浅析煤层顶底板突水成因及影响因素

李 鹏

（晋能控股装备制造集团寺河矿，山西 晋城 048204）

我国富煤、少油、缺气的能源现状，决定了煤炭资源占据我国能源主体结构地位。煤炭资源开采过程中受五大灾害（水灾、火灾、瓦斯、煤尘、顶板） 的影响，不仅影响矿井安全高效开采，而且还对井下员工的生命安全造成严重的威胁。尤其受水害威胁的煤炭储量达到2.5×1010t，约占总煤炭储量的27%[1-3]。煤层底板突水较为复杂，且煤层底板突水事故发生在地下有限空间内，造就了它具有抢险困难、事故重大的特性[4-5]。本文分析了煤层底板突水成因及影响因素，为煤炭企业从源头上治理煤层底板突水事故，实现煤炭资源安全、高效地开采提供了参考。

1 突水水源

对于我国华北地区，煤层开采主要受底板奥陶系灰岩水的威胁；而对于我国西南地区，煤层开采主要受强富水性承压岩溶含水层的威胁。当含水层位于煤层底板下方且煤层底板厚度太小或者承压水水压太高就会导致煤层底板突水，地下水是底板突水的主要水源，严重制约煤矿安全开采。因此在采矿工程中不仅要防止地下水涌入矿井，而且还要注意保护地下水资源。地下水的来源主要有裂隙水、岩溶水、大气降水。

2 突水通道

2.1 断裂构造

断裂构造是岩层受地应力作用后，当力超过岩石本身强度使其连续性和完整性遭受破坏而发生破裂的地质构造。断裂构造是造成煤层底板突水的主要原因，是导致矿井发生突水事故最多的一种构造，约80%以上的煤层底板突水与构造有关。通常断层按其相对位置划分为正断层和逆断层，当断层为正断层时，由于两盘接触位置处应力集中，岩层以破裂的方式释放应力，使局部岩石受到拉伸的作用，导致其上断层的旁侧裂隙较下盘往往更发育。当断层为逆断层时，由于断层两盘的位置及其性质，通常情况下不导水，但在开采作用的影响下，部分断层的上下盘会产生相对的错动，从而形成导水通道。此外，断层带孔隙较为发育，往往伴随着衍生裂纹结构、断层破裂带的形成，连同裂隙带共同组成断层天然水仓和导水通路。

2.2 采动裂隙

我国西部矿区特厚煤层赋存条件较为复杂，煤层开采时，覆岩受采动影响，底板产生明显的破坏带，形成贯通性裂隙，导致含水层中的水涌向采场，造成煤层底板突水事故。资料显示，多数回采工作面的底板突水都与矿山压力活动有关。当煤层采时，需要对岩层裂隙进行观察，看地下水是否沿着采动裂隙加速向采空区渗漏，了解其内在运移规律，是防止矿井突水的关键。由于岩层移动受控于多因素的影响，目前对其研究的主要成果有关键层理论、上三带理论、砌体梁理论，这些理论从不同角度解答了上覆岩层移动的问题，对防治煤层底板突水具有重要意义。

2.3 导水钻孔

煤层开采和巷道掘进前均需要打钻孔进行探放水，岩层的原岩应力、岩石完整性受到一定的影响。根据煤矿安全规程，所有钻孔在使用完毕后都应按封孔设计要求和钻探规程的规定封孔。若封孔质量不合格，钻孔便会导通煤层上部或下部的含水层，此时煤层底板下的地下水将沿着钻孔涌入矿井中，造成矿井突水事故，但是有些钻孔有特殊用途必须保存，在煤层开采或巷道掘进时要注意避开这部分钻孔。

3 影响因素

煤层开采以及巷道掘进对围岩产生变形和破坏，随着采煤工作面的不断推进，围岩的变形和破坏不断向采场外扩展，从而导致底板以及煤壁的破坏，形成破坏带或人工导水通道。当采场附近存在突水水源时，就会发生煤层底板突水。影响煤层底板突水的因素主要是含水层的富水性及补给条件、边界条件、褶曲形态、地形条件、隔水层厚度及性质、地下水的动态类型，这6 个因素虽不是导致煤层底板突水的必要条件，但却能影响煤层底板突水的程度，当突水事故无法避免时，应该从影响因素上着手，将突水事故负面影响降到最低。

