我国煤层底板突水问题的研究现状及展望 靳德式( 煤炭科学研究总院西安分院7 1 0 0 5 4 ) 摘要从煤矿水文地质条件综合研究、 煤层底板突水预报研完、 煤层底板带( 水) 压安全采煤技 术研究、 突水机理研究、 数据库及计其机成图技米、 煤层底板注桨琦水技术六个方面系统地总结了 煤层底板突水问题的研完现状及存在问题， 多角度展望了 这一问题研究的未来发展前景 在世纪之 交之际， 回顾和展望其研究背景， 对煤犷水害防治工作具有重要的理论和实践意义。 详 中 诊 健词煤矿水文池质条件防治水 国图书资料分类法分类号 P 6 4 1 . 4 者简介靳捷武男 3 3岁硕士 现状展望 高级工程师 矿来水文地质 ( j 了 1 引言 煤层底板突水问题的研究在我国自6 0 年代至 今己经走过了近四十年的漫漫历程 在这一领域， 既 有许多宝贵经验可供借鉴， 也有一些重大问题需要 很好面对。 在即将进入新世纪之际， 从学科发展的高 度总结我们的过去， 进 步提高防治水工作的决策 水平， 开辟煤矿水害防治工作的新局面， 是每 一 个煤 矿水文地质工作者责无旁贷的任务 2 煤层底板突水问题的历史由来 建 国以后 ， 国家急需发展工业 ， 能源是制约其它 产业发展的决定性因素之一。这期间煤炭是主要可 靠的能源。华北聚煤区是国家加大开发力度的首选 煤炭工业基地。但这一地区煤层底板保护层完整性 较差， 煤层下伏巨厚的奥陶系灰岩含水层， 其水压、 水量大 对煤层的开采威胁程度均居于我国5大聚 煤区之首， 因此 ， 煤层底板突水问题成为华北聚煤区 一 个重大的安全隐患， 这就是煤层底板突 水问 题的 历史由 来。 本文所提到的 煤矿水害防治就是针对煤 层底板突水而言的。 3 煤层底板突水问题的研究现状 自6 0 年代邯邢科考队组建开始至9 0 年代第二 期国家工业性试验华北型煤田奥灰岩溶水综合防治 课题的圆满结束， 煤矿防治水的科学研究工作一直 是马不停蹄、 紧锣密鼓地进行着， 在此期间， 形成了 防治水日臻完善的独特的科学方法和思想体系， 培 .30 0 . 养了一大批致力于煤矿水害防治事业的专业人才， 防治水理论和技术不断演进， 从研究方法及学科划 分 卜 可以概括以出以下 6 个方面: 3 . 1 煤矿 水文地质条件 综合研究 这一工作是煤矿水害防治的基础性工作， 属条 件水文地质学的研究范畴， 早期的防治水工作， 如 6 0 至 7 0年代， 主要是搞条件研究进行经验性决策， 只是当时的手段比较落后， 限制犷 学科的发展， 煤层 底板突水概念模型的雏T 1_ 基本上是在这一时期形成 的。 如 底板保护层和 原始导高等慨 念。 进入8 0 年代 后， 由于政府对华北水害间题的关注， 国家计委立项 研究 其支持力度在水害防治史上是空前的。相应 地， 煤矿水文地质条件的研究进入综合性研究的新 时期， 各种现场测试方法相互配合和验证， 提高了水 患诊断的水平。值得提到的是煤炭科学研究总院西 安分院物探所在这 一 领域开发研制了多种仪器和测 试方法， 如 S I T S - I型矿井突水前兆检测系统， B X - I 型应力仪和D W- 1 型位移测量仪、 S WX - I 型钻孔水位遥测系统及井下电测深法等。煤炭科 学研究总院西安分院水文所水化学研究室的氧射气 环境同位素方法查找地下水补给通道也是煤矿水文 地质条件研究方法中最为突出的一种。 3 . 2 煤层 底板突水 预报 研究 煤层底板突水预报一直是一个极为活跃的研究 领域， 形成了不同的学科分支和研究方向， 从各类突 水预报方法所依赖的理论划分， 可将其分为泛决策 分析理论和岩体工程地质力学理论两大体系。 