摘要：煤矿采煤过程中，突水现象时有发生，严重危害了煤矿企业的安全生产。以山西省平口煤矿为例，结合现场钻孔观测数据和经验公式计算了煤层底板导水破坏带高度，对地层压力、地质构造、开采参数及含水层压力等是影响煤矿底板突水的主要因素进行了分析，采用了煤层底板注浆和采煤方式优化等技术措施提高含水层采煤的安全性，有效降低了平口煤矿底板突水的可能性。
关键词：底板突水,煤炭开采,防治措施
0引言
目前，煤炭依然占据中国能源构成的75%左右，煤炭生产对中国的经济和发展至关重要，然而在采煤过程中容易受到各种地下水突出的危险，其中影响煤矿安全生产最为严重的水害类型是二叠-石炭系煤层下的奥陶系灰岩突水[1]。奥陶系灰岩是一种承压型岩溶含水层，水量丰富，水压很高，煤层与含水层之间的地层相对较薄，厚度在30~60 m之间。由于含水层的这些特点，再加上采动引起的地层破坏和固有的地质构造(如导水断层、裂隙等)，高压地下水可以突破煤层底板，突入采矿作业面，因此，含水层突水频繁发生，煤矿在采煤过程中经常遭受严重的水害[2]。
一般来说，有两种不同的方法来解决承压含水层开采问题：一种是开采前先排干含水层，另一种是不排水开采[3]。地质调查和开采实践表明，北方奥陶系灰岩含水层和南方茅口灰岩含水层等含水层的排水存在诸多环境问题，对整个含水层产生广泛的影响[4]。以山西平口煤矿奥陶系灰岩含水层排水为例，泵送流量为96 m3/min，然而，中心井的落差仅为2.8 m，凹陷锥的半径扩大到10 km，造成了许多饮用水井的损失，导致了10万人缺水，因此，排水是不可行的。在石灰石含水层上采煤的唯一解决办法是采用不排水的技术措施，因此，研究开采引起的地层破坏特征及导水率变化，从而找到预测和预防突水的方法至关重要。
1煤层底板导水破坏带高度
1.1现场钻孔观测
为了测量下伏地层的电导率，采矿前在地下巷道中钻孔进行观测，在每个井眼中，通过注水和多种测井技术（如电阻率、超声波、声发射、井眼电视等）来确定岩石强度、井眼裂缝和水力导率的变化，注水仪的示意图，如图1所示。测量过程中的关键技术是控制喷射压力，进行实验是为了确定采矿引起的水力导电性变化，压力不应高到足以在地层中产生新的裂缝，因此，注入压力不应超过围岩的最小主应力。
平口煤矿观测井眼巷道位于工作面下方36 m处，采用图1所示注水仪测量采前、采后注水流量，注入压力为0.35~0.5 MPa。每个井眼注水是通过将水泵入仪器，然后再进入井眼，测量是在整个井眼的不同部位和不同时间进行的。
注水速率增量（采前注水速率与采后注水速率相减）表示煤开采引起的渗透率变化引起的注入速率，在倾斜井眼43~72 m处，注入速度比采前（原始）状态有所增加，说明该区域的地层因开采作用产生裂隙，将该区域定义为导水破坏带[5]。
从两种不同深度注入速率随开采推进距离的变化情况可以得出，在采区注入速率比未采区明显增加，由于采煤作业，底板地层的导水能力增大，随着煤层到底板距离的增大，导水能力减小，意味着地层离开采煤层越近，煤层底板的渗透率越高。在基台内注入速率也明显降低，这是由于该区域应力集中，基台压力高，导致裂缝闭合所致现场观测表明，采出煤层倾角不同，底板岩层的破坏特征也有较大差异：对于平坦或微倾斜煤层（倾角＜25°),导水破坏带剖面较宽，裂片较长，最大破坏深度分别位于头闸板下方和尾闸板下方；对于倾斜煤层（25°＜倾角＜60°),破坏区沿倾斜方向呈不对称向下扩展，破坏区范围由上向下逐渐增大，最大破坏深度出现在下闸周围区域以下底板地层；对于急倾斜煤层（60。＜倾角＜90。），底板岩层破坏区域与倾斜煤层相反，最大破坏深度出现在上闸板周围区域以下的岩层。
1.2经验公式
根据现场观测，许多参数影响着导水破坏带的发育和深度，工作面采宽和地层单轴抗压强度是最重要的参数[6]。根据长壁和短壁采煤工作面现场试验结果，建立了预测导水破坏带深度的经验公式（1）：
式中：h1为从煤层直接底板开始的导水破坏带深度，m；Lx为综采工作面采宽，m。观测数据来自平口煤矿，采深范围为103~560 m，单轴抗压强度为20~40 MPa。
在含水层以上开采时，含水层位于输水破坏带外一定距离时可以避免突水和地层脱水所带来的额外费用。如果破坏区内有承压、渗透性强、水量丰富的含水层，高压水就会涌进矿区，造成灾难性后果。
2煤层底板突水影响因素
2.1地层压力
岩层压力是由开采引起的地应力重分布引起的，如图2所示，显示了距起始切槽前进方向60 m处煤层下方5 m处底板地层的竖向应力增量（诱导应力与原始应力之差）。可以看出，在工作面接近传感器之前，应力增量（即支承压力）有所增加；工作面通过传感器后，观察断面底板岩层位于提取区域内，应力增量逐渐减小，即岩层处于卸载状态，在这一阶段，底板岩层发生应力松弛和约束减小，显著降低了岩体的固有稳定性，诱发采动裂隙。随着开采的进行，底板地层应力经历了三个阶段：采前应力增大，采后应力急剧减小后逐渐减小，再逐渐恢复到原始应力水平。与应力重分布相对应，底板岩层的位移也经历了采前压缩、采后膨胀和逐渐恢复三个阶段。在底板膨胀或卸荷阶段（图2中的应力松弛），岩层更容易产生张性裂缝，在工作面煤壁周围区域下方的压胀交点处，岩层容易产生剪切断裂，底板这些诱导裂缝导致开采后底板地层渗透率增加，注水速度明显增加，这也是煤壁周围区域正下方岩层底板破坏带较大的原因。
