中国煤炭地质总局朱泽虎（中国煤炭地质总局朱开成）

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• 1、理论研究

理论研究

煤层底板突水的预测预报是煤矿防治水工作中的一个十分重要的环节。长期以来，针对这一课题取得了一系列重要成果，开展了大量的研究工作。这些研究总的来说可以分为三大类：第一类是以采矿矿压为主要影响因素，试图通过研究底板隔水岩层在矿压和采动破坏作用下的变形、破坏特征来认识煤层底板突水规律；第二类是综合考虑与煤层底板突水灾害发生有关的各方面因素，通过应用地理信息系统的多源地学信息复合叠加方法，建立多因素致灾的GIS煤层底板突水预测预报模型；第三类则以水压为主要煤层底板突水因素，主要考虑承压含水层的水压力对隔水底板的破坏作用，如斯列萨列夫理论、煤层底板突水系数等。第一类和第三类属于岩体工程地质力学法，第二类属于泛决策分析法。下面分别讨论这三类方法。

一、以采矿矿压为主要影响因素

1.采动破坏研究

采动破坏深度的研究通常有以下3种方法：

（1）实验分析：通过对工作面采动破坏的实际观测来寻求底板的破坏深度。这方面西安煤田地质勘探分院、山东矿院等单位做了大量的现场工作。现场实测的方法有钻孔注水法、钻孔超声波法、钻孔电磁法、钻孔超声成像法等。根据矿压破裂理论，可以说工作面越宽，采矿扰动破坏深度越大。这一破坏深度一般为6～14m，最大达25m，这一带是最易发生底板突水的区域。

（2）理论研究：胡宽容（1976）按照采矿和地质条件，按功能守衡和能量转化原理，建立了围岩破坏带的半理论、半经验公式，得出了计算底板破坏深度的一系列半经验公式［29］；张金才（1987）采用简化力学模型，运用弹性力学、弹塑性力学理论研究了底板裂隙带的深度，并提出了底板破坏深度的计算方法［31，16，2］。采动裂隙带深度研究的发展为煤层底板突水机理的定量研究奠定了基础。

（3）统计分析：张金才（1984～1987）统计分析了国内100多个生产工作面底板采动裂隙带深度和工作面斜长的关系，研究结果表明，底板采动裂隙带深度h与斜长L呈指数关系（h=0.2910.8L）［31］；高延法（1988）对底板裂隙带深度进行了多元回归分析，结果表明，裂隙带深度h与采深H、倾角α、斜长L成正比，而与岩层坚固性系数F成反比［h=0.009H+0.0448α-0.3113F+7.9291n（L/24）］［2］，并通过分析认为主要影响因素是工作面斜长，其次是采深和底板岩性。

2.特殊结构煤层底板突水机理

特殊结构底板主要指存在陷落柱或断裂构造的底板。李金凯、周万芳运用断裂力学理论研究了五种断层面铰合情况下断层的再破坏情况［10］，这对断层带煤层底板突水的研究具有重要意义。郭维嘉等运用光弹试验得出了底板应力分布的曲线形态［5］；张金才等进行了长壁工作面开采的相似材料模拟试验［31］，得出了底板中应力变化规律。

3.煤层底板突水的下三带理论

山东科技大学李白英教授等提出了评价煤层底板突水的下三带理论。该理论认为煤层底板在采动影响下自上而下可分3个带，即由矿压产生的底板导水破坏带、具有隔水性能的隔水层带和由矿压、水压联合作用而产生的承压水一导升带。刘宗才等（1991）也提出了评价煤层底板突水的下三带理论，认为底板采动破坏后呈现三带规律，从上到下第一带为直接破坏带，该带导水性发生了显著变化；第二带为完整岩层带或保护层带，该带位于第一、三带间，虽遭矿压作用产生弹塑性变形，但仍保持原来的连续性，隔水性能未变；第三带为导升带，包括原始导升带和再导升带［16］，［32］。

4.煤层底板突水评价的结构力学方法

葛亮涛等（1992）把底板隔水层看作由许多固支十字梁交织而成的固支矩形板，并运用结构力学理论研究了底板隔水层的极限抗破坏能力，认为水压超过底板隔水层极限承载力时，就会发生煤层底板突水灾害，并由此得出了底板采后最易发生煤层底板突水点的临界水压方程［3］。