泛决策分析方法是在自然科学和工程科学领域 发展起来的一些软科学决策方法的通称， 如模糊数 学、 随机理论、 专家系统、 人工神经网络等， 它们对处 理煤层底板突水问题非常独到， 具有很强的生命力， 如靳德武、 王延福提出的突水预报信息分析模型， 张 敏江、 工延福开发研制的煤层底板突水预报专家系 统( 简称W I F D C M 系统) 、 张大顺、 郑世书开发的突 水预测地理信息系统 简称GI s系统) 、 上延福、 靳 德武等开发的突水预报人工神经网络系统 简称 A N NWI F系统) 等。 岩体工程地质力学方法是从煤层底板动力学平 衡的角度研究和处理问题的， 以岩体临界平衡状态 作为煤层底板突水控制条件 如许学汉、 王杰的结构 体力学研究方法， 刘天泉、 张金才的平面应力模型， 王成绪、 杨映涛等应力原位测试系统及王秀辉、 张西 民等的突水预报多参数监测系统等。 3 . 3 煤层底板带( 水) 压安全采煤技术研究 带( 水) 压开采技术是指当煤层底板隔水层承受 较高水压时， 在不降低或很少降低 水压的情况下， 确 定能否安全采煤的技术( 简称“ 带压开采技术” 带压开采技术研究所取得的一项IR要成果是确 立 了 煤层底板突水的类型， 即通道型突水与渗透型 突水 不同的突水类型其研究方法、 勘探模式有较大 的差异， 如在焦作煤田的防治水实践中提出 了 垂向 越导通道勘探模式，另一项重要成果是提出了带压 系数的概念。煤层底板突水就其实质而言是底板岩 层阻抗水压能力的大小问题， 也就是说带压系数等 于或大于突水系数时， 突水就不会发生 带压系数的 测量途径有三， 即采场试验和室内试验 在带压开采 技术中对煤层底板岩体的细化研究， 也是一个非常 明显的趋向。 在水压与岩体的动力学平衡体系中， 底 板岩体是作为井巷、 采面的保护层因此， 煤层底板 保护层概念的引入奠定了煤层底板突水模 4 的理论 基础， 煤层底板保护层厚度等值线图、 煤层底板保护 层破坏深度等值线图， 煤层底板有效保护层厚度等 值线图是带( 水) 压安全开采评价的 3个基础性图 件。 3 . 4 突水机理研究 .x 突水机理实验主要是为研究在采动条件下煤层 底板发生突水的机理而采取的实验手段 现场试验、 室内模拟研究以及理论研究是突水机理研究的3 大 组成部分 . 其 中相似模拟 技术在突水机理实验研 究 中占据相当重要的地位 8 0 年代中期. 作为第 一 期工业性试验专题研究 的煤层底板突水机理相似模拟研究在我国开展起 来， 以峰峰矿区的小青煤层和下架煤层的开挖试验 为例检验应变测量方法的适用性， 同时观测顶、 底板 破坏情况， 初步取得 犷 一 系列试验研究成果， 通过探 索突水机理试验模型， 基本上解决了相似模拟技术 应用 于突水机理研究的可行性问题， 为制作具有实 用价值的相似模型提供了技术途径 9 。年代中、 后期， 中国矿业大学黎良杰、 钱鸣高 等人的相似材料模型法采用定性立体模型和平面应 力模型对无断层条件和有断层条件的底板突水机理 进行模拟研究， 提出了煤层底板突水的关键层理论 体系( K e y l a y e r t h e o r y s y s t e m ) 。实验结果表明: a . 在没有断层条件下， 承压水的作用使煤层 底板容易在工作面上、 下出口处产生突水通道。 b . 断层突水的实质是断层在承压水作用下断 层两盘关键层向 卜 产生张开位移， 而且断层越容易 产生最大张开量就越容易发生突水事故。 c . 断层是杏突水与工作面布置及推进方向有 关。 3 . 5 数据库及计算机成图技术 煤矿在勘探( 普查、 详查、 精查) 、 基建、 开采的各 个阶段形成了大量第 一 手水文地质资料。它们综合 地反映 r 井田单元内水文地质集成化信息， 是煤层 底板突水问题研究的依据。 众所周知， 与煤层底板突 水间题相关的水文地质信息量非常大而复杂， 包括 钻孔柱状信息， 地下水观测信息( 观测网分布、 运行 区间、 水位、 水质、 水量) , 矿 一 井突水信息( 井下突水卡 片所提供的信息) 以及气象、 测量、 水文信息等， 迫切 需要建立煤矿水文地质信息处理系统， 从而形成与 煤层底板突水问题研究直接相关的各种平面图、 曲 线图、 等值线图、 剖面图等图表。