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承压水突水特征与防治措施研究现状讲解

ＳｅｒｉａｌＮｏ．４７２矿业快报

ＥＸＰＲＥＳＳＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ总第４７２期Ａｕｇｕｓｔ．２００８

ＯＦ

ＭＩＮＩＮＧｌＮＤＵＳＴＲＹ

２００８年８月第８期

矿井底板承压水突水特征与防治措施研究现状

白云来

（焦煤集团赵固一矿）

摘要：

在参考国内外相关文献的基础上，从煤矿水文地质、底板承压水突水特征、矿井水防治措施三个方面对国内外目前底板承压水突水特征与防治措施研究现状进行了介绍。

关键词：

底板突水；防治措施；突水特征；矿井水害；水文地质中图分类号：

ＴＤ７４５

文献标识码：

Ａ

文章编号：

１００９－５６８３（２００８）０８－００１０－０４

ＷａｔｅｒＩｎｒｕｓｈＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＭｉｎｅＦｌｏｏｒＣｏｎｆｉｎｅｄＷａｔｅｒａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈＳｔａｔｕｓｏｆＰｒｅｖｅｎｔｉｏｎＭｅａｓｕｒｅｓ

ＢａｉＹｕｎｌａｉ

（ＺｈａｏｇｕＮｏ．１ＣｏａｌＭｉｎｅ。

ＪｉａｏｚｕｏＣｏａｌＩｎｄｕｓｔｒｙＧｒｏｕｐＣｏ．，Ｌｔｄ．）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：

Ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇｒｅｌａｔｉｖｅｄａｔａａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄ，ｔｈｅｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓ－ｔｉｃｓｏｆｆｌｏｏｒｃｏｎｆｉｎｅｄｗａｔｅｒａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓｏｆｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｓａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄｗｅｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄｆｒｏｍｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｙｏｆｃｏａｌｍｉｎｅ，ｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｆｌｏｏｒｃｏｎｆｉｎｅｄｗａｔｅｒａｎｄｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎｍｅａｓ—

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：

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ｍｉｎｅ；Ｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｙ

