程中岩移、注水量(渗透性)等矿压显现的观测时序， 进行 Lyapunov 指数的提取，并对其混沌性态进行了研究，表明用渗透性指标描述煤层底板变形破坏特征要比岩移量指标更敏感。邱秀梅利用重整化群方法研究了断层单元体破裂的随机性和关联性。在此基础上，对断层导水裂隙的扩展规律进行了分析。陈佩佩、武强利用非线性人工神经网络（ANN）与地理信息系统（GIS）耦合技术， 建立了煤层底板突水危险性评价的非线性模型，研究结果表明，ANN 与 GIS 耦合技术对煤层底板突水预测具有重要的实用价值。廖巍、靳德武、黄国明、王连国、姜成志提出并分析了基于小波神经网络的煤层底板突水预测模型及算法，通过实例证明，应用小波神经网络解决煤层底板突水预测的可行性和优越性。（9）突水概率指数法施龙青基于大量的采场底板突水案例分析，找出导致煤矿底板突水的主要因素，根据各种因素在底板突水中所起的作用大小，利用概率统计法及专家经验法确定各种因素在底板突水中所占的权重，建立计算突水概率指数的数学模型；将模型应用到已有的突水案例中，计算出各个突水案例的突水概率指数；再用概率统计的方法，预测某种突水概率指数下突水的可能性及突水程度。突水概率指数法是一种结合现场实际来预测采场底板突水的一种新方法，它不仅考虑多种因素对突水的综合影响，而且能够反映研究区的突水规律。经过计算机程序化后，现场可操作性强，且十分方便。然而，应用该方法的前提条件是对研究区的地层、构造及水文特征要有足够的认识和研究；还要有大量的突水资料。（10）煤层底板突水的流固耦合理论近年来，耦合现象和问题不断的受到工程师和力学家的重视。处于同一个系统中的任 何两个或两个以上的物体都是相互作用和彼此影响的，这就是耦合现象和问题。例如建筑 工程中高层结构同风的作用；航天、海洋、铁路工程的高速运输系统等；地下岩体的变形 和流体也存在相互作用。流固耦合力学是流体力学与固体力学二者相互交叉渗透而形成的。它的研究对象是固体在流场作用下的各种行为以及固体变形或运动对流场的影响。流固耦 合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用：固体在流体动载荷作用下产生变形或运动， 而固体的变形或运动又反过来影响流场，从而改变流体载荷的分布和大小。地下流固耦合理论是渗流力学与固体力学交叉而生成的力学分支，它是研究地质环境中流体（水、气、油）与岩体相互作用的一门科学。地下流固耦合理论涉及固体力学、渗流力学、构造地质地球物理、岩石力学、地下工程等学科，其研究与应用已涉及到了水利水电工程的渗流与控制、水库诱发地震、有害核废料处理、煤矿瓦斯泄漏、石油与热能开发及地下水资源的利用等领域。煤层底板突水问题是在特定的地质结构、地下水、原岩应力及采掘作用下发生的一项岩石水力学问题，而不仅仅是单纯的水文地质问题。因此，解决煤层底板突水问题应在考虑原岩应力、地质构造、地下水、采动影响等因素基础上，从流固耦合的角度出发，研究包含底板岩体在内的采场岩体系统的变形与破坏，将会给底板突水的研究带来更为吻合实际的解答。5 矿井突水探测技术研究现状煤矿防治水的首要任务是查清导水通道、充水水源和水力补给等矿井水文地质条件。因此，首先必须对矿井的水文地质条件进行勘探。目前矿井采区水文地质条件勘探技术方法主要有：（1）井巷地质、水文地质条件写实分析：包括矿井构造与裂隙测量、地质统计与地质作图，井下突水点水量、水压、水温、水化学组成及其动态变化规律的观测与分析，矿压及其他动力现象的观测与分析。（2）井巷化学勘探技术：主要包括井下突水水源连通（示踪）试验技术与方法、环境同位素技术与方法、水文地球化学模拟技术与方法等。（3）矿井地球物理勘探方法：该技术主要是充分利用井巷工程更加靠近地质和水文地质体的特点，在井下进行不同岩土体组分的物性差异、电性差异、磁性差异、传播性差异等的勘探和研究。主要包括有：钻孔与明渠微流速测定技术与方法、工作面顶底板音频电透视技术方法、井下直流电法技术与方法、井下钻孔照相与窥视技术与方法、瑞利波超前探测技术与方法、工作面坑透技术与方法、地震勘探技术与方法、雷达超前探测技术与方法。（4）专门水文地质试验：主要包括单孔或群孔抽水试验、放水试验与方法、疏水降压、地下水位动态和水压动态监测、钻孔压水试验和压浆试验、钻孔原位应力与采动应力测试、对采空区水文地条件质的探测，目前，国内外主要是以采矿情况调查、工程钻探、地球物理勘探为主，辅以变形观测、水文试验等。其中，美国等西方发达国家以物探方法为主，而我国目前以钻探为主，物探为辅。在美国，电法、电磁法、微重力法、地震法等都有很高的水平。其中，高密度电阻率法、高分辨率地震勘探技术尤为突出，且近年来在地震 CT 技术方面也发展迅速。