我国华北、华东地区煤矿水文地质条件复杂，随开采深度增加，底板高承压水突出威胁日趋严重，近10年发生重特大突水事故52起，直接经济损失30多亿元，突水已成为煤矿安全生产重大隐患[1]。以神华集团安监局统计为例，神华集团目前生产的53对矿井中，有22对矿井水文地质条件复杂或极复杂的矿井，即矿井水文地质条件复杂或极复杂占总生产矿井的42%。另据国家电力总公司统计资料，国家电力总公司目前产量6 000万t的9对生产矿井中，有8对矿井受到水害威胁。因此，在煤矿安全生产形势总体稳定好转的大趋势背景下，随着深部资源的大规模开发,受矿井突水隐蔽致灾因素与机理多变影响导致水害防治形势依然十分严峻，这一点应引起煤炭行业的高度重视[2]。

在矿井水害类型研究方面，武强等[3-4]在构建矿井水害分类依据基础上对矿井水害类型进行了系统划分，剖析了四大聚煤区的煤矿水文地质类型特点和面临的水灾害难题，为矿井水害分类及防治提供依据。针对煤矿底板突水，尹尚先[5]将底板突水划分为正常岩层底板突水、断层裂隙带突水和陷落柱突水3种模式并对突水机理进行了分析;徐智敏[6]以隔水层为研究对象将底板突水划分为完整型突水模式和断裂构造型突水模式;董东林等[7]依据郑州矿区水文地质条件及突水通道类型将煤矿突水划分为断层致突型、褶皱致突型和采动裂隙致突型，基于突水模式提出防治水对策。与此同时，诸多学者[8-9]对煤矿底板突水机理进行了基础实验研究。

学者们往往对构造存在形式、空间位置及底板隔水层类型等方面开展研究，对于突水通道形成的时空过程研究较少，同时大多数突水判据考虑变量因素相对单一，室内试验和现场监测等工作开展较少。然而深部底板突水问题，不单是水文地质问题，也是采矿工程中在特定的地质结构、地下水、地壳应力场及采掘工程综合影响下所发生的一种特殊的岩体水力学问题。

本文以深部开采(大于800 m)高承压水开采水-岩-应力作用条件为研究对象，围绕复杂地质构造采动影响特征及其诱发高承压突水这一核心问题，将深部开采突水灾变模式划分为完整底板裂隙扩展型、原生通道导通型和隐伏构造滑剪型3种类型并提出相应突水判据，利用固流耦合相似模拟试验验证3种突水判据的准确性。

1 深部开采突水灾变模式建立

结合深部采场高地应力、高岩溶水压和强开采扰动等特点，以导水通道的形成为判据，提出3种类型的突水模式，即完整底板裂隙扩展型、原生通道导通型和隐伏构造滑剪型，如图1所示。

1.1 完整底板裂隙扩展型突水模式

煤层底板隔水层内存在许多天然的节理裂隙，降低了底板隔水层强度及完整性降低了底板隔水层阻水能力，缩短了煤层与承压水导生带的距离。相对浅部开采，受高承压水影响，裂隙在承压水的压裂扩容作用下不断扩展。同时，在高应力作用下裂隙周围出现翼状裂隙，裂隙组数逐渐增多，形成局部化剪切裂隙带。由于承压水的渗水软化和压裂扩容的相互作用、相互促进，底板岩层破坏裂隙沿最薄弱方向进一步扩展，与周围裂隙带逐步沟通，形成更大范围的破坏带，并最终与底板破坏带连通，形成突水通道并导致底板突水事故发生。

完整底板裂隙扩展型突水模式可描述为深部承压水影响下承压水导升高度大于有效隔水层厚度，裂隙扩张造成彼此贯通引发突水。相比早期学者建立的正常岩层底板突水模式、完整型突水模式和采动裂隙致突型模式[6]，完整底板裂隙扩展型突水模式将底板原生裂隙作为自变量，囊括了3种模式的特点具有广泛适用性。