5.“零位破坏”与“原位张裂”［24，22，23，25］理论

王作宇等（1993）在煤层底板突水研究上也作了一定的工作，运用“零位破坏”和“原位张裂”来作总结，其观测成果对煤层底板突水机理的研究具有很大的参考价值。刘天泉应用现代力学理论研究了围岩的采动响应规律，提出了围岩采动影响的“顶三带”、“侧三带”和“底三带”理论［14］。

6.数值方法在煤层底板突水机理研究中的运用

国内有许多学者运用数值方法来研究底板采动应力分布［1］。凌荣华等（1991）［28］在此基础上进一步研究了煤层底板突水机理，他们通过对底板岩层的三维应力数值模拟，分析了底板岩层的采动效应，总结出底板应力变化的一系列规律，为煤层底板突水机理的研究提供了新的方法。

二、多源地学信息复合处理法

信息复合技术是随着计算机技术和遥感技术发展起来的，它是对多源地学信息（如地理信息、地质信息、遥感信息等）进行综合处理的一种新方法。它以地理坐标确定的空间二维平面为基础，建立各种地学信息数据库，并与相应的计算机软、硬件系统构成地理信息系统，它能够进行各种专题图件之间的运算、分析和综合等处理。

煤层底板突水灾害事故是一个由多因素共同作用的结果，多源信息复合叠加方法恰好能够描述与煤层底板突水灾害有关的多方面因素，并能建立多因素共同作用的煤层底板突水预测模型。中国矿业大学资源与环境科学学院郑世书、孙亚军等利用GIS和多源信息复合方法对焦作东部矿区煤层底板突水问题进行了首次预测预报，取得了较好的效果。但是，上述成果主要是针对焦作整个东部矿区所做的工作，其研究性质具有明显的“面”的特征，对演马庄矿的具体煤层底板突水灾害预测问题，起到了宏观的指导作用。

本书则注重“点”的研究，针对焦作矿区演马庄矿，特别是矿井二水平三采区的煤层底板突水预测问题，应用地理信息系统技术进行了一系列研究。其具体的研究方法首先是在综合分析矿井水文地质条件和煤层底板突水特征的基础上，分析确定煤层底板突水灾害的所有致灾因素，在地理信息系统的支持下，应用多源地学信息复合叠加方法建造一个由多个变量控制的具有实际物理意义的GIS煤层底板突水预测数学模型，然后对煤层底板突水灾情做出预测预报。

人工神经网络（ANN）在焦作矿区九里山矿得到了应用，本文应用GIS和ANN耦合技术对我国大水矿区焦作矿区演马庄矿（“点”的研究）、北方煤矿区（“面”的特征）进行了煤层底板突水预测预报。

三、以水压为主要影响因素

1.水压影响的研究

朱泽虎等（1989～1991）分析了底板采动后的水压影响，提出了深层剪切破坏、深层剪切——张拉破坏的力学概念，并运用力学理论演绎了水压影响下隔水层破坏的发生、发展过程［36］。

2.煤层底板突水系数理论

我国矿山和科研部门，在分析、总结大量煤层底板突水实例的基础上，认识到煤层底板突水与底板含水层静水压力和底板隔水层厚度之间存在一定的平衡关系，20世纪60年代初由中国煤炭科学研究总院西安煤田地质勘探分院提出了煤层底板突水系数这一概念，并定义煤层底板突水系数TS=P/M，即为单位隔水层厚度上的静水压力［29］。煤层底板突水系数理论综合了其他因素的综合影响，它从统计规律上阐述了煤层底板突水的原因。

匈牙利等国还注意到不同强度和阻隔水性能的底板岩层具有不同的阻隔水性能，它们以泥岩抗水压能力为标准，将其他岩性隔水层厚度换算成泥岩厚度，这样，换算后的等效厚度值不仅有厚度，而且有强度概念［29］。煤层底板突水系数由此表达为

河南省煤矿开采水害综合控制技术研究

式中：TS——突水系数，MPa/m；

P——隔水层承受的水压，MPa；

M——底板隔水层厚度，m；

CP——采矿对底板隔水层的扰动破坏厚度，m。

比以往更全面地反映了煤层底板突水因素对煤层底板突水的影响作用。

3.静力梁理论

前苏联学者B·Д·斯列萨列夫认为，巷道底板可以看作一个两端固支承受均布荷载的静力梁，可以用弹性力学理论分析梁的受力情况，并认为梁的破坏首先是张破坏［29］。当实际水压H实＞H理安时，底板隔水层就会产生失稳破坏，从而导致煤层底板突水。