2.2地质构造
断层、褶皱等地质构造是造成突水的主要原因，其中断层对突水的影响主要表现为以下三种，一是断裂带内岩石强度远低于正常岩石强度，断裂带中的岩石更容易破坏，形成更大的破坏带，以平口煤矿4303工作面实测为例，正常情况下底板导水带最大深度为16.8 m，而断裂带导水带最大深度为29.6 m；二是断层的存在减小了煤层与含水层之间的距离；三是当断裂带具有渗透性并到达含水层时，一旦开采露出断层，就会引起突水。
2.3开采参数
采动宽度是含水层上采动的关键参数，底板地层注水现场观测显示，随着采宽的增加，破坏带深度也随之增加，其原因是随着矿区暴露程度的增加，底板岩层有更大的变形膨胀空间，这导致约束减少，从而诱发更多的断裂。综放开采中距起始切槽的推进距离也是一个重要的参数，突水事件分析表明，大多数突水发生在采矿工作面距采矿作业开始推进20~30 m时，顶板第一次坍塌，这使煤层顶板和底板都引起了显著的应力集中和松弛，其后果包括更多的裂缝和更大的底板破坏区，因此，如果煤层底板下有含水层，则更容易发生突水。
2.4含水层压力
煤层下部含水层的水压对矿井开采突水起着重要的作用，水压作为底板底部的一种应力，使底板地层更容易向采空区暴露空间扩展，因此，水压越高，越容易突水，这就是有些矿山把水压作为估计潜在突水的重要参数之一的原因。在国内，一些煤矿采用突水指数或突水系数作为初步评价突水的经验法则，突水指数定义为底板地层单位厚度的承压能力。一般来说，当研究区底板地层压力与厚度之比超过0.05~0.13 MPa/m的临界突水指数时，就会发生突水，该指数因矿山不同而异。
3煤矿底板突水防治技术措施
3.1煤层底板注浆
当煤层底板存在断层和裂缝时，断层和裂缝会渗入含水层，造成水侵入矿区。注浆可以密封这些断层和裂缝，减少突水的可能性，由于许多突水是由断层引起的，因此，采前对断层裂隙进行灌浆对煤矿安全生产至关重要。平口煤矿煤层底板发育数层薄灰岩，属于含水层或弱含水层，对这些弱含水层进行注浆不仅可以使弱含水层变为不透水层，而且可以增加底板地层的机械强度，使地层不容易破坏。采用注浆技术对平口煤矿底板地层中互层的5号灰岩弱含水层进行了注浆，在奥陶系灰岩含水层上灌浆5个工作面，成功开采煤储量50万t，无突水现象，无过量地下水排放。
3.2采煤方式优化
经验结果表明，减小采掘宽度可以减小底板岩层破坏带的深度，这对减少水的侵入是相当有益的，平口煤矿开采宽度为50 m的1002工作面和开采宽度为100 m的1081工作面地质条件相似，但只有采宽较大的工作面发生突水事件。因此，相较于长壁开采，短壁和房式开采的开采宽度要小得多，是预防可能出现的水害的合适开采方法，对于短壁开采，平口煤矿的开采宽度应保持在40~60 m。
两工作面之间合理距离的双面开采也是一种减少底板岩层破坏的开采措施，平口煤矿已将该技术应用于受承压含水层威胁的煤层开采，双端面之间的距离应为18~60 m。对采空区进行回填后，地层采动应力大大降低，这意味着最大主应力和最小主应力之间的差值较小，因此基于莫尔-库仑破坏理论地层不太可能破坏。当含水层位于采场附近时，采用回填法开采会更加安全，但其缺点在于成本较高，开采工艺复杂。
4结论
地层压力、地质构造、开采参数及含水层压力等是影响煤矿底板突水的主要因素，其中超过60%的突水在某种程度上归因于断层和其他地质构造，因此在采矿作业开始之前，需要采取必要的措施来解决底板的断层和固有裂缝。对于较大的断层，需要留下防水屏障，对于较小的断层和裂缝，注浆可以封堵，减少突水的可能性。当采用上述措施后在承压含水层上方开采有可能出现突水时，需要对矿山设计进行改革，采用新的开采方法，如采用短壁开采、双短壁工作面开采、等新方法，可有效减少采动破坏，降低渗透率增加。
参考文献
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[2]秋兴国，李娜.基于CNN-GCN-BiLSTM的煤矿底板突水量预测模型[J].煤炭技术，2022，41（8）：84-87.
[3]穆金霞.五图-双系数三级判别法在紫金煤矿底板突水评价中的应用[J].煤炭与化工，2021，44（7）：48-51.
[4]原富珍，马克，庄端阳，等.基于微震监测的董家河煤矿底板突水通道孕育机制[J].煤炭学报，2019，44（6）：1846-1856.
[5]陈实，刘小明，杨竣皓，等.基于克里格插值的煤矿底板突水系数等值线优化研究[J].煤炭科学技术，2018，46（7）：68-74.
[6]王宗明，来永伟，段俭君.五图双系数法在北辛窑煤矿底板突水评价中的应用[J].煤炭与化工，2016，39（5）：7-12.
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