底板承压水下采煤.pptx

报告内容1 中国煤矿区水害及其防治概述2 采煤工作面底板应力与位移规律及底板岩体破坏特征3 底板岩体变形及破坏后的渗流特征及突水预测预报4 底板突水的防治技术 1 1 中国煤矿区水害及其防治概述中国煤矿区水害及其防治概述1.1 1.1 报告背景报告背景 我国已开发煤田中华北型煤田占我国已开发煤田中华北型煤田占38%38%，华南型煤田占，华南型煤田占30%30%，华北，华北-东蒙煤田占东蒙煤田占28%28%。华北型煤田太原组煤系受底部巨厚。华北型煤田太原组煤系受底部巨厚层奥陶系灰岩强岩溶含水层的威胁，受威胁层奥陶系灰岩强岩溶含水层的威胁，受威胁储量占总储量的储量占总储量的50%50%以上。华南型煤田龙潭煤系底部受茅口灰岩强岩溶含水以上。华南型煤田龙潭煤系底部受茅口灰岩强岩溶含水层的威胁。层的威胁。8080年代后，随着开采深度的延伸，底板突水日益年代后，随着开采深度的延伸，底板突水日益严重，近严重，近1010年来，由于开采深度加大后造成的煤矿底板突水年来，由于开采深度加大后造成的煤矿底板突水灾害直接经济损失近灾害直接经济损失近3030亿元。如果不能解放这些受水害威胁亿元。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门的危险。因此，开采前认真研究煤层底板岩体破迫提前关门的危险。因此，开采前认真研究煤层底板岩体破坏突水规律，进行必要的物探工作，对于实现煤矿安全生产，坏突水规律，进行必要的物探工作，对于实现煤矿安全生产，防治煤层底板突水具有十分重要的理论意义和现实意义。防治煤层底板突水具有十分重要的理论意义和现实意义。1.2 我国煤矿区主要受三类水害的威胁。（1）巨厚强含水冲积层对其下伏煤层开采的威胁。（2）具有强含水层或地表水体补给的太原群岩溶灰岩含水层，对其上下煤层的威胁。（3）厚层灰岩岩溶强含水层对其上覆煤层开采的威胁。防治前两类水害的煤层开采技术，已有一套比较完整及成熟的经验，而治理后一类水害，尚缺乏经验。1.3 国内外的研究动态国内外的研究动态 我国煤炭科技工作者在与底板水长期的斗争中，进行了大量的研究工作，并初步形成了如下几种突水预测方法：(1)突水系数方法我国学者早在1964年就开始了底板突水规律的研究，采用突水系数作为预测预报底板突水与否的标准。突水系数就是单位隔水层所能承受的极限水压值，即:式中，Ts为突水系数;p为含水层水压MPa;h为隔水层厚度m。(2)岩-水应力关系法 岩一水应力关系法从物理和应力概念出发,认为造成底板突水需具备两个条件:存在导水破裂带。无论是地质构造作用还是采掘引起的岩体破坏，只要使底板隔水层破坏至一定深度，且与下部导升高度相通或波及到下部含水层，就具备了突水的必要条件。水压与应力关系。当承压水压力大于或等于水平最小主应力时，才会具备突水的充分条件。岩一水应力关系法建立的突水临界指数为:式中，为作用于底板上的承压水压力，MPa;为水平最小主应力，MPa。当指数I1时，底板发生突水。(3)“(3)“下三带下三带”理论理论 根据部分现场实测资料和实验研究成果，李白根据部分现场实测资料和实验研究成果，李白英等提出了英等提出了“下三带下三带”理论。该理论认为开采煤层理论。该理论认为开采煤层底板也像采动覆岩一样，由上至下存在着底板也像采动覆岩一样，由上至下存在着“三带三带”，即上部为底板采动裂隙带，中部为完整岩层隔水，即上部为底板采动裂隙带，中部为完整岩层隔水带和下部为承压水导升裂隙带。其中完整岩层隔水带和下部为承压水导升裂隙带。其中完整岩层隔水带对阻隔底板突水起着主要的保护作用。带对阻隔底板突水起着主要的保护作用。“下三带下三带”理论认为，底板突水机理不仅是底板在水压力作理论认为，底板突水机理不仅是底板在水压力作用下由于底板强度低于水压力的失稳现象，而且也用下由于底板强度低于水压力的失稳现象，而且也是由于底板含水带在水压力和矿山压力共同作用下是由于底板含水带在水压力和矿山压力共同作用下产生了升高所致。当底板含水带与底板采动裂隙带产生了升高所致。当底板含水带与底板采动裂隙带沟通时，就会发生底板突水事故。沟通时，就会发生底板突水事故。(4)(4)原位张裂与零位破坏理论原位张裂与零位破坏理论 王作宇等提出了底板移动的原位张裂和零位破坏理论。王作宇等提出了底板移动的原位张裂和零位破坏理论。