承压含水层上方的地层大多程度不同的存在有节理和裂隙，若这些节理、裂隙与含水层相通并形成水力联系，则含水层中的承压水将进入节理、裂隙并使含水层上方一定高度内的地层也成为导水层，该充水的节理、裂隙带的高度习称为原始导升带高度。

承压含水层的原始导升带高度取决于当地的地质条件。一般不同的矿区含水层的原始导升带高度互不相同，即使是同一矿区其不同地点的原始导升带高度也高低不一。为了保证安全开采，通常以没有特殊地质构造地区的原始导升高度相对最高处作为该地区的原始导升带高度，而把断层、陷落柱等特殊地段的导升带高度作为异常区处理。

应当指出：

（1）受断层、陷落柱影响时，含水层的导升高度（导高异常区）可比正常地段的原始导升高度高出数倍至数十倍。在非导水断层或褶曲轴部的地段，其原始导升带的高度也比正常区间高得多，所以，应特别重视它们的影响，即使是落差很小的断层也不可轻易忽视。

（2）原始导升带的高度与开采活动有关。采煤工作面开采后，在开采煤层下方一定深度的范围内，采空区底部岩层所承受的垂直压力减小，并且这些底板岩层将形成一定的底臌，由于垂直压力的减小和底板的臌起，底板岩层将产生新的裂隙，原有的裂隙也将进一步扩展。因而形成原始导升带的那些裂隙也将进一步扩展而使导升带的高度有所增高。由于工作面的两端和工作面前方一般是底臌变形的急剧增长区，该处底板裂隙受拉、张应力最大，裂隙的扩展最烈，其导升带高度的增高量也常高于其它地点。

显然，如果采、掘工作空间位于原始导升带或导升高度异常区的导升高度之内，并且采、掘空间直接联通了通向含水层的导水通道（例如，导水裂隙、断层或陷落柱等），或者与导水通道间的隔水煤、岩柱遭到破坏，则底板含水层中的承压水将进入开采空间，造成突水事故。所以为避免突水事故，采、掘工作面应位于原始导升带以上并且在导高异常区的导水通道两侧留有足够的防水煤柱 。

在采、掘工作面附近存在有应力集中区和免压区。由于受到集中应力引起的剪应力作用以及在免压区中受到由集中应力衍生的水平应力和剪应力的共同作用，在开采煤层底板中也会形成一定深度的裂隙带，即底板裂隙带。在该裂隙带中，岩层富含裂隙且应力低于原岩应力，裂隙呈张开状态，岩层已基本上丧失了隔水性能，成为导水层。若底板裂隙带直接与承压水的原始导升带沟通，则承压水也能迅速涌入采、掘工作空间，形成突水事故。

工作面底板裂隙带的深度与开采煤层的强度、厚度，煤层顶、底板岩层的力学特性、结构以及顶板管理方法，开采参数（如工作面长度、巷道宽度等等）等因素有关。底板岩层的岩性愈软，工作面前方的峰值集中应力愈高，承压含水层的水压愈高，免压区中作用于底板的压力愈低，则所形成的底板裂隙带深度也愈深。相似材料模拟实验的结果表明：底板裂隙带的分布状况大体上和底板中塑性滑移线的分布相吻合。

采动产生的岩层裂隙主要是由工作面前方的集中应力和免压区中的水平应力形成的。由开切眼至老顶初次来压期间，底板裂隙带的深度随着工作面的推进、开采范围的扩大而加深，并且在初次来压时达到最大值。初次来压后，随着工作面的推进，裂隙带的范围继续扩大而深度在初期较初次来压时有所减少，以后又逐渐增大，直到周期来压时又达到第二个峰值深度（该深度仍小于初次来压时底板破裂带的深度）。所以，一般可以用来压时的破裂最大深度作为底板破裂带的深度。

涌水量在短期内突然成倍剧增的现象称为突水。通常按突水时涌水的主要水源，将突水划分为断层、地表、底板、陷落柱和采空区积水等五类。我国为底板突水事故多发性的国家。据统计，底板突水事故约占我国各类突水事故总次数的1/4，并且这类突水往往造成重大的灾害性损失。

