矿井突水机理研究(2008.7)
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一、我国主要煤矿区矿床突水特点及其发生发展规律
（一）、我国主要煤矿区矿床突水特点
近年来，煤炭开采形式发生较大变化，老矿井，特别是中、东部矿井浅部煤炭资源已逐渐枯竭，煤矿企业转而开发深部受奥灰岩溶水威胁的煤炭资源。
据初步估算，在中国东部冀、豫、鲁等省的煤矿区，深部太原组煤炭（下组煤）约占总资源量的40％～70％，开发潜力很大。
但深部岩溶水突水问题是制约下组煤开采的重要因素，以山东省下组煤开采矿区的统计资料为例，截至20世纪90年代末，井下奥灰突水、渗水事件超过300余次，且多与导水断层有关。
比较大的突水事故岩溶水来势迅猛，初期突水量为1083～10640m3/h，严重威胁矿井的生产安全。
因此，开展矿井突水机理与水文地质勘探技术的研究，对于查明矿床水文地质条件，有效解决下组煤的开采突水问题，保障煤矿安全生产，是目前煤矿工业急待解决的问题，对解决中国东部煤炭后备资源日渐枯竭问题具有重要的现实意义。
为此，中国煤炭地质总局水文地质局于2007年8月27日以煤水地办发[2007]74号文下达中国煤炭地质总局Ⅰ类科研项目《煤矿安全生产地质评价技术》子课题三：《矿突水机理与水文地质勘探技术研究》，委托中国煤炭地质总局水文地质工程地质环境地质勘查院承担该科研项目。
二、采动岩体破裂特征及规律
（一）不同岩性组合，采动岩体结构的破坏情况
(二)、采煤方法对煤层底板的影响
2.1、煤层底板突水因素
底板突水是采动矿压、下伏含水层的水压、隔水层厚度及导水裂隙共同作用的结果。
2.1、1 采动矿压
煤层采动后使岩体平衡状态被破坏，发生围岩变形、移动和破
坏，从而对回采工作面与巷道产生矿山压力，出现底板隆起及扰动裂隙带，改变煤层下伏含水层地下水赋存、运移条件，触发和诱发矿井底板突水，引起下伏含水层地下水天然流场改变而集中流入矿井。
矿压与采煤工作面的关系为：
1）采煤工作面宽度越大，则支撑压力越大，对底板的破坏深度越大。
2）采煤工作面长度越长，悬顶区的跨度就越大，下伏含水层的水压对悬顶区隔水底板所产生的纵横弯矩也越大，就越容易使底板破坏而突水。
矿压扰动裂隙使底板有效隔水层变薄，从而对采煤带来突水隐患。
根据矿井生产经验，矿压扰动破坏深度受工作面斜长影响最大，其次还与开采方法、煤层厚度、采深及底板的岩性组合等多种因素有关。
在正常地段，垂向上第一层为矿压扰动破坏带，据经验公式估算并与邻矿对比确定约为12m；
第二层：为有效隔水带（但在断层附近，一般存在潜越导水带和侵水带，使有效隔水层厚度变薄或断失）。
据山东矿业学院对全国11个采面的测试结果，一般扰动裂隙带深度（h）为6m～14m，并总结出其与与采面斜长（L）的关系式为：
h= 1.86 + 0.11L。
本矿东南部杨村矿实测扰动破坏深度为11m，按经验公式估算本矿为12m。
（二）隔水关键层的形成条件及判别
一．隔水底板软岩与硬岩组合
据前人研究成果，隔水底板抗压强度及隔水能力与地层组合有很大关系。
区内16煤底板至奥灰间岩层平均厚度为58.84m,岩层组合以泥岩为主，平均占57%；
其次为砂岩，平均占21%；煤系灰岩平均占18%；煤层平均占2%。