该理论认为在岩体自重力和下部水压力的耦合作用下，使其该理论认为在岩体自重力和下部水压力的耦合作用下，使其超前压力压缩段岩体整个结构呈现上半部受水平挤压，下半超前压力压缩段岩体整个结构呈现上半部受水平挤压，下半部受水平张力的状态，因而在其中部附近的底面上的原岩节部受水平张力的状态，因而在其中部附近的底面上的原岩节理、裂隙等不连续面就产生岩体的原位张裂。研究者认为，理、裂隙等不连续面就产生岩体的原位张裂。研究者认为，底板结构岩体由超前压力压缩段的过渡引起其结构状态的质底板结构岩体由超前压力压缩段的过渡引起其结构状态的质变，处于压缩的岩体应力急剧增压，围岩的贮存能大于岩体变，处于压缩的岩体应力急剧增压，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采场支承压力是引起底板产生破并且认为顶板自重应力场的采场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基本条件，底板岩体的内摩擦角是影响零位破坏的坏深度的基本条件，底板岩体的内摩擦角是影响零位破坏的基本因素。基本因素。(5)(5)板模型理论板模型理论 刘天泉、张金才等提出了底板岩层由采动导水刘天泉、张金才等提出了底板岩层由采动导水裂隙带和底板隔水带组成的概念，并采用半无限体裂隙带和底板隔水带组成的概念，并采用半无限体一定长度上受均匀竖向载荷的弹性解，结合一定长度上受均匀竖向载荷的弹性解，结合CoulmobCoulmob一一MohrMohr强度理论强度理论GriffithGriffith强度理论分别求得了底板强度理论分别求得了底板受采动影响的最大破坏深度。将底板隔水带看作四受采动影响的最大破坏深度。将底板隔水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。基准的预测底板所能承受的极限水压力的计算公式。(6)(6)关键层理论关键层理论 钱鸣高、黎良杰等根据底板岩体的层状结构特征，建立钱鸣高、黎良杰等根据底板岩体的层状结构特征，建立了采场底板突水机理的关键层理论。该理论提出在底板岩层了采场底板突水机理的关键层理论。该理论提出在底板岩层中找出一层强度最高的岩层作为底板关键层，将这一关键层中找出一层强度最高的岩层作为底板关键层，将这一关键层看作薄板，很好地满足了薄板理论的基本要求。由于底板关看作薄板，很好地满足了薄板理论的基本要求。由于底板关键层强度最高，因此，当其达到极限破断步距时，煤层至含键层强度最高，因此，当其达到极限破断步距时，煤层至含水层之间的其它岩层均早已达到极限破断步距。这样，对底水层之间的其它岩层均早已达到极限破断步距。这样，对底板突水机理的研究，就转化为板突水机理的研究，就转化为:在无断层构造条件下，底板在无断层构造条件下，底板关键层破断机制的研究关键层破断机制的研究;当有断层切割时，对断层两盘关键当有断层切割时，对断层两盘关键层破断机制与承压水对关键层的张开或断层重新活化与承压层破断机制与承压水对关键层的张开或断层重新活化与承压水在断层带中渗透冲刷的研究水在断层带中渗透冲刷的研究 。(7)(7)渗流耦合方面渗流耦合方面 刘天泉针对煤层开采后岩体的破坏及渗流问题进行了系刘天泉针对煤层开采后岩体的破坏及渗流问题进行了系统的试验与研究，等人提出了岩体渗流场与应力场耦合的集统的试验与研究，等人提出了岩体渗流场与应力场耦合的集中模型和裂隙网络模型；张金才研究了煤层开采后底板岩体中模型和裂隙网络模型；张金才研究了煤层开采后底板岩体的破坏、渗流及突水规律，张金才、张玉卓还研究了裂隙岩的破坏、渗流及突水规律，张金才、张玉卓还研究了裂隙岩体渗流与应力的耦合机理。体渗流与应力的耦合机理。（8 8）前苏联学者）前苏联学者B.B.斯列萨列夫提出了固定梁的概念，首先斯列萨列夫提出了固定梁的概念，首先对煤层底板的岩体进行了理论分析。对煤层底板的岩体进行了理论分析。5050年代后，国外用现场年代后，国外用现场和实验室相结合的方法研究了隔水层的作用。前苏联和南斯和实验室相结合的方法研究了隔水层的作用。前苏联和南斯拉夫等国的学者也开始研究采空区引起的应力变化对相对隔拉夫等国的学者也开始研究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。水层厚度的影响，以及水流和岩石结构关系等。7070年代至年代至8080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。