浅谈煤层底板承压水突水机理与防治措施

浅谈煤层底板承压水突水机理与防治措施

丁迎

开滦（集团）唐山矿业分公司河北唐山063000

摘要：华北地区煤系地层下发育巨厚奥陶系灰岩含水层，该含水层具有溶隙发育、水源补给充沛、赋水性强和水压高等特点，对其上部煤层的安全开采构成威胁。本文通过对煤层底板承压水突水机理研究分析，总结出煤层开采奥灰承压水预防措施，为矿井安全生产以及开采过程中的防治水工作提供参考。

关键词：煤矿；承压水；突水

华北地区煤系地层下发育巨厚奥陶系灰岩地层，其间岩溶裂隙发育，富含地下水。煤层开采过程中改变了底板隔水层的受力状态，对隔水层的完整性造成破坏，容易出现底板突水事故。在煤层未开采之前，近水平煤层水平方向上各向同性，水平方向上受力平衡。竖直方向上煤层底板受到上部岩层重力产生的压力（F1）、底板自身重力（G）和下部岩层产生的支持力（F2）、承压水压力（P），其中上部岩层重力和底板自身重力方向向下，下部岩层产生的弹力和承压水压力方向向上，在这两组大小相等方向相反的作用力下（即P+F2=F1+G），底板岩层处于受力平衡状态。此时煤层底板受到压缩作用，岩层中微裂缝和断裂构造处于闭合状态，隔水效果较好。

目前矿井主要采用走向长壁工作面机械化采煤方式，自然垮落法进行顶板管理。根据底板岩层所受矿山压力性质的不同，将回采工作面分为3个阶段：第一阶段底板受压区，位于工作面开采前方，煤层底板处于超前压力阶段，底板处于被压缩状态，岩层中原有裂缝被挤压密实，不利于承压水上升；第二阶段底板泄压区，工作面支架后方至冒落稳定区，此段存在一定面积的悬顶区域，底板出现自由面，矿山压力开始释放与泄压，底板隆起，裂缝形成与扩张，此阶段最容易出现底板涌水现象；第三阶段底板复压区，该段顶板冒落岩石又重新压在底板之上，底板又重新受压，由于老顶岩层存在压力拱的作用，作用底板上压力小于煤层未开采前，若回采范围增大，容易出现后滞突水现象。本文主要针对第二、第三阶段受力情况进行分析。第二阶段在煤层开采后底板出现自由面，底板隔水层在开采前后应力变化量最大，若老塘存在大面积悬顶区将大大增加突水几率；第三阶段自由垮落高度约为采高的3～5倍，直接顶以上老顶区域形成一个压力拱形，该拱形以上地层压力由两侧煤柱承担，不会传递到采空区内。此时隔水岩层竖直向上的奥灰承压水压力（P）和地层弹力（F2）保持不变，竖直向下的力中隔水岩层重力（G）保持不变，煤层顶板以上压力（F1）由于压力拱的作用而无法作用于隔水岩层顶板上，此时隔水岩层顶板上增加采空区垮落岩石重力（F3）。隔水岩层受到合力F=P+F2-F3-G，由于F1>>F2，故合力方向竖直向上，隔水岩层受到弯矩作用，其上部岩层受拉力作用，原微裂缝或断裂构造出现张开或岩层断裂现象。

当煤层回采之后，隔水岩层受到F=P+F2-F3-G的向上合力，该合力与工作面两侧的煤柱压力平衡，假设隔水底板与两侧煤柱属于固定连接，采空区内隔水岩层受到力矩M作用，力矩图见图1。

通过分析计算，工作面中部所受到的力矩最大，此处对岩层的拉力也最大，若该拉力超过岩层的抗拉极限将导致岩层断裂，出现底板涌水现象。

根据煤层底板承压水突水原理，减小作用于隔水岩层上的力矩和增大岩层的抗拉强度均可以减小水害隐患，建议在设计施工过程中采取下列水害防治措施：

一、原隔水底板上岩石压力在煤层开采后消失，取而代之的是采空区冒落岩石重力。因此，增大煤层开采后底板上压力，可以减小底板隔水层在煤层开采后的应力变化量，减小了底板隔水岩层上的力矩和拉力。增大煤层开采后底板上压力的方法有：

①采用充填开采技术。采用充填开采技术，在煤层开采后及时充填矸石，煤层顶板以上岩层重力通过矸石传递到底板上，这样底板岩层在煤层开采前后应力变化不大，岩层受到的破坏较小，确保较好的隔水效果。

②在煤层开采时采用强制放顶措施，增加冒落带发育高度。采用强制放顶措施，增加冒落带发育高度，可以提高压力拱发育高度，促使更多的岩石冒落至底板岩石之上，增加了底板岩层上压力，有利于减小对岩层产生的破坏，确保较好的隔水效果。

图1煤14开采后底板力矩情况示意图

二、原隔水底板在煤层开采后，受到的应力发生变化，在岩层中产生力矩和剪切力。当岩石受到的力矩或剪切力超过岩石的极限破坏承载力时，岩层产生破坏而出现突水现象。因次，提高岩层的抗拉或抗剪切强度为一种水害防治措施。

①利用注浆方法对隔水底板进行加固。对隔水底板使用水泥砂浆或新型防隔水材料（例如玛丽散等）对隔水底板中裂缝等导水构造进行封堵加固，不仅提高岩层的完整性，封堵导水通道；而且可以提高岩层的抗拉强度及抗剪强度，提高岩层的抗破坏强度。

②对断裂构造处采用加筋处理。针对岩层的抗拉强度低的特点，在断层及节理发育区域，施工预应力加筋注浆钻孔，利用钢筋抗拉强度高的特点来提高岩层的抗拉强度，从整体上提高构造区域的岩层的矿破坏能力。

三、底板突水的根本原因是煤层下存在承压水，通过疏水降压可以从根本上解决底板水害隐患。但当底板含水层水量大，补给来源丰富或大量降低地下水位会产生地面沉降等环境地质灾害问题时，该方法不适用。

参考文献

[1]开滦（集团）XX矿业分公司矿井水文地质报告（2013-2016）2016[R]

[2]施鑫源，张元禧，《地下水文学》，中国水利水电出版社