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摘要：针对矿井底板突水影响范围广、治理难度大的实际情况，从底板破坏深度分析模型和底板突水影响因素两方面对底板突水机理进行了分析，并针对这些问题提出了有针对性的防治技术，避免矿井底板突水带来严重的安全隐患，造成一些不必要的损失。
关键词：矿井防治；治水技术；底板突水
中图分类号：TD163文献标识码： A
引言
矿井水害已经成为与水、煤尘、瓦斯、顶板并列的矿井五大灾害之一，对于矿井开采工作的顺利进行造成了严重制约，由此中国社会经济发展对于矿产数量需求较大，因此对于矿井开采也较为频繁，由此使得矿井水害的发生率不断提升，而且由于矿井水害引发的矿难发生率也呈现不断上升的趋势，矿井资源开采深度及面积越大，则导致水害面积也不断变大，从而使得矿井企业遭受巨大的财产损失及人员伤亡。对此，采取科学的矿井防治水技术措施应当是当前急需解决的重要问题。
一、矿井充水因素分析
矿井充水的影响因素一般为：大气降水、地表水、矿产系地层含水层、采空区积水、构造及岩溶等。从以上充水因素分析，对矿井充水影响的主要因素为采空区积水构造、岩溶，次要因素为大气降水、煤系地层对矿井充水影响、钻孔和关闭井筒及小窑。
二、煤层底板突水灾害分类
煤层开采期间，在采动作用下，煤层底板发生变形、破坏，形成导水裂隙带，当裂隙带发展到含水层时，含水层中的水就会沿着裂隙带涌向采掘空间。底板突水的实质是下伏承压水沿底板岩层内部的通道突破隔水层的阻隔涌入到采掘工作面，是地下水和底板岩层相互作用的结果。
煤层底板突水划分如图 1 所示。根据《煤矿水害事故典型案例汇编》的统计，采动影响型底板突水占煤层底板突水事故的 90% 左右。
图 1 采场底板突水分类
三、煤层底板突水机理分析
1、底板破坏深度分析模型
在采动影响下，当作用在煤体边缘一定范围内的底板岩体的支承压力达到或超过临界值时，岩体就会发生塑性变形，当支承压力足以造成部分岩体完全坏时，支承压力作用区域的周围岩体塑性区连成一片，造成采空区底板隆起，已发生塑性变形的底板岩体向采空区内移动，并形成一个连续的滑移线场，与未造成塑性破坏的岩体之间呈现滑移面，如图 2 所示。此时滑移界面内的底板岩体遭到的破坏最为严重。
图 2极限状态下底板塑性破坏图
煤层底板塑性区由 3 部分组成:主动极限区、被动极限区和过渡区。煤层底板岩体的最大破坏深度h：
h =[rPcosφ0/2cos（π/4+φ0/2）]e（π/4 +φ0/2）)tanφ0
底板岩体最大破坏深度距工作面的水平距离l1:
l1= h tanφ0
式中:
rP－ 煤柱屈服区宽度，m；
φ0－ 底板岩体内摩擦角，°；
rP－ 煤柱屈服区宽度，m，rP= 0.015H(H 为煤层采深)。
2、煤层底板突水影响因素分析
煤矿底板突水受到地质条件如围岩性质、岩层组合、断层等影响，还受到水文地质条件如含水层、隔水层、富水性、水头压力等影响，同时还受到煤矿开采方法及地应力等的影响和控制。
2.1 含水层
位于煤层底板下部的承压含水层，其压力大小决定了底板突水灾害发生的危险性，而其富水性则决定着突水后水害的规模及对矿井的威胁程度。当煤层底板地质条件基本相似时，承压水压力越大，发生底板突水的可能性越大。
2.2 煤层埋深及工作面跨度
煤层的埋深越大，煤层上覆岩体的自重应力就越大，在采动影响下采场岩体应力重新分布时造成的底板破坏程度就越严重，从而大大降低了底板有效隔水层的厚度；采掘工作面跨度越大，同等条件下工作面周围的支撑压力也就越高。当应力向煤层底板转移后，极易造成采空区区域内煤层底板的变形破坏。在煤层开采过程中，适当的减小工作面的布置宽度，可降低煤层底板的破坏深度，进而可有效防止突水事故发生。
2.3 底板岩性及组合特征的影响