时研究了底板的破坏机理。C.F.SantosC.F.Santos、Z.T.BieniawskiZ.T.Bieniawski等等人基于改进的人基于改进的HoekHoekBrownBrown岩体强度准则，并引入临界能量岩体强度准则，并引入临界能量释放点的概念和取决于岩石性质和承受破坏应力前岩石已破释放点的概念和取决于岩石性质和承受破坏应力前岩石已破裂的程度与岩体指标裂的程度与岩体指标RMRRMR相关的无量纲常量相关的无量纲常量M.sM.s，分析了底板，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。在此期间，前苏联矿山地质力学和测量科学研究院突价值。在此期间，前苏联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。破传统线性关系，指出导水裂隙和采厚呈平方根关系。1.4 1.4 存在的问题存在的问题 矿区突水与各影响因素之间存在非线性关系矿区突水与各影响因素之间存在非线性关系,有有些地区各种因素的组合可能促进突水发生些地区各种因素的组合可能促进突水发生,而在另一而在另一种条件下也可能抑制突水事件的发生。因而不能准种条件下也可能抑制突水事件的发生。因而不能准确地建立矿区地质及水文地质预测模型确地建立矿区地质及水文地质预测模型,更不能确切更不能确切地对隔水岩体、承压含水层、地应力、采动影响、地对隔水岩体、承压含水层、地应力、采动影响、岩体内部构造等影响因素进行量化打分岩体内部构造等影响因素进行量化打分,通过数学与通过数学与计算机模型也不能达到满意的预测效果。因此计算机模型也不能达到满意的预测效果。因此,任何任何一种单一的方法都难以做到对矿井突水的准确预报。一种单一的方法都难以做到对矿井突水的准确预报。在突水发生的条件和预测、预报方面在突水发生的条件和预测、预报方面,学者们做了大学者们做了大量工作量工作,提出了许多理论提出了许多理论,但真正实用的、行之有效但真正实用的、行之有效的预测、预报理论尚未完全实现。的预测、预报理论尚未完全实现。(1)(1)突水系数法评价突水系数法评价 突水系数法因写入相关规程而被现场广泛应用。突水系数法因写入相关规程而被现场广泛应用。由于不同矿区由于不同矿区(井井),),甚至同一矿井的不同地段地质条甚至同一矿井的不同地段地质条件及水文地质条件的差异件及水文地质条件的差异,临界突水系数有时变化很临界突水系数有时变化很大大,在实践中不宜掌握在实践中不宜掌握,过于保守过于保守,会影响资源的合理会影响资源的合理回收。该方法只考虑了底板隔水层厚度、承压水头回收。该方法只考虑了底板隔水层厚度、承压水头压力和底板破坏深度等因素压力和底板破坏深度等因素,并且突水系数是经验统并且突水系数是经验统计值计值,因此机械地应用突水系数评价底板突水危险性因此机械地应用突水系数评价底板突水危险性,准确率很难把握。准确率很难把握。(2)“(2)“下三带理论下三带理论”评价评价 “下三带理论下三带理论”用于安全开采论证较为有效用于安全开采论证较为有效,但对突水预但对突水预测测,则存在与突水系数同样的缺陷。突水概率指数方法也是则存在与突水系数同样的缺陷。突水概率指数方法也是需要大量突水资料需要大量突水资料,并且各种因素在底板突水中所起的作用并且各种因素在底板突水中所起的作用很难准确地进行量化很难准确地进行量化,这些突水预测预报理论都没有从根本这些突水预测预报理论都没有从根本上解决突水预报的可靠性问题上解决突水预报的可靠性问题,其理论待于完善。其理论待于完善。目前，学者们针对采场煤层及顶板性质对底板破坏的影目前，学者们针对采场煤层及顶板性质对底板破坏的影响问题考虑的很少响问题考虑的很少,还有待于进一步分析研究。比如还有待于进一步分析研究。比如”三软三软”煤层条件下底板的变形破坏特征煤层条件下底板的变形破坏特征,与其他条件下底板的变与其他条件下底板的变形破坏相比是否存在特殊性形破坏相比是否存在特殊性,底板的变形破坏规律底板的变形破坏规律,裂隙演化裂隙演化情况等。宜采用多因素综合分析方法情况等。宜采用多因素综合分析方法,对底板水预测预报及对底板水预测预报及防治措施提供理论依据。防治措施提供理论依据。