日本的工程物探技术在国外同行业中处于领先地位，应用最广泛的是地震波法，此外，电法、电磁法及地球物理测井等方法也应用得比较多，特别是日本 VIC 公司 80 年代开发研制的GR-810型佐藤式全自动地下勘察机，在采空区、岩溶等空洞探测中效果良好，且后续推出的一系列产品都处于国际领先水平。欧洲国家工程物探技术也较全面，在采空区的探测上，俄罗斯多采用电法、瞬变电磁法、地震反射波法、井间电磁波透射、射气测量技术等，英、法等国家以地质雷达方法应用较好，微重力法、浅层地震法也有使用。国内近年来在利用地球物理勘探技术查明地下采空区方面作了大量的工作，发展了多种方法，有些技术甚至超过了国际水平，如瞬态瑞利波法、地质雷达、弹性波 CT、超声成像测井等。随着我国物探技术测量精度和信息处理速度的提高，工程物探越来越成为探明地下采空区的一项重要的有力勘探手段。在上述各种勘探技术中，三维地震探测技术主要提供煤系地层的弹性参数，是目前从地面对地质构造进行高分辨探测的最有效的物理勘探技术，是水文地质条件分析的前提条件之一。电磁法类勘探技术用以测量地下地质体中的电性分布规律，该法对地层电性参数的获取是三维地震探测方法所不能的。包括：瞬变电磁探测技术（适用于解决埋深较大且间距较近的多个不同含水层间导水通道的探查）、磁偶原探测技术（适用于在沙丘、戈壁、风化基岩、干旱黄土等地表高阻条件，对埋深 300m 以浅地层的分层定厚探测）、直流电阻率法探测技术（该方法对中浅埋地层中含水体的探测精度较高，高密度直流电法和高分辨自动电阻率法在探查 200m 以浅地层的导含水性和 100m 以浅的地下洞穴、采空区效果较好）综合勘探技术、音频电穿透技术、井下直流电法勘探技术（该法可有效探测煤层底板隔水层厚度、承压水的导升高度和潜在的突水点）、地面直流电法勘探技术、井下岩体原位应力测试技术、工程 CT 技术（包括弹性波 CT、电磁波 CT、电阻率 CT 三大类）等。鉴于岩层含水性与电阻率的敏感性，目前用于煤矿防治水探测工作的矿井物探方法还是以矿井电法为主，下面主要介绍矿井电法的现状及研究动态。（1）矿井电阻率法研究现状矿井直流电法是矿井地球物理勘探的重要分支方法。它以岩石导电性差异为基础，通过测量和分析巷道或采场附近稳定电流场的分布变化规律来研究矿井地质问题。由于断裂构造、岩石孔隙度、水含量和矿化度、外界压力、温度等对岩石导电性影响很大，因此矿井直流电法在采区构造探测和矿井突水、瓦斯突出、冲击矿压等地质灾害的预测预报中具有良好的应用前景。以矿井突水预测为例，中国矿业大学在实践中形成了以矿井直流电法 勘探为主，辅以矿井高分辨地震勘探、无线电波透视法、井下微重力测量、放射性测量和红外测温等技术的综合物探技术体系，在调查矿井水补给源、导水通道和隔水层稳定性及其厚度大小等方面已取得较好的应用效果。以俄罗斯、乌克兰为代表的前苏联国家在 1986 年颁布了矿井直流电法勘探规范，具体规定了矿井对称四极和三极电测深法、矿井电剖面法和巷道间直流电透视法以及点源梯度法的施工方法与技术。在应用方面，独联体国家采用矿井电法解决与煤矿安全、生产有关的多种地质问题，包括煤层小构造探测、矿井水文地质条件调查，煤层界面起伏和煤层尖灭、冲刷带探测，顶板稳定性评价，以及矿压监测、岩煤突出预报、巷道变形监测等。匈牙利重工业技术大学 J. Csokas 等重点研究了用于探测高阻煤层内小构造的直流层测深技术，在探测煤层含水构造、圈定煤层变薄区等方面取得成功经验，匈牙 EotvosLorand 地球物理研究所采用孔孔、孔地面电透视法和巷道电剖面法寻找金属矿脉，开展了一系列技术研究工作。1990 年以来，俄罗斯国立莫斯科大学为探测低阻无烟煤层中的小构造，开展了井下矢量电阻率法的研究工作，为判定低阻煤层内地电异常体的空间位置探索了一条有效途径，并在非接触式电法测量技术、总场测深技术(TES)、电各向异性特征研究等方面做了许多工作。国内，煤炭部地勘司于 1958 年在京西矿区万佛堂平硐首次进行了井下电法试验，1970年前后矿井直流电法勘探的应用与研究工作中断。直到 1986 年，由于矿井突水问题日趋严重，煤科总院西安分院、唐山分院，淮北矿务局、峰峰矿务局、河北煤研所、邯郸矿务局、中国矿业大学等才逐步恢复矿井电法的研究工作。煤科总院重庆分院左德坤翻译发表了一些反映国外矿井电法新进展的文章；中国矿业大学在淮北、徐州、兖州、峰峰、大屯等矿区，煤科总院西安分院在焦作、肥城及西部矿区，河北煤研所、唐山煤科分院在邯郸、邢台、开滦等矿区，地矿部岩溶地质研究所在我国南方煤矿都进行了一系列井下技术试验工作，各单位积累了探测、评价煤层底板突水条件的实际工作经验。河北煤研所、邯郸矿务局、煤科总院西安分院和中国矿业大学等单位