1.2 原生通道导通型突水模式

受地质构造(断层、褶皱、岩溶陷落柱)的影响，含导水通道切穿的煤系地层，在采场特殊支承压力的作用下导致构造断裂剪切滑动，构造及其派生节理的扩展与含水层(体)导通。相比于浅部开采，地质构造受采动影响易发生活化，同时在深部高应力和高承压水联合作用下构造被弱化，其水力开度和透过率增大，因此容易造成构造和裂隙采动导通型突水。

原生通道导通型突水模式可描述为在采动影响下构造发生活化引发局部裂隙扩展，使得保护煤柱底板压缩区连通裂隙发生沟通引发突水。对比断层致突型模式[6]，该模式将断层扩张裂隙作为主要研究对象，探讨煤柱、采动破坏底板空间位置分布特征，针对性相对较强。

1.3 隐伏构造滑剪型突水模式

该类型适用于构造平面分布不大，垂直距离有限的小型地质构造，如隐伏断层、隐伏陷落柱等。实测资料表明:该类构造底板导水裂隙带高度是无构造层的2倍左右，深部复杂应力环境条件更为明显。在深部高地应力和含水层作用下，构造容易发生剪切破坏，活化形成导水通道与采动裂隙贯通时诱发工作面突水。

隐伏构造滑剪型突水模式可描述为构造上方断面岩层失稳发生剪切破坏造成承压水以最短距离涌入采空区。相比陷落柱突水型[5]和褶皱致突型模式[7]，该模式认为构造剪切破坏成为导水的关键因素，将单一或多种构造作为整体进行研究，因此适用性更为广泛。

2 深部开采突水灾变模式机理研究

2.1 完整底板裂隙扩展型突水判据

由承压水挤入岩体模型可知[10]，挤入岩体的水压力随着进入裂隙的深度及裂隙的粗糙度的增大而衰减，可得承压水挤入底板隔水层裂隙深度(hd)(图2):

(1)

其中,B为裂隙原始宽度;k为裂隙壁面的粗糙系数;P0为深部承压水起始时静水压力。当承压水压力P减小到1个大气压时，认为裂隙不发生扩展，则式(1)可写为

(2)

底板隔水层的散面裂隙集中产生，受到垂直应力和水平应力作用，裂隙在扩展区域内受到屈服应力作用(图3)，使得裂隙两端M,N两点的强度因子受裂纹倾角α影响。由弹性断裂力学可知[11]，裂隙尖端的应力强度因子K=K1+K2。其中K1为均匀水压及围岩应力引起的应力强度因子，K2为裂隙尖端扩展延伸宽度上受σt引起的应力强度因子:

(3)

式中,γ为上覆岩层容重;H为埋深;α为裂隙与垂向倾角;λ为测压系数;a为原始裂隙的平衡长度;b为裂隙尖端扩展延伸长度。

假设散面裂隙之间尖端之间有效间距为L，当L<2b时，散面裂隙之间相互贯通，引起承压水的导升，散面裂隙导升高度h3为

(4)

式中,ai为区域内第i条裂隙原始平衡长度;bi为区域内第i条裂隙尖端扩展延伸长度;αi为区域内第i条裂隙与垂向倾角。

因此由式(3)可知裂隙的扩展程度随裂隙长度的增加而线性增加，随承压水压力的增大而增大。当承压水导升高度hd与散面裂隙导水高度hs之和大于隔水层厚度h2时，承压水进入底板破坏范围(h1),因此有发生突水的危险。即

h2<hd+hs

2.2 原生通道导通型突水模式

受开采影响，采煤工作面围岩的应力状态发生改变，在保护煤柱下方底板岩层受到支撑压力作用而受到压缩，岩体内产生裂隙并扩展贯通。随着采动影响的加深，底板产生具有连通性的裂隙与承压水相接，造成突水事故的发生。

以贯通煤层的断层构造为例，图4为承压水作用下断层张开示意图，断层局部张开过程可简化为水压作用下两端固定岩梁弯曲问题，由材料力学可知:

(5)