2 2 采煤工作面底板应力传递规律采煤工作面底板应力传递规律2.1 2.1 走向方向走向方向支承压力在底板岩体中的传递过程支承压力在底板岩体中的传递过程 长臂工作面周围支撑压力分布长臂工作面周围支撑压力分布 沿走向顶底板垂直应力等值线 目前，国内外对煤层顶底板应力规律的研究还很不够，一般靠有限元数值计算法和相似模拟试验来进行模拟底板的应力状态。德国学者雅可比将煤层底板岩体视为均质的弹性体进行有限元模拟计算，得出了垂直应力分布图。煤体下方为增压区，采空区下方为卸压区。在工作面前方底板岩体中出现应力集中，随深度增加集中系数减小，在70m处趋于原岩应力。集中应力影响工作面前方80m。煤层下等应力线呈扁圆形。轴线斜向工作面前方。采空区上覆岩层由工作面前后和侧向煤柱承担，出现卸压区。采空区等应力线也呈椭圆形，轴线倾于采空区。在开切眼附近顶底板垂直应力在开切眼附近顶底板垂直应力最大，说明开切眼处岩层更容易变形开裂。随着采厚最大，说明开切眼处岩层更容易变形开裂。随着采厚增加。支承压力峰值及分布范围大。增加。支承压力峰值及分布范围大。沿倾向底板垂直应力等值线沿倾向底板垂直应力等值线2.2 倾向方向支承压力在底板岩体中的传递过程在工作面两侧煤体下方的垂直应力等值线呈椭圆形分布。煤体下方岩体的应力集中显著，在工作面下侧煤体下部，岩体的应力集中程度略高于工作面侧，并且影响范围也略大。可以看出，卸压区(等应力线小于1的范围)的上部边界并不在煤壁与采空区交接处而是深入到煤层内5m左右，即底板岩体卸压区的范围大于采空区的范围。沿倾斜方向底板岩体的卸压角上侧为78，下侧为79。卸压区的划分并不是过煤壁垂直于煤层的直线，而是深入煤层且倾向采空区的曲线。(1)位于煤柱区的煤层底板，随着工作面的开采，应力一直处于增加的状态下。通常认为，在上方被采空煤层的采区巷道中，支承压力强度与上部煤层留下的煤柱宽度成反比。研究证明，这种认识还不全面。在这些煤柱宽度减小到一定数值以后，其影响也开始减小。(2)位于煤控边缘区(切眼处)的底板，随着工作面的开采，底板在煤柱边缘区总是处于卸压状态。当工作面采至距切眼62m时，底板应力值最小。(3)位于正常状态下的煤层底板，经历采前应力升高，采后应力降低及逐渐恢复阶段。随着工作面的不断推进上述几个阶段交替出现。3 底板岩体位移变化规律 现场观测试验表明，在工作面开采前方岩体即产生位移，随着工作面推进位移量逐渐增大。在工作面开采的前方底板受到压缩而产生压缩位移，在工作面后方，即采空区一侧，底板发生膨胀且其膨胀位移量随工作面推进而逐渐增大，即此阶段底板变形及破坏程度最大。底板岩体不同深度垂直位移实测结果底板岩体不同深度垂直位移实测结果（1）在开采方向上分为三个区：压缩区、膨胀区、恢复区。（2）底板岩体位移量随着距煤层法向距离的增大而减小，至底板以下17m17m时已观测不到位移量。时已观测不到位移量。（3）切眼处一直膨胀，原因：出现悬顶。达到极值后稳定。（4）随着工作面的远离及采空区冒落歼石的逐渐压实、底板位移是逐渐减小，但不能完全恢复到初始值。水平位移与垂直位移变化一致。正常回采阶段采动影响的空间正常回采阶段采动影响的空间时间关系时间关系 4 底板岩体破坏特征4.1 4.1 岩体破坏的塑性解岩体破坏的塑性解(1)(1)底板岩体最大破坏深度：底板岩体最大破坏深度：x xa a：煤层屈服区长度：煤层屈服区长度（2 2）（3 3）（4 4）煤层屈服区长度计算）煤层屈服区长度计算4.2 4.2 煤层底板岩体破坏带分布形态煤层底板岩体破坏带分布形态 (1)(1)理论研究及实测资料表明，煤层回采后顶板以冒落角向理论研究及实测资料表明，煤层回采后顶板以冒落角向上冒落，最终结果是顶板中部冒落的比较充分，采空区在中部上冒落，最终结果是顶板中部冒落的比较充分，采空区在中部充填的较密实；而在采空区两侧顶板冒落的最不充分、充填的充填的较密实；而在采空区两侧顶板冒落的最不充分、充填的也不实，其结果将造成煤层底板在采空区两侧的自由空间大，也不实，其结果将造成煤层底板在采空区两侧的自由空间大，从而此处的底板岩体能够充分地膨胀，产生更多的采动裂隙。从而此处的底板岩体能够充分地膨胀，产生更多的采动裂隙。所以，对于近水平煤层，沿倾斜方向底板破坏带的深度应该是所以，对于近水平煤层，沿倾斜方向底板破坏带的深度应该是采空区中间部位较两侧的小。采空区中间部位较两侧的小。(2)(2)根据现场钻孔注水试验测试结果，在走向长壁工作面沿根据现场钻孔注水试验测试结果，在走向长壁工作面沿推进方向剖面上，工作面煤壁附近的底板破坏带深度较大，向推进方向剖面上，工作面煤壁附近的底板破坏带深度较大，向采空区方向，采动破坏带深度小。