3.1 含水层的富水性及补给条件

含水层的富水性决定了煤层底板突水的强弱以及发生突水时的水量大小，而补给条件决定了煤层底板突水的时间长短，补给条件越好煤层底板突水时间越长。此外，含水层水压的大小也决定着煤层底板突水的突发性与突水量，含水层水压越大，煤层底板突水突发性以及突水量越大。

3.2 边界条件

突水岩层边界的划分按照是否具有突水倾向性，分为隔水边界和突水边界。隔水边界封闭的矿井，其突水程度和突水概率都小；突水边界的矿井，无论是矿井突水程度还是突水概率都比隔水边界的大。

3.3 褶曲形态

褶曲形成过程中，由于地层的弯曲、破坏，常在不同部位产生一系列伴生裂隙，具有导水作用，导水性能的强弱视裂隙大小的发育程度与地下水的汇集的能力而定。褶曲的类型分为向斜和背斜，向斜构造易于储水，常形成蓄水构造或自流盆地，由于向斜轴部的纵张裂隙常常是底板突水的通道，向斜规模越大，其储存的水量也就越大，对煤层底板突水影响也就越大。

3.4 地形条件

地形条件直接决定一个地区的含水层出露部位和出露程度，控制地下水的汇集和排泄条件，从而间接地影响矿井充水程度。地形条件主要包括地质构造（断层）、地势、是否具有天然的突水水源和突水通道等。地形影响矿井水的汇集和排泄，是控制矿井涌水量大小和防治水工作难易程度的主要因素之一。

3.5 隔水层厚度及性质

隔水层是位于含水层之上煤层之下的一层或几层性质相近的岩层，其主要作用是防止煤层底板发生突水事故，可以阻止周围的含水层或其他水源涌向矿井。阻止矿井突水的强弱主要体现在隔水岩层的厚度和岩性以及岩石的稳定性。即隔水层的厚度越大，防止矿井突水的能力越好，岩性越好，阻水效果越明显。刚性强度较为大的岩层，抵抗岩石破坏、防止煤矿突水的作用效果明显，在对底板突水进行预测的时候都会遇到计算底板隔水层厚度。通常来说，煤层与承压含水层之间的距离减去承压含水层上方的裂隙高度，剩余完整的高度为底板隔水层厚度。

3.6 地下水的动态类型

地下水的动态类型分为稳定和不稳定两种动态类型。当地下水处于动态稳定性时，矿井涌水也较为稳定。在此情形下，对煤层开采较为有利的是：若矿井内疏水系统良好，则可以疏干含水层的水源，使矿井突水水量减少甚至不发生突水。不利的是：若遇矿井排水堵塞或地下水涌水充沛，则矿井突水水量加大，导致矿井突水事故的发生。

4 结束语

煤矿是否发生突水事故主要取决于该矿是否有突水水源以及突水通道，两者缺一不可。而其他影响因素则控制突水量的大小及突水量的多少，只会影响突水的程度，而不是发生底板突水的主要因素。本文介绍了矿井涌水的影响因素，这些因素中，有的是天然存在的，有的则是人为形成的。为更加精准地判断矿井是否具有突水危险性，需要完善和深入研究的地方主要有3 个方面。

1） 对突水通道的演化进行研究，随着开采深度的增加，岩层受矿山压力的影响也越加明显，由于岩石破裂演化发生于地面之下，无法对其进行准确的观察，裂隙能否演化为突水通道还有待探究。

2） 开采过程是一个动态过程，煤层底板突水受多方面因素的影响，因此需要建立动态机制对具有突水危险性的矿井进行监测。

3） 为了使煤矿经济效益最大化以及保障井下人员安全，需要对具有煤层底板突水危险性的矿井进行分析，明确其突水原因以及影响因素，以制定相应措施，推进了矿井可持续发展。