底板突水是指湧水量在短期內突然成倍劇增的現象。通常按突水時湧水的主要水源，將突水劃分為斷層、地表、底板、陷落柱和採空區積水等五類。我國為底板突水事故多發性的國家。據統計，底板突水事故約占我國各類突水事故總次數的1/4，並且這類突水往往造成重大的災害性損失。
基本介紹
- 中文名：底板突水
- 外文名：bursting water from bottom bed
- 學科：水文地質學
- 領域：開採
- 釋義：湧水量在短期內突然成倍劇增
- 分類：斷層、地表、底板、陷落柱等
底板突水類型,底板突水的基本機理,原始導升帶高度,底板裂隙深度,隔水保護層,
底板突水類型
湧水量在短期內突然成倍劇增的現象稱為突水。通常按突水時湧水的主要水源，將突水劃分為斷層、地表、底板、陷落柱和採空區積水等五類。我國為底板突水事故多發性的國家。據統計，底板突水事故約占我國各類突水事故總次數的1/4，並且這類突水往往造成重大的災害性損失。
底板突水又常按其突水的峰值流量、動態表現形式等進行分類。按突水的峰值流量可將突水事故分為特大型、大型、中型和小型突水，其峰值流量分別為大於50m3/min，20-49m3/min，5-19m3/min和小於5m3/min。據統計，我國發生的突水淹井事故約有85%以上的事故源於大型和特大型突水事故。峰值流量的大小反映了水源的富水程度、水壓高低和突水通道的暢通程度。一般，直接由奧灰或由奧灰補給的含水層所形成的底板突水具備有富水和水壓高的特點，大多為大型或特大型突水。因此，底板突水對礦井安全生產的威脅很大，常需特殊加以重視。
按底板突水的地點可分為掘進巷道突水和採煤工作面突水兩類。前者的突水地點發生在開掘於煤層中的準備巷道，後者則發生在採煤工作面附近且多系因受到采動影響而發生底板突水。統計資料表明：這兩類突水方式的突水次數約各占一半左右。應當指出：這兩類突水的機理有所差別，由於防止發生採煤工作面突水所需的隔水層厚度更大，並且這類突水事故大多為大型或特大型突水事故，它們對安全生產的威脅也更大。所以一般應特別重視防治採煤工作面底板突水。
按照底板突水的動態表現形式又可分為爆發型、緩衝型和滯後型三類。爆發型突水多直接發生於採掘工作地點附近，並且一旦發生突水，其突水量在瞬間即達到峰值流量，然後，突水量逐漸減少和趨於穩定。這種突水的來勢很猛，水中常夾有岩塊碎屑，有很強的衝擊力，危害最大。緩衝型突水也多發生在採掘工作地點附近，其突水量則經歷由小到大逐漸增長的過程，往往要在突水後數小時、數日甚至數月才增長到最大流量，所以其突水的來勢較緩，衝擊力也較弱。滯後型突水一般是在採掘工作面推進了相當距離以後才在巷道或採空區中發生突水，其滯後發生突水時間可長達數日、數月甚至數年，突水量的增長也可急可緩。突水動態表現形式的差別反映了隔水層破壞方式的不同。隔水岩層（岩柱）因其拉、剪應力超限而突然破壞時大多形成爆發型突水；而緩衝型突水則往往是隔水層因滲流速度超限而逐漸破壞了隔水能力所形成的，至於滯後型突水則又往往與礦壓的疊加影響有著密切的聯繫。不同的動態表現形式反映了不同的突水原因，需分別針對問題所在，採用不同的防治措施。
底板突水的基本機理
承壓強含水層上採煤的底板突水事故是具有頗高水壓的底板含水突發性地穿越了位於開採煤層與含水層之間的隔水岩層，並進入開採空間所造成的突水事故。此種突水是一種複雜的地質、開採現象，既有地質、構造的原因，也有開採工作的原因。分析表明，造成底板突水的原因與含水層上方原始導升帶的高度，開採形成的底板裂隙帶深度以及兩帶之間隔水岩層的抵抗下部承壓水水壓破壞的能力緊密相關。原始導升帶和底板裂隙帶的岩體已失去隔水性能，若開採空間通過該兩帶直接導通了承壓水體，或者雖未直接導通，但在承壓水水壓的作用下，介於該兩帶之間的隔水保護層將遭到破壞，進而發展成為導通承壓水的岩體，則開採空間將發生突水事故。
原始導升帶高度
承壓含水層上方的地層大多程度不同的存在有節理和裂隙，若這些節理、裂隙與含水層相通並形成水力聯繫，則含水層中的承壓水將進入節理、裂隙並使含水層上方一定高度內的地層也成為導水層，該充水的節理、裂隙帶的高度習稱為原始導升帶高度。
承壓含水層的原始導升帶高度取決於當地的地質條件。一般不同的礦區含水層的原始導升帶高度互不相同，即使是同一礦區其不同地點的原始導升帶高度也高低不一。為了保證安全開採，通常以沒有特殊地質構造地區的原始導升高度相對最高處作為該地區的原始導升帶高度，而把斷層、陷落柱等特殊地段的導升帶高度作為異常區處理。