采空区方向，采动破坏带深度小。（3 3）从受力角度分析，对缓倾斜及倾斜煤层，在下出口附近煤层底）从受力角度分析，对缓倾斜及倾斜煤层，在下出口附近煤层底板承受的集中应力大于上出口附近的集中应力，并且底板所承受的水压板承受的集中应力大于上出口附近的集中应力，并且底板所承受的水压力也是下出口附近的较大。所以，煤层底板在下出口附近裂隙较发育。力也是下出口附近的较大。所以，煤层底板在下出口附近裂隙较发育。当然，由于煤层的倾斜，冒落在采空区的岩石将向底板下部滑移造成当然，由于煤层的倾斜，冒落在采空区的岩石将向底板下部滑移造成果空区下部充填的较实一些，但由于倾角不太大，冒落的岩石滑移起不果空区下部充填的较实一些，但由于倾角不太大，冒落的岩石滑移起不了主要的作用。然而，对于急倾斜煤层，冒落在呆空区的岩石在自重的了主要的作用。然而，对于急倾斜煤层，冒落在呆空区的岩石在自重的作用下向采空区下部滑移，造成果空区下部充填的很实限制了下部底作用下向采空区下部滑移，造成果空区下部充填的很实限制了下部底板的膨胀及裂隙的形成，从而底板上部的采动板的膨胀及裂隙的形成，从而底板上部的采动裂隙较发育。另外当煤裂隙较发育。另外当煤层倾角很大时，采空区底板上部岩层将同顶板一样，发生破坏向来空区层倾角很大时，采空区底板上部岩层将同顶板一样，发生破坏向来空区滑落，所以，对于急倾斜煤层，尤其是当倾角很大时，底板破坏带深度滑落，所以，对于急倾斜煤层，尤其是当倾角很大时，底板破坏带深度在上出口附近较大。在上出口附近较大。4.3 4.3 非圆形巷道底板破坏带分布形态非圆形巷道底板破坏带分布形态 非圆形巷道应力计算的解析解很难得到，但通非圆形巷道应力计算的解析解很难得到，但通过数值计算及模拟实验可以得出不同形状巷道周围过数值计算及模拟实验可以得出不同形状巷道周围的应力分布规律。下图为模拟实验得出的矩形巷道的应力分布规律。下图为模拟实验得出的矩形巷道的最大最小应力等值线，图中的虚线为拉应力。因的最大最小应力等值线，图中的虚线为拉应力。因为岩石的抗拉能力很低，一般假设为其出现拉应力为岩石的抗拉能力很低，一般假设为其出现拉应力的区域即是塑性破坏区域。从而可知，矩形巷道底的区域即是塑性破坏区域。从而可知，矩形巷道底板塑性破坏带的深度为板塑性破坏带的深度为“w”w”型，即底板两侧边缘下型，即底板两侧边缘下部附近破坏深度大，而底板中部破坏深度小。部附近破坏深度大，而底板中部破坏深度小。根据李金才的研究，由塑性滑移线场理论可以求得巷道底板塑性破坏带根据李金才的研究，由塑性滑移线场理论可以求得巷道底板塑性破坏带的最大深度：的最大深度：布什曼从很多模型中得到，巷道底板最大破坏带深度与巷道宽度有关，一般巷道底板最大破坏带深度为：5 底板岩体破坏后的渗流特征 岩体是由各方位的多条裂隙切割的岩块组成水力特征由两部分组成：一是岩块内的孔隙或称微裂隙，其分布极不均匀且具有微透水性。二是岩块之间的节理裂隙，受多期地质构造的影响，加上开采扰动影响，裂隙具有非常复杂的性质。但受生成原因的控制裂隙一般成组分布，每组裂隙有相对稳定的状，多组裂隙交叉而组成裂隙岩体网络系统。对于大多数岩体而言，裂隙网络的透水性远大于岩块的透水性，以致于工程中往往忽略岩块的透水性。而不会产生大的偏差。研究结果表明、不仅土壤类的孔隙介质服从达西定律，而且均匀的岩体裂隙甚至岩溶裂隙中的渗流也服从达西定律，这已被大量的野外实验所证实。20世纪30年代人们注意到地下水的不稳定流动和承压含水层的储水性质，考虑岩层的贮水性质及水头随时间的变化，Jacob(1940)根据热传导理论建立了地下水渗流运动的基本微分方程:野外与室内实验研究表明、孔隙压力变化要引起有效应力变化，显野外与室内实验研究表明、孔隙压力变化要引起有效应力变化，显著地改变裂隙的张开度、流速和流体压力在裂隙中的分布。实验结果表著地改变裂隙的张开度、流速和流体压力在裂隙中的分布。实验结果表明，裂隙水遏量随裂隙正应力增加而降低很快。进一步研究还发现，应明，裂隙水遏量随裂隙正应力增加而降低很快。进一步研究还发现，应力力渗透曲线具有滞回现象，即随着加载渗透曲线具有滞回现象，即随着加载卸载次数的增加，裂隙渗透卸载次数的增加，裂隙渗透能力降低，经三四个循环后、应力能力降低，经三四个循环后、应力渗透曲线基本趋于稳定。许多学者渗透曲线基本趋于稳定。