式中,x为计算点到端点的距离;α′为断层与水平方向夹角;h为煤层底板至含水层之间岩层厚度。

则岩梁挠曲方程[12]为

(6)

s为承压水作用下断层对于x的张开位移，当x∈[0,x]时，对式(6)积分得

(7)

又其中E为弹性模量，I为惯性炬，b′为岩梁宽度，h′为岩梁高度，代入式(7)可得

(8)

由于断层破碎带的影响，在高承压水压作用下，承压水不可避免的以绝对优势在距离最短的连通裂隙中流动[13]。因此当x=L′cos α′时，s达到最大值smax,断层最易于底板压缩区的连通裂隙贯通，造成突水事故的发生。此时原生导水通道突水判据可表示为

式中,L′为保护煤柱的宽度;l为煤柱超前支承应力影响区宽度;h1为底板破坏深度。

2.3 隐伏构造滑剪型突水模式

地质构造带内岩体的强度比正常的低，因此构造突水发生在构造带与完整岩层接触的局部区域处。构造带范围上方的岩层发生剪切破坏，利用结构力学剪切破坏理论分析隐伏构造突水力学机制。

以煤层底板隐伏断层活化突水为例，建立隐伏构造突水判据模型，如图5所示。当隐伏断层上端与底板岩层形成剪切面时，总剪切力F与抗剪切力达到极限平衡时，作用在构造端面上的总剪切力表示为

(9)

式中,a′为构造破坏带宽度;b″为构造走向长度;α″为构造水平倾角;rg为底板岩层重度;g为重力加速度;h″为构造上方岩层厚度;Q为矿山压力显现极值。

岩结构面四周壁单位长度的剪切力为

(10)

模型作用在剪切面的正应力为σ2，σ3，为了简化计算假设地应力的水平分量各向相等，即σ2=σ3。剪切面上单位长度的抗剪力为

τ=h″(σ2tan θ+c)

(11)

式中，θ为内摩擦角;c为黏聚力。

地应力的水平分量σ2与垂直分量σ1遵循金尼克假说:

(12)

式中，ν为底板岩石的泊松比。

计算上式可得

(13)

式中,H为煤层采深;M为采高;rd为上覆岩层的重度;x′为计算点到构造端面的距离。

将式(14)代入式(12)中可得剪切面上的抗剪力，当剪切面的剪应力与抗剪力达到平衡时，有f=τ，求解可知当深部承压水压力达到极限时，构造滑剪发生突水，得到隐伏构造突水判据:

3 深部开采突水灾变模式试验研究

3.1 试验台选取及材料选择

针对3种突水模式的室内模拟试验研究，试验台须能模拟深部开采高地应力、高水压环境，同时保证试验过程的直观性和密封性。因此选用深部采动高水压底板突水相似模拟试验台作为突水灾变演化试验系统[14](图6)，该系统主要由试验台系统、伺服加载系统、水压控制系统和智能监测系统组成。试验高压水由柱塞泵经高压软管注入试验台水箱，高压水通过水箱上部出水孔注入模型底部;出水孔安置96个光纤传感器，监测水压力和流量的变化，根据采集数据上部模型岩体破裂位置和渗流场变化趋势。

研制能够模拟深井岩石力学性质的相似材料是深部模拟试验的基础和前提，经过大量的室内试验证明，选用有机凝结材料作为胶结剂进行制模满足模拟耦合状态下岩石变形破坏特征(图7)。本文采用前期制作的固流耦合相似模拟材料[15]，通过改变胶结剂和骨料的含量，掌握了该材料各组分在不同配比条件下材料力学性能变化规律。实验中将各向同性相似材料按岩层位置均匀铺设试验台中，采用材料充填的方式制作断层、陷落柱等构造，完整底板不设计初始裂隙，试验过程模型底板产生的裂隙均在水压矿压作用下自发形成。