软岩与硬岩比值系数约为1：1，这种互层状的软、硬岩地质结构对提高底板的抗压强度及隔水能力比较有利，见表6－2。
二．底板抗压强度与隔水能力
据以往对典型矿区各类岩石抗压强度及隔水能力的测试成果，刚性岩石隔水性差但抗压强度大，柔性岩石则相反。
一般刚性岩石的等效隔水系数约是泥岩的0.4倍；而柔性岩石的等效抗压强度系数约是刚性砂岩、灰岩的0.5～0.7，见表6－3。
根据标准岩石的等效隔水系数和等效抗压强度系数进行换算，16煤底板等效泥岩隔水层厚度为46.30m；总体抗压强度约为4.55Mpa，相对于底板奥灰水压来说比较偏低。
16煤底板至奥灰间地层组合及特征汇总表表6－2
岩层等效隔水系数及抗压强度换算表表6－3
三．矿压扰动带有效隔水层厚度
在正常地段，下组煤底板第一层为矿压扰动破坏带，据经验公式估算并与邻矿对比确定约为12m；第二层为有效隔水带，16煤、17煤底板有效隔水层平均厚度分别是46.84m，34.40m；在断层附近，一般还存在潜越导水带和侵水带，有效隔水层厚度均有不同程度的变薄或断失。
四．底板断层
在矿区范围内，断层对地下水运动所起的作用有以下几种：
1．阻水断层
由于断层造成含水层断裂后上下错位，使断层面一侧的地下水侧向径流受阻，不能以侧向流过断层与另一盘的含水层发生水力联系。
分断盘阻水和断层带阻水。
（1）断盘阻水
柔性与刚性的岩层组成的地层组合，因断层错动而使含、隔水岩层对接，其中一盘的柔性岩层形成天然挡水墙，起阻水作用。
（2）断层带阻水
断层发育在以柔性为主的岩层中，间夹含水岩层，在断层带易充填富含泥质的糜棱岩，使断层带本身具有隔水作用。
2．导水断层
分侧向导水和垂向导水。
本次勘查区，现已发现不同规模的断层约35条，其中对采煤威胁较大落差大于20m的断层达12条，断距大于50m的断层达6条。
一般区块断层密度达3－6条/km2。
属断层相对发育区。
断层不仅使煤层的成层性被破坏，对采煤造成困难，而且还导致底板抗压能
力减低，成为以后导水的途径。
六．奥灰富水性及充填带岩溶发育程度
底板以下奥灰富水性是影响突水量大小的重要因素，表现在两个方面：
在平面上，富水性大的地段，一旦发生突水其突水量也较大。
根据涌水量预算，东部奥灰突水量可能大于西部。
在垂向上，奥灰上、下段的岩溶发育程度对突水威胁性影响也较大。
据区域资料统计，奥灰上部50m总体有充填现象，对采煤比较有利。
如：本次施工的7个岩溶孔中，有5个孔上部50m无明显涌、漏水（井下5－5孔、 3－7孔奥灰上部50m涌水量只有7.5m3/h, 18.20m3/h）。
局部地段上部50m岩溶裂隙发育，对采煤存在威胁。
如群2孔、水1孔揭露奥灰40m发生全漏水，为重要出水段。
第二节奥灰突水影响因素分析
奥灰是对下组煤开采威胁最大的含水层之一，影响其突水性的主要因素有：隔水底板软岩与硬岩组合；底板抗压强度与隔水能力；矿压扰动带有效隔水层厚度；底板断层发育程度；底板下伏奥灰水压分布；奥灰富水性及上部充填带岩溶发育程度等。
五．隔水底板下伏奥灰水压分布
奥灰水压是影响底板突水性的重要指标。
在本区下组煤底板奥灰水压随其埋深变化较大。
在东部16煤底板－450m标高线以东，底板承压水头高度为478m；在中部－450～－650 m之间，水头高度为478～678m；在南部向斜部位，水头高度最高达800m以上。
在八采区平均为480m左右，水压约为4.80Mpa。