底板突水又常按其突水的峰值流量、动态表现形式等进行分类。按突水的峰值流量可将突水事故分为特大型、大型、中型和小型突水，其峰值流量分别为大于50m³/min，20-49m³/min，5-19m³/min和小于5m³/min。据统计，我国发生的突水淹井事故约有85%以上的事故源于大型和特大型突水事故。峰值流量的大小反映了水源的富水程度、水压高低和突水通道的畅通程度。一般，直接由奥灰或由奥灰补给的含水层所形成的底板突水具备有富水和水压高的特点，大多为大型或特大型突水。因此，底板突水对矿井安全生产的威胁很大，常需特殊加以重视。

按底板突水的地点可分为掘进巷道突水和采煤工作面突水两类。前者的突水地点发生在开掘于煤层中的准备巷道，后者则发生在采煤工作面附近且多系因受到采动影响而发生底板突水。统计资料表明：这两类突水方式的突水次数约各占一半左右。应当指出：这两类突水的机理有所差别，由于防止发生采煤工作面突水所需的隔水层厚度更大，并且这类突水事故大多为大型或特大型突水事故，它们对安全生产的威胁也更大。所以一般应特别重视防治采煤工作面底板突水。

按照底板突水的动态表现形式又可分为爆发型、缓冲型和滞后型三类。爆发型突水多直接发生于采掘工作地点附近，并且一旦发生突水，其突水量在瞬间即达到峰值流量，然后，突水量逐渐减少和趋于稳定。这种突水的来势很猛，水中常夹有岩块碎屑，有很强的冲击力，危害最大。缓冲型突水也多发生在采掘工作地点附近，其突水量则经历由小到大逐渐增长的过程，往往要在突水后数小时、数日甚至数月才增长到最大流量，所以其突水的来势较缓，冲击力也较弱。滞后型突水一般是在采掘工作面推进了相当距离以后才在巷道或采空区中发生突水，其滞后发生突水时间可长达数日、数月甚至数年，突水量的增长也可急可缓。突水动态表现形式的差别反映了隔水层破坏方式的不同。隔水岩层（岩柱）因其拉、剪应力超限而突然破坏时大多形成爆发型突水；而缓冲型突水则往往是隔水层因渗流速度超限而逐渐破坏了隔水能力所形成的，至于滞后型突水则又往往与矿压的叠加影响有着密切的联系。不同的动态表现形式反映了不同的突水原因，需分别针对问题所在，采用不同的防治措施 。

承压强含水层上采煤的底板突水事故是具有颇高水压的底板含水突发性地穿越了位于开采煤层与含水层之间的隔水岩层，并进入开采空间所造成的突水事故。此种突水是一种复杂的地质、开采现象，既有地质、构造的原因，也有开采工作的原因。分析表明，造成底板突水的原因与含水层上方原始导升带的高度，开采形成的底板裂隙带深度以及两带之间隔水岩层的抵抗下部承压水水压破坏的能力紧密相关。原始导升带和底板裂隙带的岩体已失去隔水性能，若开采空间通过该两带直接导通了承压水体，或者虽未直接导通，但在承压水水压的作用下，介于该两带之间的隔水保护层将遭到破坏，进而发展成为导通承压水的岩体，则开采空间将发生突水事故。

在底板裂隙带和原始导升带之间应有足够厚度的隔水岩层才能阻止承压水的涌入。该隔水岩层是防止突水事故的主要屏障，故习称之为保护层。保护层必须有足够的厚度，以免由于渗流速度过大或保护层的破裂而失去其隔水性能和保护作用。

承压水的水压促使涌水穿越保护层渗流入开采空间，其渗流速度正比于单位穿越厚度的水压降，显然，若保护层过薄，单位层厚的水压降过大即渗流速度过大将有可能破坏岩层隔水的性能。