煤层底板的厚度、岩性及其组合特征对防止底板突水具有重要作用。底板岩层阻水性能越好，受采动和水压影响越小，底板突水就越不容易发生。在正常的地质条件下，底板隔水层厚度越大，突水的可能性越小。而底板岩层的岩性及其组合特征、地质构造、水压等因素对底板岩层的阻水性能均有不同程度的影响。
2.4 地质构造
底板地质构造是造成煤层底板突水的重要因素，导水构造的存在破坏了底板隔水层的强度和完整性，增大了底板突水机率。煤矿井下有可能成为突水通道的地质构造主要有:导水断层、导水陷落柱、岩溶裂隙和采煤引起的导水裂隙。
三、煤层底板突水防治技术
1、加强突水隐患监测
为实时监测超化煤矿各强含水层水位水压的变化，准确定位底板突水隐患，进而采取及时有效的底板突水防治措施，在超化煤矿构建了KJ117水位动态实时监测系统，该系统分为井下部分和地面部分两部分[1]。
井下部分由智能传感器、声光报警器、监测分站、防爆电源、通信线路、通信接口及监控计算机组成，主要是对水文钻孔水压进行实时监测，监测数据通过公共传输线路传送给监测分站，再由监测分站传至地面监控计算机，实现集中处理、存储、报警。
地面部分主要是对水文地质钻孔的水位进行监测，由安装在各钻孔内的基于 GSM 短信的智能水位遥测仪完成。智能水位遥测仪可定时测量钻孔内的水位，并将监测数据传送至监控计算机或以短信形式传给手机，实现集中显示、存储和实时监测预警。
监测系统软件是基于Windows NT技术，具有自动巡检、读取数据、生成曲线及打印功能，并实现网络方式查询和手机远程查询等功能。监测数据采用Microsoft SQLServer数据库进行管理和维护。
2、底板局部注浆加固技术
当煤层底板含水层富水性强且水头压力大，或者煤层底板隔水层存在变薄带、构造破碎带、导水裂隙带时，适合采用底板局部注浆加固技术。底板局部注浆加固技术可将薄层灰岩底板隔水层改造成弱含水层或隔水层，同时还可以起到加固煤层底板[2]，加厚隔水层厚度，进而起到有效防止突水的作用。局部注浆加固的重点区域是断层破碎带和局部裂隙发育的富水区，通过注浆可使之成为等效隔水层。
3、疏水降压及预留断层防水煤柱
通过疏干煤层顶板、煤层含水层的水，降低煤层底板含水层的水头压力，可使煤层底板含水层水压降低至安全水压以下，从而达到预防煤层底板突水的目的。在水文地质条件复杂，且没有掘泄水巷条件时，应建立临时水仓；对影响到采掘作业和可能引发突水灾害的断层，应做好超前探测，并对断层带注浆加固，并合理留设防水煤柱，确保断层带的稳定性。断层防水煤柱的留设要考虑采场应力条件，特别是支承压力的分布。断层防水煤柱应按《矿井水文地质规程(试行)》要求留设，同时还应根据断层的性质和含水特征，结合井田的实际情况合理地确定其宽度。
4、采取有效的应急措施
在日常煤矿开采过程中，虽然能够采取人为措施确保煤矿开采的顺利进行，但其中一些煤矿水灾事故却是无法避免的，由此导致煤矿开采工作无法顺利进行。针对此种情况，煤矿企业采取有效的应急措施，对确保煤矿水灾事故的减少具有重要意义。a) 煤矿企业应当加强煤矿开采过程中各个部门的合作，确保全体人员对煤矿开采过程中的水灾害都有一定认识，并且具备防范意识及应急能力，从而提升煤矿防治水工作效率；b) 煤矿企业还应当针对日常工作情况制定相应的应急处理对策，积极采取有效措施进行预防，如暴风雨天气造成的积水，由于煤矿开挖不当导致的含水层裂开等，都在事故造成更大灾害之前进行有效预防，以更好地满足煤矿开采需求[3]。
结束语
为提高矿井防治水技术能力，实现矿井安全、有序、高效生產，应进一步摸清矿井水文地质条件，分析和评价矿井水害危险性及危害程度，排查矿井水害隐患，防患于未然，更好地搞好矿井防治水工作，并结合矿井的实际情况，做到有针对性的防范。
参考文献
[1]刘学全；李秀青；左雪丰.矿井开采硫对地下水环境的影响浅析[J].山西建筑.2008(29)：134-135.
[2]张金才；刘天泉.煤层底板突水影响因素的分析与研究[J].矿井开采.1993(04)：89-90.