１国内研究现状

普查、详查阶段进行的。

１．１煤矿水文地质条件研究现状

矿区水文地质条件探查主要方法有自然地理与煤矿水文地质条件研究是煤矿突水灾害防治的地质条件写实分析；化探方法（多元连通试验、氧化

基础，属条件水文地质学的研究范畴，早期（２０世纪还原电位、环境同位素、水化学宏量及微量组分、溶

６０一７０年代）的防治水工作，主要是通过条件研究解氧、水文地质化学模拟）；物探方法（微流速、矿井

进行经验性决策，形成了煤层底板突水概念模型的直流电法、频率测深、瑞利波地震勘探、瞬变电磁法、雏型，如底板保护层和原始导高等概念。

自２０世纪槽波地震勘探、高分辨地震勘探、探地雷达）；钻探、８０年代中期以来，煤矿水文地质条件的研究进入了抽（放）水试验；大口径抽水；地下水位动态观测；地

综合性研究的新时期，研究对象从大到小，即从区下水量计算及流场分析；测温；钻孔雷达¨Ｊ。

域、矿区转到采区、工作面；研究工作从地面转到井采区水文地质条件探查分为采前水文地质条件

下。

各种现场测试方法相互配合和验证，提高了水探测方法和回采中水文地质条件变化监测。

前者主患诊断的水平【４“Ｊ。

在这一领域开发研制了多种仪要方法有井巷地质、水文地质条件写实分析；底板电器和测试方法，如ＭＴＳ．Ｉ型矿井突水前兆检测系法探测；工作面坑道透视；水文地质钻探。

后者主要

统、ＢＸ－Ｉ型应力仪和ＤＷ．１１型位移测量仪、ＳＷＸ—方法有回采中水文地质条件变化监测；应力应变监

Ｉ型钻孔水位遥测系统及井下电测深法、采用氡射测；水压及导升情况（超声波等多种物探、水文地质气环境同位素方法查找地下水补给通道等。

仪器方法）；矿压监测与分析。

１．１．１水文地质条件探查

１．１．２水文地质“异常体”的探查

水文地质条件探查分为矿区水文地质条件探查

水文地质“异常体”的探查分为垂直越流通道和采区水文地质条件探查。

常规的、传统的水文地探查技术和导水陷落柱探查技术。

质条件探查工作是在相应的普查、初步勘探阶段或

垂直越流通道探查技术探查由断层、密集裂隙及“陷落柱”等构成的垂向越流通道。

目前已初步

白云来（１９６１一），男，矿长，高级工程师。

４５４００３河南省焦作市。

总结出了越流突水水文地质概念模型，由开拓系统、

１０

白云来：

矿井底板承压水突水特征与防治措施研究现状２００８年８月第８期

越流系统和补给系统构成。

垂向越流通道的探查技

术有１７种。

区域探测方法有遥感技术，高分辨地

震，构造应力、应变场计算机模拟分析，地面电法；区段探测方法有岩相古地理分析，含水层分析。

隔水

层（突水系数）分析方法有地下水流场分析，水化学场分析，升压试验，离子示踪试验；工作面探测方法

有煤层变化、破碎度分析，岩层（裂隙）变化分析，采用井下电法、井下瑞利波和井下钻探等手段。

其中垂向越流通道的工作面探测方法以获取煤系构造信

息和流体信息为主，为煤厚、裂隙、水、瓦斯相关分析

法，其探测结果可用作工程圈定、设计、实施的依据。

导水陷落柱是一种水文地质“异常体”。

其方法有瞬变电磁法，高分辨地震，槽波地震，ＣＴ扫描，

瑞利波，直流电法，地质雷达；化探方法有水质分析（水源判别），环境同位素分析（水源判别），放水性

测量（破碎带），离子示踪试验；钻探方法有定向导斜钻进（具体揭露），水平钻孑Ｌ（具体揭露）；放水试

验等１４种。

上述方法构成导水陷落柱探测的井上、下立体探测技术。

探测一般分三部分进行，即大异

常区探测、缩小异常区探测、陷落柱具体存在位置及

形态探测。

目前，用于陷落柱水患诊断的专家系统已经投入使用，通过处理和分析用户提供的信息，可

执行水源判别、水路判别、水量评估及综合评判。

１．２底板承压水突水特征研究现状

１．２．１

底板突水机理研究现状及理论成果

底板突水机理研究是预测预报技术的基础工

作。

该研究可分为３类，即现场写实分析法（经验法）、数值模拟和物理模拟法（相似材料模拟法）。

２０世纪８０年代中期，通过探索突水机理试验模型，基本上解决了相似模拟技术应用于突水机理研究的可行性问题，为制作具有实用价值的相似模

型提供了技术途径。

９０年代中、后期，中国矿业大学采用定性立体模型和平面应力模型对无断层条件

和有断层条件的底板突水机理进行模拟研究，提出

了煤层底板突水的关键层理论体系。

近年来，较有影响的研究工作主要为：

①突水灾害发生的力学机理研究；②采矿对断层的扰动机理及力学模型；③矿井突水的自然水力压裂效应；④煤层底板突水形成机制的非线性动力学模型；⑤应力与裂隙网络渗流耦合模型；⑥高压力流沙层突水机

理研究等。

突水机理研究已形成的理论有：

①突水系数论；②“下三带说”；③“强渗通道说”；④原位张裂与零位破坏理论；⑤板模型理论；⑥“关键层说”；⑦“岩

水应力关系说”；⑧“递进导升说”；⑨老底板模型

笔［５，８一ｌｌ】寸

Ｏ

１．２．２基于突水机理理论形成的各种突水预测预报方法

根据目前国内外学者的研究，一般都认为含水层的水压和保护层强度是确定能否突水的主要原因，因此研究重点放在了矿压、水压的变化以及在其联合作用下断层、裂隙等的力学性质及形变方面，即

采动应力场和渗流场耦合分析，从而形成的两种典

型理论：

“岩水应力关系说”、“递进导升说＂【控Ｊ。

“岩水应力关系说”认为底板突水是采动矿压和底板水压共同作用的结果，当底板隔水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；“递进导升说”是指煤层底板下伏含水层在自然条件下存在着一定高度的导升现象，在采矿扰动下，