3.2 完整底板裂隙扩展型突水模拟

3.2.1 实验设计

试验以华北某深井开采矿井为原型，结合完整底板裂隙扩展型突水机理分析含有均匀散面裂隙的单一岩性底板破坏型突水情况，进而探寻采场底板突水通道的形成和演化规律。

结合矿井实际地质条件，设计采深1 200 m，直接顶20 m，基本顶40 m，煤层厚度8 m，底板岩层厚度60 m，正常模拟水压10 MPa，走向长臂开采。设计试验模型尺寸为900 mm×800 mm×500 mm(长×高×深)，试验模型几何相似比为200，容重相似比1.5，渗透系数相似比14.1，垂直方向施加水载荷0.03 MPa，水平方向施加载荷0.1 MPa，模拟施加水压0.1 MPa。模拟底板岩性参数及材料配比见表1。

表1 物理模拟岩性参数及材料配比
Table 1 Lithology parameters and material ratio

注:SCCV(砂子、碳酸钙、石蜡、凡士林)。

3.2.2 实验结果与分析

图8为开切眼下方水压变化拟合曲线，当工作面向前推进20 m时，底板与承压水接触面产生明显的裂隙A1(图9(a))，承压水导升高度升高，此时开切眼下方孔隙水压达到27 kPa;工作面推进32 m时，顶板初次来压，开切眼底板首次出现先下延伸的纵向裂隙B1，裂隙水压升高至31 kPa;当推进至49 m时，裂隙水压激增，同时裂隙A2与水平呈60°夹角向上延伸;工作面推进70～80 m之间，B1扩展变宽，导水通道A3逐渐贯通B1并形成局部富水空间，开切眼位首次出现突水点;随着突水的进行，富水空间沿底板破坏带产生裂隙A4并连同采空区中部，涌水量增大突水灾害形成(图9(b))。

深部采动影响加剧了采场底板裂隙的扩展、错动及贯通，承压水作用下裂隙相互贯通导致突水连通裂隙A2，A3的形成，成为裂隙突水的主要原因。由于该类地质构造的数量、范围容易受采动影响，使得突水通道的形成具有突发性、复杂性，这也是A2“反折”演化为A3的原因。

结合导水通道演化过程(图9(a))可知，完整底板裂隙扩展型突水模式(图2)及裂隙扩展导通判据具有可信度，即高承压水作用下裂隙扩张至底板破坏区引发底板滞后性突水。

3.3 原生通道导通型突水模拟

3.3.1 实验设计

试验以济北矿区某矿工作面底板涌水为背景，结合原生通道导通型突水机理分析贯穿煤层断层导通承压水过程中断层裂隙、煤柱和底板破坏区相互影响作用下，底板突水通道的形成和演化规律。

试验模拟现场煤层采深为800 m，厚度为2 m，底板厚度为22 m，含水层水压为3.28 MPa，工作面有一条倾角为70°，落差为2 m的小断层，走向长臂开采。试验模型尺寸与3.2节相同，如图10所示，几何相似比为100，容重相似比1.5，渗透系数相似比10，垂直方向施加水载荷0.13 MPa，水平方向施加载荷0.13 MPa，模拟施加水压0.03 MPa。模拟底板岩性参数及材料配比见表2。

3.3.2 实验结果与分析

图11为距煤层底面不同深度处断层上下盘岩体在开采过程中产生的应力差，可以看出当工作面开采22 cm时，受超前支承压力影响断层围岩体产生应力差，为断层裂隙扩展提供条件。距煤层底板深度1.37 cm处岩体最大应力差为0.07 MPa，距底6 cm和10.3 cm处岩体受到的最大应力差均为0.04 MPa和0.05 MPa，因此距煤层底板越近，断层上下盘岩体承受应力差值越大，断层发生活化的可能性较高。

图12为煤层开采结束后断层裂隙的扩展状态，从图中可以清晰的看出，断层上盘岩体在高应力-高水压状态下已处于破损状态，与底板破坏带之间形成两条明显的裂隙A1，A2。其中A1形成于初次来压之前，受开切眼及承压水高水压影响断层产出活化，局部出现裂隙扩张;当开采结束一段时间后，在A1的基础上产生裂隙A2并连同采空区底板，开切眼附近出现渗水，断层附近裂隙与周边的细微小裂隙进一步相互贯通，逐步形成承压水上涌的突水通道。结合原生通道型突水模式(图4)可知，断层受采动影响其扩张部位最大位移Smax与底板连通裂隙发生沟通，进一步验证了该突水模式建立的合理性。