许多学者提出了经验公式以描述渗透性随正应力的变化，提出了经验公式以描述渗透性随正应力的变化，Snow(1966)Snow(1966)给出的公式给出的公式为；为；5.1 5.1 水压力对岩体的破坏作用水压力对岩体的破坏作用 水在裂隙岩体内的渗流过程中，不仅作为流体介质冲刷水在裂隙岩体内的渗流过程中，不仅作为流体介质冲刷裂隙中的充填物，造成裂隙宽度增加，而且其还作为一种力裂隙中的充填物，造成裂隙宽度增加，而且其还作为一种力对岩体产生破坏作用，影响岩体的稳定程度。地下水对岩体对岩体产生破坏作用，影响岩体的稳定程度。地下水对岩体的破坏主要表现在两个方面：一是对软弱岩石及结构面的物的破坏主要表现在两个方面：一是对软弱岩石及结构面的物理化学作用减弱岩体的物理力学性质，例如，使软岩产生理化学作用减弱岩体的物理力学性质，例如，使软岩产生膨胀变形，造成风化岩石泥比对岩石产生软化作用；二是膨胀变形，造成风化岩石泥比对岩石产生软化作用；二是地下水作为一种力，对岩体产生挤压破坏、对岩体中的裂隙地下水作为一种力，对岩体产生挤压破坏、对岩体中的裂隙产生扩展劈裂破坏。产生扩展劈裂破坏。水压力作用下的裂隙力学模型水压力作用下的裂隙力学模型（1 1）水压力对岩体裂隙的劈裂破坏水压力对岩体裂隙的劈裂破坏 以单一裂隙为研究对象，在裂隙的内侧作用有水压力以单一裂隙为研究对象，在裂隙的内侧作用有水压力p p，裂隙远方作用着，裂隙远方作用着围岩应力隙长度为围岩应力隙长度为2a2a。此问题可采用。此问题可采用DugdaleDugdale模型求解。可以看出、水压造成模型求解。可以看出、水压造成裂隙劈裂长度随着裂隙长度的增加而线性增加，随着水压力的增加而增大。当裂隙劈裂长度随着裂隙长度的增加而线性增加，随着水压力的增加而增大。当围岩处于拉应力状态时有利干裂隙的扩展，而当围岩处于压应力状态时，水围岩处于拉应力状态时有利干裂隙的扩展，而当围岩处于压应力状态时，水压必须克服围岩压力及岩体强度后裂隙才能扩展破裂，这对于石油开采及煤层压必须克服围岩压力及岩体强度后裂隙才能扩展破裂，这对于石油开采及煤层气的开发中的水压致裂的水压力设计有指导意义。气的开发中的水压致裂的水压力设计有指导意义。（2 2）水压力对岩体裂隙的挤入破坏）水压力对岩体裂隙的挤入破坏 如果当水压力降到如果当水压力降到0.098MPa(10.098MPa(1个大气压个大气压)时，认为裂缝不再继续扩展，时，认为裂缝不再继续扩展，如果取裂缝面的粗糙系数如果取裂缝面的粗糙系数K=0.1K=0.1，缝宽，缝宽B B1mm1mm，初始水压力，初始水压力5MPa5MPa，则由，则由式得式得x x39393mm3mm。从计算结果可以看出，单凭水压力的作用挤入岩体而产。从计算结果可以看出，单凭水压力的作用挤入岩体而产生的裂缝深度是很小的，水沿完整岩体的导升是很有限的。而当岩体中存生的裂缝深度是很小的，水沿完整岩体的导升是很有限的。而当岩体中存在有构造裂隙且当裂隙宽度较大时，或开采后形成导水裂隙时则承压水在有构造裂隙且当裂隙宽度较大时，或开采后形成导水裂隙时则承压水沿裂隙挤入岩层的深度将十分可观。沿裂隙挤入岩层的深度将十分可观。（3 3）水对岩体强度的影响水对岩体强度的影响 水对岩石强度的降低也可以通过静水压力对岩石产生的水对岩石强度的降低也可以通过静水压力对岩石产生的有效应力进行解释。可以看出，正常条件下不会发生破坏的有效应力进行解释。可以看出，正常条件下不会发生破坏的岩石，有水压作用时发生了破坏。岩石，有水压作用时发生了破坏。6 6 突水机理分析突水机理分析6.1 6.1 影响煤层底板突水的主要因素影响煤层底板突水的主要因素（1 1）地质构造）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。通过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。通过对峰峰、焦作、淄博及肥城四个矿区对峰峰、焦作、淄博及肥城四个矿区163163个底板突水工作面的统计可知，个底板突水工作面的统计可知，地质构造引起的突水事故占地质构造引起的突水事故占67675 5。井径矿区的统计结果表明，直接沿。井径矿区的统计结果表明，直接沿断层发生突水的占断层发生突水的占7474，沿断层影响带发生突水的占，沿断层影响带发生突水的占2323。并非工作面遇到断层都发生突水。是否会发生突水，不并非工作面遇到断层都发生突水。