應當指出：
（1）受斷層、陷落柱影響時，含水層的導升高度（導高異常區）可比正常地段的原始導升高度高出數倍至數十倍。在非導水斷層或褶曲軸部的地段，其原始導升帶的高度也比正常區間高得多，所以，應特別重視它們的影響，即使是落差很小的斷層也不可輕易忽視。
（2）原始導升帶的高度與開採活動有關。採煤工作面開採後，在開採煤層下方一定深度的範圍內，採空區底部岩層所承受的垂直壓力減小，並且這些底板岩層將形成一定的底臌，由於垂直壓力的減小和底板的臌起，底板岩層將產生新的裂隙，原有的裂隙也將進一步擴展。因而形成原始導升帶的那些裂隙也將進一步擴展而使導升帶的高度有所增高。由於工作面的兩端和工作面前方一般是底臌變形的急劇增長區，該處底板裂隙受拉、張應力最大，裂隙的擴展最烈，其導升帶高度的增高量也常高於其它地點。
顯然，如果采、掘工作空間位於原始導升帶或導升高度異常區的導升高度之內，並且采、掘空間直接聯通了通向含水層的導水通道（例如，導水裂隙、斷層或陷落柱等），或者與導水通道間的隔水煤、岩柱遭到破壞，則底板含水層中的承壓水將進入開採空間，造成突水事故。所以為避免突水事故，采、掘工作面應位於原始導升帶以上並且在導高異常區的導水通道兩側留有足夠的防水煤柱。
底板裂隙深度
在采、掘工作面附近存在有應力集中區和免壓區。由於受到集中應力引起的剪應力作用以及在免壓區中受到由集中應力衍生的水平應力和剪應力的共同作用，在開採煤層底板中也會形成一定深度的裂隙帶，即底板裂隙帶。在該裂隙帶中，岩層富含裂隙且應力低於原岩應力，裂隙呈張開狀態，岩層已基本上喪失了隔水性能，成為導水層。若底板裂隙帶直接與承壓水的原始導升帶溝通，則承壓水也能迅速湧入采、掘工作空間，形成突水事故。
工作面底板裂隙帶的深度與開採煤層的強度、厚度，煤層頂、底板岩層的力學特性、結構以及頂板管理方法，開採參數（如工作面長度、巷道寬度等等）等因素有關。底板岩層的岩性愈軟，工作面前方的峰值集中應力愈高，承壓含水層的水壓愈高，免壓區中作用於底板的壓力愈低，則所形成的底板裂隙帶深度也愈深。相似材料模擬實驗的結果表明：底板裂隙帶的分布狀況大體上和底板中塑性滑移線的分布相吻合。
采動產生的岩層裂隙主要是由工作面前方的集中應力和免壓區中的水平應力形成的。由開切眼至老頂初次來壓期間，底板裂隙帶的深度隨著工作面的推進、開採範圍的擴大而加深，並且在初次來壓時達到最大值。初次來壓後，隨著工作面的推進，裂隙帶的範圍繼續擴大而深度在初期較初次來壓時有所減少，以後又逐漸增大，直到周期來壓時又達到第二個峰值深度（該深度仍小於初次來壓時底板破裂帶的深度）。所以，一般可以用來壓時的破裂最大深度作為底板破裂帶的深度。
隔水保護層
在底板裂隙帶和原始導升帶之間應有足夠厚度的隔水岩層才能阻止承壓水的湧入。該隔水岩層是防止突水事故的主要屏障，故習稱之為保護層。保護層必須有足夠的厚度，以免由於滲流速度過大或保護層的破裂而失去其隔水性能和保護作用。
承壓水的水壓促使湧水穿越保護層滲流入開採空間，其滲流速度正比於單位穿越厚度的水壓降，顯然，若保護層過薄，單位層厚的水壓降過大即滲流速度過大將有可能破壞岩層隔水的性能。
在承壓水的作用下，采、掘工作面開採空間下方的底板隔水層相當於以兩側支承應力區和工作面前後方支承區為支點的承力岩板。承壓水的上推力是其主要荷載，採空區頂板的壓應力和底板裂隙帶岩體的自重能部分地抵消承壓水的作用力，但是，由於免壓區中頂板的壓應力很低，底板裂隙帶深度較小，其自重和壓應力之和仍不足以平衡該上推力。所以，實際上，主要是靠岩板的強度來抵抗承壓水的上推力。若岩板過薄，岩板強度不夠，則岩板將遭到破壞並形成突水事故。顯然，承壓水的水壓愈低、採空區中頂板岩層作用於底板的壓力愈大、岩板愈厚、強度愈高、岩板的跨度愈小，則岩板愈不易遭到破壞。防止保護層的破壞往往是防止底板突水的關鍵所在。由於岩板的強度正比於岩板厚度的! 次方，反比於岩板折算跨度的平方。因此，在諸因素中又常以該兩項因素的影響為最重要，宜特別予以重視。
由采、掘工作面開採活動引起的底板裂隙帶深度，原始導升帶高度的增高以及防止底板突水所需的保護層厚度是不同的。一般情況下，掘進工作形成的底板裂隙帶深度較淺；原始導升區的高度大多不會明顯增高；底板保護層因應力超限而破壞的臨界厚度較小，底板突水事故多發生於原始導升高度異常區且多是因掘巷空間與承壓水通道間煤、岩柱過小而發生突水。採煤工作面則大多是由於採煤活動導致底板隔水保護層的破裂而形成突水。