3.4 隐伏构造滑剪型突水模拟

3.4.1 实验设计

隐伏构造滑剪型突水可描述为构造岩层失稳发生剪切破坏造成承压水涌入采空区，因此借助试验手段可以清楚观察通水通道形成过程。试验模拟矿井实际地质条件与3.3节相同，煤层埋深850 m，采厚2 m，工作面井实际探测，距工作面开切眼210 m位置处存在隐伏构造。几何相似比选取100，试验机垂直方向加载载荷0.196 MPa，承压水模拟水压0.03 MPa。模拟底板岩性及材料配比与3.3节相同。

3.4.2 实验结果与分析

由文献[13]隐伏断层应力变化曲线可知，在20～35 m开采阶段内，断层上下盘应力监测数据存在相反的变化趋势，随着开采距离的加大，上盘监测应力增量逐渐增大，下盘监测应力均减小且具有相同变化趋势。监测数据表明，受开采扰动及承压水共同作用影响，隐伏构造围岩产生应力差较为明显，隐伏构造失稳活化可能性增大。

试验过程中工作面开采到30 cm时，隐伏构造上方底板存在较为明显的裂隙贯通区和相对明显的横竖向裂隙，并有少量承压水渗出，随着开采的继续，少量煤粉和顶板材料出现溃落涌出的现象，如图13(a)所示。当工作面推进至40 cm时，隐伏构造上方出现突水点，承压水不断涌出，部分底板相似材料流出，随着突水通道的不断扩大、演化，突水点的不断增加，采场突水量进一步加大，将顶板垮落岩石冲出，最终演化成突水灾害(图13(b))。试验发现在采空区中部产生于隐伏构造断面垂直贯通的通水通道成为底板突水的关键因素。

通过上述研究可知，采掘活动打破了采场的稳定状态，形成通道导通底板高承压含水层或导水构造裂隙，进而引发突水。但由于地质条件的差异和采掘活动的程度不同使得通道产生的原因和导通程度也不尽相同，这也使得底板突水发生形式和机制存在差异。

本文仅单一依据某种地质构造或底板隔水层类型实现对3种深部突水模式的划分，然而大多数情况下底板突水是由“混合机制”共同作用下引发的，如邯邢矿区以组合型隐伏构造为通道的底板突水，以隐、显性微小型断裂构造组及裂隙带组合型为通道的底板突水[17]。针对这种“混合机制”，后期研究应偏向于多地质因素主导采掘活动诱发下混合突水机制，依据断层、陷落柱等构造对底板突水影响程度进行危险性量化权衡，建立深部复杂环境下底板突水系数化判据。

4 结 论

(1)以深部高承压水开采水-岩-应力作用条件为研究对象，针对复杂地质构造采动影响特征及其诱发高承压突水问题，将深部开采突水灾变模式划分为完整底板裂隙扩展型、原生通道导通型和隐伏构造滑剪型3种类型，将底板突水归结为水-岩-应力相互作用影响下构造活化，破坏底板岩层完整性引发裂隙导通型突水。

(2)提出了3种突水灾变模式的突水判据，完整底板裂隙扩展型突水判据归结于承压水影响下裂隙扩张造成彼此贯通引发承压水导升高度大于有效隔水层厚度，原生通道导通型突水判据归结为采动影响下构造活化引发局部位移扩展与保护煤柱底板压缩区连通裂隙发生沟通，隐伏构造滑剪型突水判据归结于构造上方断面岩层失稳发生剪切破坏造成承压水以最短距离涌入采空区。

(3)利用深部采动高水压底板突水相似模拟试验探寻了深部多场耦合环境下3种突水灾变模式突水通道产生的时空演变过程，依据试验现象和相关数据验证了深部开采突水灾变模式及其判据的准确性。

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