这一原始导升高度产生递进发展到煤层底板破坏深度，而该处又处于张应力、应变状态时，便发生突水【１３｜。

与“递进导升说”、“岩水应力关系说”相应

的突水预测预报技术称为“底板突水预测预报多参数监测系统技术”、“底板突水预测预报岩体原位应

力测试系统技术”，该技术已应用于生产，效果良好。

“突水系数法”是６０年代已提出的一种突水预测方法。

７０、８０年代考虑到矿压、岩性组合及导升高度等因素的影响，对突水系数进行了两次修改；９０年代初期又提出了“安全系数”的概念，形成了“双

系数”法。

信息论、系统论、数量化、预测化、仿真技术及神经网络预测法等用于突水灾害预测预报的专家系统

也已投入使用。

１．３底板承压水突水防治研究现状

１．３．１煤层底板带（水）压安全采煤技术

（１）带（水）压开采技术重大进展：

①对突水系

数进行改进，建立了带压安全开采的安全水压预测

模式，并已投入使用；②形成了带压开采工作面评价

技术，即“五图、双系数、三级判别法”【ｌ４｜。

该技术已

形成一套工作程序和工作方法，包括水文地质观测与试验、钻探、物探、环境同位素、室内力学试验、模

型试验及计算软、硬件技术。

（２）带（水）压开采技术研究取得重要成果：

①确立了煤层底板突水类型，即通道型突水与渗透型突水；②提出了带压系数的概念。

煤层底板突水实质是带压系数等于或大于突水系数时，突水就不会

发生。

１１

总第４７２期

矿业快报２００８年８月第８期

１．３．２煤层顶、底板突水预报

顶板溃水溃沙研究主要集中于对第四系底部含水介质性质、采煤过程中顶板三带发展及分布规律

的研究，已取得了由经验公式、解析计算向集弹、塑性力学、应力应变、大变形理论及水岩相互作用于一

体的定量化动态模似转化的质的飞跃。

对岩溶塌陷

条件及机理的研究提出了“潜蚀理论”、“真空吸蚀理论”及“潜蚀真空吸蚀耦合”理论，并形成了一些配套的治理措施，如“抽放法”、“封堵法”、“固结

法”等技术。

纵观煤层底板突水预报的研究，２０世纪５０年

代提出煤层底板突水问题；６０、７０年代是突水系数法时代；８０年代是岩体工程地质力学时代；９０年代是泛决策分析理论时代。

煤层底板突水预报问题从

各类突水预报方法所依赖的基础理论划分，可将其

分为泛决策分析理论和岩体工程地质力学理论２大体系哺’９Ｊ。

泛决策分析方法是在自然科学和工程科

学领域发展起来的一些软科学决策方法的通称，如

模糊数学、随机理论、专家系统、人工神经网络等。

它们对处理煤层底板突水问题非常独到，具有很强的生命力。

岩体工程地质力学方法是从煤层底板动

力学平衡的角度研究和处理问题，以岩体临界平衡

状态作为煤层底板突水控制条件。

１．３．３煤层底板突水防治技术

“疏水降压”和“注浆堵水”是煤矿水害防治的

两大工程措施。

水害治理技术方法的选择依赖于对

水文地质条件的认识，也可应用突水预测预报给出

的信息¨引。

突水特征（水源、通道、强度）是选择疏

水降压和注浆堵水的基础和依据。

在突水水源判别

中，多元（变量）统计分析方法、模糊聚类方法、灰色系统理论等已经投入使用，并取得良好效果。

在对突水水源及通道探测中，钻孔雷达也已用于获取直接应用于工程设计和实施的信息。

在注浆堵水中，几种人工造缝技术（水力压裂、爆炸压裂及高能气体压裂）、人工受控定向导斜钻进技术、低水泥用量浆液等技术得到了应用。

８０年代以来，形成了连续灌注设备系统。

近年从国外引进了定向钻具、造浆设备及制备浆液的有机添加剂

配方等技术。

１．３．４矿井水“排供结合”及净化处理技术

煤矿防治水技术由单纯的防排水向矿区水资源综合利用方向发展，主要技术有：

①矿区排水与供水相结合技术；②矿区地表水、地下水联合调度，合理调配技术¨２・１６叫７１；③矿井污水净化处理及再利用技

１２

术；④矿区地下水优化管理技术¨引。

２国外研究现状

世界大陆面积的１／４是岩溶地层，匈牙利、南斯拉夫、西班牙等国家岩溶地层覆盖面积更大。

国外煤矿底板岩溶水研究已有１００多年的历史，在底板岩体结构的研究、探测技术及防排水措施等方面，积

累了丰富的经验。

２．１水害防治理论研究

２０世纪初，外国已认识到底板隔水层的作用。

１９４４年，匈牙利第一次提出底板相对隔水层（相对

隔水层厚度是等值隔水层厚度与水压力值之比）的

概念，并提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。