近年来， 牛建立等 ( 1 9 9 5)研制开发的水文地质信息集成化处理系统就 是面向以 匕 问题的， 该系统集数据库及信息处理于 一体， 具有数据库管理、 统计计算、 地质建模及绘图 八大基本功能， 代表犷煤层底板突水问题信息化研 究的方向 3 ， 6 煤层底 板注浆堵水技术 3 注浆技术用于我国水患治理至今已有 3 0 余年 的历史 通过生产实践与试验研究， 无论是注浆堵水 3 01 先期条件勘 查， 还是工艺研究、 设备配套及材料 试验 都有长足发展， 8 0 年代以 来形成的连续灌注设备系 统以及近年从国外引进的定向钻具、 造浆设备及制 备浆液的有机添加剂配方标志着我国在注浆技术硬 件上有了质的飞跃。 1 9 8 4 年开滦范各庄煤矿岩溶陷 落往 特大突水 事故 注浆堵水的成功首次证明了我国 煤矿水文地 质工作者在治理国内 外罕见 突水灾害的 勇气和驾驭大型堵水工程的能力 此后， 各地的注浆 堵水队伍不断壮大， 几乎每一个大水矿区都有自己 的注浆队伍 在堵水实践中， 堵水成功的例子比比皆 是 ， 而其中也不乏效果欠佳的例子 究其原因一是针 溶发育非均 一 性; 二是注浆材料的可适性差， 配比有 问题; 三是施工方法的针对性不强， 即钻探技术 卜 的 问题 。 4 煤层底板突水问题研究中 存在的问题 纵观煤层底板突水问题这一领域的研究， 尚存 在以下问题( 或关系) ， 需要在今后的实践中加以解 决( 或调整) : 4 . 1 煤矿水文地质条件与水文地质概念模型的关 系 水文地质概念模型不仅是涵盖井田水文地质条 件的一个重要的分析手段， 也是解决煤层底板突水 间题的得力工具。 在这里， 由煤矿 一 水文地质条件向水 文地质概念模型之间的转变， 需要应用综合水文地 质分析方法川， 这一方法的关键是解决任何煤层底 板突水间题首先应回答的边界的控水条件( 边界性 质、 进水类型等) 、 断层的导水性等一系列重要的水 文地质问题( 或井田充水条件) ， 其次是形成各类专 题性图件作为煤层底板突水问题的决策工具。实践 证明， 综合水文地质分析方法是联系煤矿 一 水文地质 条件和水文地质概念模型之间的桥梁和纽带 42 观 测仪器的系统 误差与成果解 释 自8 0年代以来， 煤层底板突水研究领域引进了 大量的仪器设备， 加快 了自动化、 信息化的步伐， 各 种分立的测试 与研究成果层出不穷， 但对影响误差 的分析性成果很少报导， 这一问题应给予足够重视 现代地学的发展已远远走出了靠几个实测数据就能 解决间 题的时代， 在任何应用仪器 辅助其它手段( 如 计算、 解释) 处理煤层底板突水问题的场合， 需要反 复强调系统误差的影响因素及消除方法， 在一个相 .3 0 2 . 当长的测试周期内应用回归分析、 相关理论研究误 差的生 成规律， 利用可靠的经 验加以 消除。另外， 仪 器测量的多解性要求充分利用第一手资料和取得地 质、 水文地质人员的配合。在这方面， 结合得还很不 够 。 4 . 3 岩体工程地质力学计算应当具备一定的条件 岩体工程地质力学计算首先应把精力投放到模 型的选择上， 即岩体所应满足的本构关系， 不可盲目 套用 也不应在基础条件研究不具备时一味用较高 层次的本构关系取代较低一级的本构关系， 如用弹 一塑一粘性模型取代弹一塑性模型或用弹一塑性模 型取代弹性模型， 本构关系的选择应与岩体的物理 模型相匹配， 以简单、 实用为原则; 其次应加强边界 条件的处理和研究， 条件不清的， 应投入适当的工作 量， 以查清条件为前提 4 . 4 尽 快完 善各类突水 预测 软件及 测试方法， 增强 其功能 在有突水可能的地段提出具体的治理方案， 以 综合水文地质分析为基础， 提出可能的通道类型， 特 别是垂向 越导通道的分布范围等 4 5 注 桨堵水技术方面 紧密结合水文地质条件研究， 即应强调地 质、