[3]荆自刚,李白英.煤层底板突水机理的初步探讨[J].煤田地质与勘探.1980(02)：163-164.
关键词：矿井防治；治水技术；底板突水
中图分类号：TD163文献标识码： A
引言
矿井水害已经成为与水、煤尘、瓦斯、顶板并列的矿井五大灾害之一，对于矿井开采工作的顺利进行造成了严重制约，由此中国社会经济发展对于矿产数量需求较大，因此对于矿井开采也较为频繁，由此使得矿井水害的发生率不断提升，而且由于矿井水害引发的矿难发生率也呈现不断上升的趋势，矿井资源开采深度及面积越大，则导致水害面积也不断变大，从而使得矿井企业遭受巨大的财产损失及人员伤亡。对此，采取科学的矿井防治水技术措施应当是当前急需解决的重要问题。
一、矿井充水因素分析
矿井充水的影响因素一般为：大气降水、地表水、矿产系地层含水层、采空区积水、构造及岩溶等。从以上充水因素分析，对矿井充水影响的主要因素为采空区积水构造、岩溶，次要因素为大气降水、煤系地层对矿井充水影响、钻孔和关闭井筒及小窑。
二、煤层底板突水灾害分类
煤层开采期间，在采动作用下，煤层底板发生变形、破坏，形成导水裂隙带，当裂隙带发展到含水层时，含水层中的水就会沿着裂隙带涌向采掘空间。底板突水的实质是下伏承压水沿底板岩层内部的通道突破隔水层的阻隔涌入到采掘工作面，是地下水和底板岩层相互作用的结果。
煤层底板突水划分如图 1 所示。根据《煤矿水害事故典型案例汇编》的统计，采动影响型底板突水占煤层底板突水事故的 90% 左右。
图 1 采场底板突水分类
三、煤层底板突水机理分析
1、底板破坏深度分析模型
在采动影响下，当作用在煤体边缘一定范围内的底板岩体的支承压力达到或超过临界值时，岩体就会发生塑性变形，当支承压力足以造成部分岩体完全坏时，支承压力作用区域的周围岩体塑性区连成一片，造成采空区底板隆起，已发生塑性变形的底板岩体向采空区内移动，并形成一个连续的滑移线场，与未造成塑性破坏的岩体之间呈现滑移面，如图 2 所示。此时滑移界面内的底板岩体遭到的破坏最为严重。
图 2极限状态下底板塑性破坏图
煤层底板塑性区由 3 部分组成:主动极限区、被动极限区和过渡区。煤层底板岩体的最大破坏深度h：
h =[rPcosφ0/2cos（π/4+φ0/2）]e（π/4 +φ0/2）)tanφ0
底板岩体最大破坏深度距工作面的水平距离l1:
l1= h tanφ0
式中:
rP－ 煤柱屈服区宽度，m；
φ0－ 底板岩体内摩擦角，°；
rP－ 煤柱屈服区宽度，m，rP= 0.015H(H 为煤层采深)。
2、煤层底板突水影响因素分析
煤矿底板突水受到地质条件如围岩性质、岩层组合、断层等影响，还受到水文地质条件如含水层、隔水层、富水性、水头压力等影响，同时还受到煤矿开采方法及地应力等的影响和控制。
2.1 含水层
位于煤层底板下部的承压含水层，其压力大小决定了底板突水灾害发生的危险性，而其富水性则决定着突水后水害的规模及对矿井的威胁程度。当煤层底板地质条件基本相似时，承压水压力越大，发生底板突水的可能性越大。
2.2 煤层埋深及工作面跨度
煤层的埋深越大，煤层上覆岩体的自重应力就越大，在采动影响下采场岩体应力重新分布时造成的底板破坏程度就越严重，从而大大降低了底板有效隔水层的厚度；采掘工作面跨度越大，同等条件下工作面周围的支撑压力也就越高。当应力向煤层底板转移后，极易造成采空区区域内煤层底板的变形破坏。在煤层开采过程中，适当的减小工作面的布置宽度，可降低煤层底板的破坏深度，进而可有效防止突水事故发生。
2.3 底板岩性及组合特征的影响
煤层底板的厚度、岩性及其组合特征对防止底板突水具有重要作用。底板岩层阻水性能越好，受采动和水压影响越小，底板突水就越不容易发生。在正常的地质条件下，底板隔水层厚度越大，突水的可能性越小。而底板岩层的岩性及其组合特征、地质构造、水压等因素对底板岩层的阻水性能均有不同程度的影响。
