摘要: 煤炭是我国目前最为重要的能源物质之一，巨大的能源需求刺激了煤矿的大面积开采，随之而来的生产安全问题受到高度重视，突水被认为是煤矿安全生产的一大威胁，许多学者在煤矿突水机理方面做了大量的研究。本文针对目前采动条件下煤层底板发生突水机理的各种方法进行了现状分析，对突水机理的研究具有指导意义。
关键词:突水机理，现场试验，数值模拟，室内模拟，理论研究
1、引言
在采矿过程中，由于开采活动影响，必然会引起地下岩体应力的重新分布和岩体的破断损伤，这种损伤极大地改变了围岩的渗透性，从而导致顶板、断层带或底板突水并造成严重的安全事故，为煤层的开采和工作人员的生命安全带来极大的威胁。
目前，随着开采深度的增加，水压力不断增大，深部开采时的突水问题变得日趋严重，有些矿井因底板突水问题而不能开采。因此，开展采动条件下岩体突水机理的研究，对于采动岩体突水预测和防治、开采方法的改进、安全度的评价具有重大的理论意义和实用价值。
2、突水机理的研究方法
目前，对采动条件下煤层底板发生突水的机理研究主要采用的是现场试验、室内模拟实验、数值模拟以及理论研究等几种方法，其中相似模拟和数值模拟技术在突水机理研究中占据相当重要的地位。
2.1 现场试验方法
对于一些具体的采矿工程，常采用现场调查研究，通过发生突水时各种数据的综合分析来判断其突水机理。以新河煤矿开采为例[1]，先后回采试采面、3101、3102、3103四个工作面在开采期间出现多次不同程度煤层顶板突水，工作面突水量大约60~120，突水周期长约7~35天，工作面煤层顶板局部严重下沉支护困难，无法正常回采甚至出现切顶埋柱现象。为保证巨厚强含水层下煤层正常开采，王海峰等对矿井充水因数，突水层位，突水水量，位置及突水机理进行了分析。通过对历次突水特征及涌水量与单位采空区关系曲线图分析可知：突水量与煤层开采面积、周期来压及埋藏深度关系密切，即工作面涌水变化随周期来压呈现周期性，每次来压时均可能出现突水，突水步距有增大趋势，至下一次来压前涌水逐渐减小至正常涌水量，随着来压次数的增加，涌水降至正常时间及最大涌水量有减少趋势。
2.2 数值模拟方法
随着计算机技术的发展，数值模拟方法在采煤过程中突水机理的研究领域中得到了越来越广泛的应用，由此也产生了许多数值计算方法，数值模拟方法可以综合考虑多方面因素，而且其计算结果直观、可视化。为研究煤层底板陷落柱破坏特征及突水机理，尹尚先等[2]采用FLAC3D 模拟分析了陷落柱影响下采面推进过程的不同阶段。数值模拟及实验显示，由于陷落柱的面积有限，矿压和水压力联合作用下使其发生弯曲并形成拉张破坏的可能性较小，一般产生剪切破坏，虽然升、降错动产生的剪应力、上凸弯曲产生的拉应力和压应力的三重作用导致煤层底板岩层失稳破坏，但以剪应力作用为主；同时，陷落柱的存在改变了煤层底板的地质环境和岩体结构，底板有效隔水层厚度减小，岩体强度降低，应力-应变分布不均，局部应力集中系数增大，使关键层的最小主应力进一步降低，一旦承压水压力大于关键层的最小主应力，承压水的渗水软化和压裂扩容即起作用，使底板岩层破坏裂隙沿最薄弱方向进一步扩展，
导致裂隙贯通，最终形成管涌，发生突水。特别是，陷落柱的边壁、工作面底板压缩区与膨胀区的分界线重合在一条线上时，是底板岩层发生剪切破坏的最佳状态，最容易发生底鼓突水。
2.3 室内模拟实验方法