在承压水的作用下，采、掘工作面开采空间下方的底板隔水层相当于以两侧支承应力区和工作面前后方支承区为支点的承力岩板。承压水的上推力是其主要荷载，采空区顶板的压应力和底板裂隙带岩体的自重能部分地抵消承压水的作用力，但是，由于免压区中顶板的压应力很低，底板裂隙带深度较小，其自重和压应力之和仍不足以平衡该上推力。所以，实际上，主要是靠岩板的强度来抵抗承压水的上推力。若岩板过薄，岩板强度不够，则岩板将遭到破坏并形成突水事故。显然，承压水的水压愈低、采空区中顶板岩层作用于底板的压力愈大、岩板愈厚、强度愈高、岩板的跨度愈小，则岩板愈不易遭到破坏。防止保护层的破坏往往是防止底板突水的关键所在。由于岩板的强度正比于岩板厚度的! 次方，反比于岩板折算跨度的平方。因此，在诸因素中又常以该两项因素的影响为最重要，宜特别予以重视。

由采、掘工作面开采活动引起的底板裂隙带深度，原始导升带高度的增高以及防止底板突水所需的保护层厚度是不同的。一般情况下，掘进工作形成的底板裂隙带深度较浅；原始导升区的高度大多不会明显增高；底板保护层因应力超限而破坏的临界厚度较小，底板突水事故多发生于原始导升高度异常区且多是因掘巷空间与承压水通道间煤、岩柱过小而发生突水。采煤工作面则大多是由于采煤活动导致底板隔水保护层的破裂而形成突水 。2100433B

本项目在煤矿底板突水预测理论、方法和煤矿底板突水防治技术研究方面取得了显著成果。（1）煤矿底板突水机理认识 煤矿底板岩体最大破坏深度与开采工作面的开采宽度成正比，与岩体原始应力及岩体抗压强度之比的平方成正比，该破坏深度随开采深度和支承压力的增加而增大，随岩体强度的增加而减小 水流对煤层底板隔水层的作用主要表现为水压力对底板隔水岩层的破坏作用，这种破坏主要以两种形式的力进行（2）煤矿底板突水预测理论 根据协同学原理与方法，建立了煤矿底板子系统相互协作的数学模型 基于突变理论，提出了根据煤矿采动过程中获得的煤层底板应力应变和承压水监测数据，建立单变量序列尖点突变模型，得出煤层底板岩体系统稳定判据的方法（3）理论及方法应用 建立了河北省万年煤矿的三维地质模型 成功预测了河北省峰峰煤田五矿、万年矿等矿的突水问题，进行了煤矿突水危险性评价，为有效防治突水提供了科学依据，避免了突水预测不及时、不准确带来的矿难事故 提出了峰峰煤田底板突水和带压开采防治水措施（4）论文及专著 项目组发表论文20余篇，其中核心期刊11篇，EI检索4篇，出版专著3部（5）成果在五矿、万年煤矿的应用使得新增产值近亿元，社会效益显著（6）成果被国内同行专家评为达到国际先进水平。 2100433B

《注浆加固防治底板突水机理与应用》对底板注浆加固工作面防治水技术进行了研究，分析了底板注浆加固岩体渗透性“降低—升高”机理、注浆加固工作面底板岩体力学性质“增强—损伤”规律、底板注浆孔套管的加固机理、注浆加固工作面突水原因及特征，以及高水压薄隔水层工作面突水危险性分析和治理对策，并通过相似条件模拟研究和煤矿实例研究，验证了该研究成果的有效性。

《注浆加固防治底板突水机理与应用》可供煤矿从事防治水工作的技术人员、科研人员以及相关专业的大学生、研究生、教师阅读，也可供相关专业的研究人员参考。

副题名

外文题名

论文作者

朱纪明著

导师

张文泉指导

学科专业

学位级别

工学博士

学位授予单位

山东科技大学

学位授予时间

2012

关键词

底板压力 矿井突水 预测技术 软件开发

馆藏号

唯一标识符

108.ndlc.2.1100009031010001/T3F24.006504121

馆藏目录

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