１９５２年以来，许多岩溶水上采煤的国家引用了只要相对隔水层厚度大于２ｍ／ａｔｍ就不会引起煤层底板突水的概念。

同时，现场和实验室相结合研究了隔水层的作用，研究的主要问题有两个：

一是岩体结构．阻水能力，二是

岩体强度．抗破坏能力。

前者主要研究岩石的地质

特征，如层间断层、裂隙密度、岩溶发育规律、水流特征及岩石限制水流能力等。

有人根据现场观测，提

出运用阻水系数表示隔水层的突水条件、隔水层的水力阻抗程度。

后者指在巷道或采空区形成的情况

下，隔水层抗破坏的能力，并从能量平衡观点解释底

板隔水层的破坏条件【１９－２１］。

７０年代后，苏联等国

家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旧Ｊ。

２．２水害防治方法研究

（１）传统的方法。

此法适用于水量较小，水压力不大，涌水量预计不超出技术和经济的允许范围，

并且煤层底板为岩溶裂隙水为主Ｊ引。

（２）以预防为主的治水方法（又称防、排、堵三位一体法）。

此法在水量大、水压大时采用。

在矿

井煤层底板相对隔水层厚度大于ｌｍ／ａｔｍ，其岩体结

构、力学指标较清楚，留有足够的断层、裂隙带煤柱，主要巷道中装有防水闸门，采区有独立排水系统等条件下采用。

（３）积极的治水方法（又称为强排降压方法）。

此法主要用于水量大、水压大、煤层底板大多没有隔

水层或隔水层较薄及治水机械化程度较高的矿区。

降低水位方法：

一是放水巷道疏水降压；二是地面钻孔降低水位ⅢＪ。

２．３探测仪器

２０世纪８０年代以来，国外岩溶探测技术发展

白云来：

矿井底板承压水突水特征与防治措施研究现状２００８年８月第８期

很快，探测仪器能准确探查采前煤层底板岩溶发育特点及分布规律，超前探测构造的导水性，并且向

“无损”探测技术发展，主要仪器有汹埘】：

（１）Ｐｅｔｒｏ—ｓｏｎｄｅ地电探测仪不仅能用于直接找煤，并且能准确探明与水害有关的岩溶、断裂带、老

窑以及陷落柱等。

其探测深度可达１０００ｍ以上，并

且不论深度大小其探测精度都在１．５－７．５ｍ。

（２）ＥＳ．１２２５、ＥＳ－２４０１型多道信息增强型地震仪，用于探测地下矿体、岩层界面、岩石（岩体）弹性参数以及与水害直接有关的含水体、断层、老空区充

水等。

（３）地质雷达用于探测掘进巷道前方岩溶溶洞、不连续界面等，超前探测距离为３５～４５ｍ。

（４）ＳＥＡＭＥＸ－８５型槽波地震仪对于井下探测小构造、工作面前方大于煤层厚度的断层效果较好，具有井下使用安全火花型优点。

（５）ＧＲ－８１０型全自动地下勘探仪，可测定井下０～７０ｍ范围内的岩溶、老窑、小断层、陷落柱等，对

岩溶、空洞的探测精度为探测深度的０．１。

此外，匈牙利、南斯拉夫等国家采用偶极探测法

寻找地下岩溶溶穴，激发极化法探测地下含水岩层，无线电波透视法探测孔距２００ｍ内的岩溶、不连续界面等旧８．驯。

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（收稿日期２００８－０７－２１）

矿井底板承压水突水特征与防治措施研究现状

作者：

作者单位：

刊名：

英文刊名：

年，卷（期：

引用次数：

白云来，BaiYunlai焦煤集团赵固一矿

矿业快报

EXPRESSINFORMATIONOFMININGINDUSTRY2008，24（80次

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29.胡伏生岩溶充水矿床涌水量垂向变化规律研究[学位论文]1997相似文献（10条1.期刊论文黄河.李冲.HuangHe.LiChong承压水体上底板突水预测方法与防治措施-金属矿山2008（6煤层底板突水是一种复杂的地质及采动影响现象,是煤层下覆承压水冲破底板隔水层的阻隔,以突发、缓发或滞发的形式进入采空区或工作面,造成矿井涌水量增加甚至淹没矿井的自然灾害,因此研究底板突水的预测方法与防治措施十分必要.根据淮北矿业集团公司朱庄煤矿六煤层的埋藏特征,通过大量的现场实测和理论分析,提出了承压水体上开采底板突水的预测方法和防治措施,确定了朱庄煤矿防治水方案,保证了六煤层承压水体上安全开采.2.期刊论文王书华.赵明坤.王松森.张良白庙矿二1煤底板突水危险的评价及防治措施-煤矿开采2009,14（4在区域水文地质条件分区和矿井水文地质补勘的基础上,对白庙矿矿井生产开拓水平的煤层分水平、分采区进行突水危险的判别,明确白庙矿下组煤开采的安全区和危险区,并据此提出针对性的防治措施.3.期刊论文黄作明.