室内模拟实验在研究突水机理时也是一种很重要的方法，它是将具体问题缩小化，对研究突水的发展过程具有再现性和直观性，可以比较清楚的了解突水的本质特征。隋旺华[3]在研究近松散层采煤覆岩采动裂缝水砂突涌临界水力坡度时，以带不同尺寸裂缝的混凝土块模拟采动裂缝岩体，以黏土、粉土、粗砂和砾砂配制不同颗粒组成的7种土样，采用改装的渗透仪，对松散层经过采煤上覆垮落带和裂缝带发生渗透变形破坏的类型和机制进行研究，得出了采煤垮落带和裂缝带上覆松散土层发生从上往下渗透变形破坏的临界水力坡度与土层粒度成分、物理力学性质和裂缝尺寸的关系。
2.4 理论研究方法
在理论研究方面，针对矿山生产过程中断层突水、底板突水和岩溶突水的机理问题[4]，我国学者做了大量的科研工作，在隐伏陷落柱探测和防治、煤层底板测试与突水预测预报、带压开采、浅层帷幕截流和控制疏水技术方面，取得了一定的突破，提出了突水系数法、突水临界指数法、“下三带”理论、原位张裂和零位破坏理论、板模型理论、关键层理论、突变及非线性模型、突水优势面理论、底板突水的动力信息理论、强渗流说、相似理论法、岩—水应力关系说等突水判据和理论，这些成果为防治煤矿底板突水起到了积极的指导作用。但也存在明显的弱点：不能解释涌水量和岩层破坏程度的关系，把岩体和水分开研究，实际上是没能考虑渗流与破坏的相互作用。
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3 结语
目前，在研究突水机理时，主要是将现场试验、室内模拟实验、数值模拟以及理论研究等几种方法相结合使用，以弥补各种方法的不足，减少各种方法由于某些特定的因素带来的误差，同时，可以将各种方法得出的结果进行比较分析，以得出更为准确的结果。在研究圆梁山隧道岩溶突水机理及防治对策时，刘招伟[5]等人采用现场调查、数值模拟与理论分析相结合的研究方法，揭示了隧道岩溶突水是受水压、岩溶充填物与隧道围岩塑性区范围等影响的渐进破坏过程，总结了隧道岩溶突水机理，并针对圆梁山隧道揭示的溶洞情况，制定了岩溶突水的防治原则，实现了复杂岩溶条件下安全、高效的施工效果。胡耀青等[6]采用三维相似模拟与数值模拟的方法，研究了承压水上采煤底板各含水层水压分布随采动的变化规律，同时采用两种方法验证了基于多含水层水力联系的奥灰突水监测预报理论的正确性，说明了突水监测预报系统可以在现场推广使用。
因此，应结合具体的地质条件，将各种方法综合使用来研究采煤过程中的突水机理，这样才会与实际情况更吻合。
参考文献
[1] 王海峰，郭守刚.强含水层下煤层开采突水机理分析及防治技术应用. 煤矿现代化，2006年，增刊.
[2] 尹尚先，武强. 煤层底板陷落柱突水模拟及机理分析. 岩石力学与工程学报，2004,23(15):2551~2556.
[3] 隋旺华，蔡光桃，董青红. 近松散层采煤覆岩采动裂缝水砂突涌临界水力坡度试验. 岩石力学与工程学报，2007,26(10).
[4] 杨天鸿，唐春安，谭志宏，朱万成，冯启言.岩体破坏突水模型研究现状及突水预测预报研究发展趋势. 岩石力学与工程学报，2007,26(2).
[5] 刘招伟，何满潮，王树仁. 圆梁山隧道岩溶突水机理及防治对策研究. 岩土力学，2006，27（2）.
[6] 胡耀青，严国超，石秀伟.承压水上采煤突水监测预报理论的物理与数值模拟研究. 岩石力学与工程学报，2008,27(1).
论文作者:董良驹
论文发表刊物:《建筑实践》2019年第12期
论文发表时间:2019/9/25
标签：机理论文; 底板论文; 煤层论文; 数值论文; 岩溶论文; 方法论文; 应力论文; 《建筑实践》2019年第12期论文;