是否会发生突水，不仅取决于断层的富水及导水性，而且还取决于断层与工作面仅取决于断层的富水及导水性，而且还取决于断层与工作面的位置关系。实践证明，当支承压力造成的采动裂隙与工作的位置关系。实践证明，当支承压力造成的采动裂隙与工作面中断层的走向重合或平行时，最容易发生底板夹水。当断面中断层的走向重合或平行时，最容易发生底板夹水。当断层的走向平行工作面时，底板发生突水与否决定于断层的倾层的走向平行工作面时，底板发生突水与否决定于断层的倾向与工作面的推进关系。如图向与工作面的推进关系。如图a a所示，工作面的推进方向与所示，工作面的推进方向与断层倾向相反时，煤层底板在矿压的作用下，易使断层面拉断层倾向相反时，煤层底板在矿压的作用下，易使断层面拉开，造成断层重新活动而突水。如图开，造成断层重新活动而突水。如图b b所示，工作面的推进所示，工作面的推进方向与断层倾向相同时，煤层底板在矿压的作用下，使断层方向与断层倾向相同时，煤层底板在矿压的作用下，使断层两盎紧密压在一起，从而断层不易重新活动。因此当工作面两盎紧密压在一起，从而断层不易重新活动。因此当工作面中有断层存在时，在回采设计上应使断层与工作面斜交；当中有断层存在时，在回采设计上应使断层与工作面斜交；当工作面平行于断层时，应使工作面的推进方向与断层的倾向工作面平行于断层时，应使工作面的推进方向与断层的倾向一致，这样可以减少突水事故的发生。一致，这样可以减少突水事故的发生。（2 2）矿山压力）矿山压力 除了采掘工作揭露充水或导水断层直接造成工作面直接突水外，大除了采掘工作揭露充水或导水断层直接造成工作面直接突水外，大多数的回采工作面底板突水都与矿山压力的活动有关。矿压对煤层底板多数的回采工作面底板突水都与矿山压力的活动有关。矿压对煤层底板突水起着触发及诱导作用，尤其煤层底板存在断裂构造时，这种作用更突水起着触发及诱导作用，尤其煤层底板存在断裂构造时，这种作用更加明显。现场实测及模拟实验资料表明，随着回采工作面的推进，处于加明显。现场实测及模拟实验资料表明，随着回采工作面的推进，处于煤壁前方的底板岩体煤壁前方的底板岩体,先受到支承压力的影响而被压缩，当支承压力值超先受到支承压力的影响而被压缩，当支承压力值超过底板岩层的极限强度时，在底板岩体中便出现塑性变形。当底板跨过过底板岩层的极限强度时，在底板岩体中便出现塑性变形。当底板跨过此区而进入采空区时、这部分岩体由于卸载将由压缩状态至入膨胀状态，此区而进入采空区时、这部分岩体由于卸载将由压缩状态至入膨胀状态，上部的直接底板在矿压及水压的作用下上部的直接底板在矿压及水压的作用下(主要是矿压主要是矿压)产生底鼓。由于组产生底鼓。由于组成底板的岩层每一层的厚度及力学性质不同在纵向上表现出不均匀性，成底板的岩层每一层的厚度及力学性质不同在纵向上表现出不均匀性，各层的挠度不同，这样在层与层之间就会产生一定的顺层裂隙。由于底各层的挠度不同，这样在层与层之间就会产生一定的顺层裂隙。由于底板岩层的膨胀鼓起，在每层的表面将会产生垂直于层面的张裂隙。底板板岩层的膨胀鼓起，在每层的表面将会产生垂直于层面的张裂隙。底板突水往往是发生在底板处于膨胀状态下。在工作面初次来压及第一次周突水往往是发生在底板处于膨胀状态下。在工作面初次来压及第一次周期来压时，最容易发生底板突水。当工作面推过期来压时，最容易发生底板突水。当工作面推过100 m100 m后后,没有特殊情况，没有特殊情况，一般发生突水的可能件很小。一般发生突水的可能件很小。（3 3）底板岩体特性）底板岩体特性 底板岩体的强度是突水的抑制因素，在其他条件一定的底板岩体的强度是突水的抑制因素，在其他条件一定的前提下，底板岩体强度越高，突水的几率越小。但是，在评前提下，底板岩体强度越高，突水的几率越小。但是，在评价底板岩体时，不仅要考虑其强度的高低，而且还要考虑其价底板岩体时，不仅要考虑其强度的高低，而且还要考虑其岩性及隔水能力。例如石灰岩及砂岩的抗压及抗拉强度都岩性及隔水能力。