2.4 地质构造
底板地质构造是造成煤层底板突水的重要因素，导水构造的存在破坏了底板隔水层的强度和完整性，增大了底板突水机率。煤矿井下有可能成为突水通道的地质构造主要有:导水断层、导水陷落柱、岩溶裂隙和采煤引起的导水裂隙。
三、煤层底板突水防治技术
1、加强突水隐患监测
为实时监测超化煤矿各强含水层水位水压的变化，准确定位底板突水隐患，进而采取及时有效的底板突水防治措施，在超化煤矿构建了KJ117水位动态实时监测系统，该系统分为井下部分和地面部分两部分[1]。
井下部分由智能传感器、声光报警器、监测分站、防爆电源、通信线路、通信接口及监控计算机组成，主要是对水文钻孔水压进行实时监测，监测数据通过公共传输线路传送给监测分站，再由监测分站传至地面监控计算机，实现集中处理、存储、报警。
地面部分主要是对水文地质钻孔的水位进行监测，由安装在各钻孔内的基于 GSM 短信的智能水位遥测仪完成。智能水位遥测仪可定时测量钻孔内的水位，并将监测数据传送至监控计算机或以短信形式传给手机，实现集中显示、存储和实时监测预警。
监测系统软件是基于Windows NT技术，具有自动巡检、读取数据、生成曲线及打印功能，并实现网络方式查询和手机远程查询等功能。监测数据采用Microsoft SQLServer数据库进行管理和维护。
2、底板局部注浆加固技术
当煤层底板含水层富水性强且水头压力大，或者煤层底板隔水层存在变薄带、构造破碎带、导水裂隙带时，适合采用底板局部注浆加固技术。底板局部注浆加固技术可将薄层灰岩底板隔水层改造成弱含水层或隔水层，同时还可以起到加固煤层底板[2]，加厚隔水层厚度，进而起到有效防止突水的作用。局部注浆加固的重点区域是断层破碎带和局部裂隙发育的富水区，通过注浆可使之成为等效隔水层。
3、疏水降压及预留断层防水煤柱
通过疏干煤层顶板、煤层含水层的水，降低煤层底板含水层的水头压力，可使煤层底板含水层水压降低至安全水压以下，从而达到预防煤层底板突水的目的。在水文地质条件复杂，且没有掘泄水巷条件时，应建立临时水仓；对影响到采掘作业和可能引发突水灾害的断层，应做好超前探测，并对断层带注浆加固，并合理留设防水煤柱，确保断层带的稳定性。断层防水煤柱的留设要考虑采场应力条件，特别是支承压力的分布。断层防水煤柱应按《矿井水文地质规程(试行)》要求留设，同时还应根据断层的性质和含水特征，结合井田的实际情况合理地确定其宽度。
4、采取有效的应急措施
在日常煤矿开采过程中，虽然能够采取人为措施确保煤矿开采的顺利进行，但其中一些煤矿水灾事故却是无法避免的，由此导致煤矿开采工作无法顺利进行。针对此种情况，煤矿企业采取有效的应急措施，对确保煤矿水灾事故的减少具有重要意义。a) 煤矿企业应当加强煤矿开采过程中各个部门的合作，确保全体人员对煤矿开采过程中的水灾害都有一定认识，并且具备防范意识及应急能力，从而提升煤矿防治水工作效率；b) 煤矿企业还应当针对日常工作情况制定相应的应急处理对策，积极采取有效措施进行预防，如暴风雨天气造成的积水，由于煤矿开挖不当导致的含水层裂开等，都在事故造成更大灾害之前进行有效预防，以更好地满足煤矿开采需求[3]。
结束语
为提高矿井防治水技术能力，实现矿井安全、有序、高效生產，应进一步摸清矿井水文地质条件，分析和评价矿井水害危险性及危害程度，排查矿井水害隐患，防患于未然，更好地搞好矿井防治水工作，并结合矿井的实际情况，做到有针对性的防范。
参考文献
[1]刘学全；李秀青；左雪丰.矿井开采硫对地下水环境的影响浅析[J].山西建筑.2008(29)：134-135.
[2]张金才；刘天泉.煤层底板突水影响因素的分析与研究[J].矿井开采.1993(04)：89-90.
[3]荆自刚,李白英.煤层底板突水机理的初步探讨[J].煤田地质与勘探.1980(02)：163-164.