例如石灰岩及砂岩的抗压及抗拉强度都很高，但是，当它们裂隙发育时、则可成为良好的透水层，很高，但是，当它们裂隙发育时、则可成为良好的透水层，而泥岩及页岩，虽然其强度较低，但是其隔水能力较强，并而泥岩及页岩，虽然其强度较低，但是其隔水能力较强，并且，在采动过程中形成的采动裂隙经过一段时间后尚可以闭且，在采动过程中形成的采动裂隙经过一段时间后尚可以闭合，恢复其隔水从以上的分析知直接底板岩层的层序及岩合，恢复其隔水从以上的分析知直接底板岩层的层序及岩性的不同组合产生不同的离层裂隙性的不同组合产生不同的离层裂隙(或不产生离层裂隙或不产生离层裂隙)，因，因此，在评价底板岩层在矿压作用下的破坏程度及隔水性能时，此，在评价底板岩层在矿压作用下的破坏程度及隔水性能时，有必要首先查清底板岩层的力学性质及层与层之间的组合关有必要首先查清底板岩层的力学性质及层与层之间的组合关系。实际的底板岩层是由岩性各异、厚度不同的岩层组合而系。实际的底板岩层是由岩性各异、厚度不同的岩层组合而成的，对于具体问题要经过力学计算或数值分析进行具体研成的，对于具体问题要经过力学计算或数值分析进行具体研究。当底板最上部一层岩层很厚而且强度很大时，它将抑制究。当底板最上部一层岩层很厚而且强度很大时，它将抑制住下部岩层的上鼓，从而底板的上鼓量及离层裂隙将是最少住下部岩层的上鼓，从而底板的上鼓量及离层裂隙将是最少的这对承压水上安全开采十分有利。的这对承压水上安全开采十分有利。（4 4）工作面开采空间及开采方法）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斜长及采厚来衡的突水与否。开采空间的大小主要由工作面斜长及采厚来衡量。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越严重，突水的可能性也越大。在实际生产中的变形及破坏越严重，突水的可能性也越大。在实际生产中发现，在水压、隔水层厚度、岩性及构造条件基本一致时，发现，在水压、隔水层厚度、岩性及构造条件基本一致时，工作面倾斜长度大的容易发生突水。如淄博矿区夏庄矿的工作面倾斜长度大的容易发生突水。如淄博矿区夏庄矿的10021002工作面工作面(斜长斜长50m)50m)和和10811081工作面工作面(斜长斜长100 m)100 m)是斜长大是斜长大的工作面发生了底板突水。因此，在有突水危险的地区适当的工作面发生了底板突水。因此，在有突水危险的地区适当地减小工作面斜长可以防止突水事故的发生。同样采厚越大，地减小工作面斜长可以防止突水事故的发生。同样采厚越大，工作面周围支承压力越大，突水的可能性也越大。不同的采工作面周围支承压力越大，突水的可能性也越大。不同的采煤方法对工作面突水与否起着控制作用。采用矿压显现不剧煤方法对工作面突水与否起着控制作用。采用矿压显现不剧烈的采煤方法，可以减轻工作面底板的破坏程度，因此，有烈的采煤方法，可以减轻工作面底板的破坏程度，因此，有利于抑制突水的发生，实践证明，采用短壁工作面开采，条利于抑制突水的发生，实践证明，采用短壁工作面开采，条带开采或充填采空区，可以避免或减少突水事故的发生。带开采或充填采空区，可以避免或减少突水事故的发生。（5 5）石灰岩岩溶合水层富水性）石灰岩岩溶合水层富水性 位子煤系地层底部的石灰岩岩溶水，其水压的大小决定位子煤系地层底部的石灰岩岩溶水，其水压的大小决定着煤层底板是否会发生突水，而其富水程度则决定着突水后着煤层底板是否会发生突水，而其富水程度则决定着突水后水害的程度及对矿井威胁的大小。实践证明，煤层底板承压水害的程度及对矿井威胁的大小。实践证明，煤层底板承压水突入工作面的机会与灰岩岩溶的发育程度及富水性有着密水突入工作面的机会与灰岩岩溶的发育程度及富水性有着密切的关系。例如淄博矿区夏庄矿奥陶纪灰岩及徐家庄灰岩切的关系。例如淄博矿区夏庄矿奥陶纪灰岩及徐家庄灰岩含水体的水压相差无几，并且徐家庄灰岩位于奥陶纪灰岩上含水体的水压相差无几，并且徐家庄灰岩位于奥陶纪灰岩上部部2020一一25m25m，但是，由于徐家庄灰岩的岩溶发育不良、富水，但是，由于徐家庄灰岩的岩溶发育不良、富水差。在本矿的几十次突水记载中，徐家庄灰岩水造成的突水差。在本矿的几十次突水记载中，徐家庄灰岩水造成的突水次数很少。因此，在进行底板突水预测预防工中不应忽视对次数很少。因此，在进行底板突水预测预防工中不应忽视对灰岩本身灰岩本身(在华北地区则主要为奥陶纪灰岩在华北地区则主要为奥陶纪灰岩)岩溶发育程度及岩溶发育程度及富水性的调查。富水性的调查。（6）底板含水层水压力 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。位于华北煤田煤系地层底部的奥陶纪石灰岩含水层，不仅水压力大而且富水性强，因此，它是造成矿井突水及淹井的主要源泉。在煤层底板突水过程中