1. 引言

我国拥有丰富的煤炭资源，长期以来一直是国家能源消费和工业生产的重要基础。随着市场经济体制的不断深化和产业结构的调整，中国的能源消费总量和结构经历了显著变化。尽管如此，煤炭作为能源结构的主体地位在可预见的未来仍将保持不变。根据何则等的研究，预计到2030年，中国的煤炭消费总量将达到峰值[1]。然而，煤矿突水灾害时有发生，煤矿底板突水灾害具有隐蔽性强、突水强度大、致灾危害性大以及治理投入大的特点，是煤矿开采面临的主要灾害之一。

煤矿底板突水事故研究的首要内容是确定突水危险源，即导致事故发生的根源。天然状态下矿山水文地质结构处于系统平衡状态，水源及通道一般不会导致地下空间内地质灾害的发生，而煤层开挖扰动及采空区的产生导致地下应力重分布而破坏了原有的平衡状态。煤层开挖扰动这一动态变化过程，可反映在多个方面，因此，可以借助各种监测设备实现“参量”的动态演化来反应采动效应。在底板突水事故研究中，明确危险源及触发条件，才能进一步采取针对性措施，对危险源进行分析并对底板突水危险性进行静态及动态评价，在底板水害防治工作中有重要的研究意义。

2. 煤层底板突水研究现状

2.1. 煤层底板突水机理

关于矿井水害的研究，自20世纪初便有国外学者涉足此领域，而中国则于20世纪60年代起步。在诸如美国、加拿大、德国等产煤大国，由于地质构造较为简单，矿井水害问题并不突出。然而，匈牙利、南斯拉夫、波兰、西班牙等国家的煤层开采过程中，却面临不同程度的地下水威胁与影响，并开展了相应的矿井突水研究。中国的矿区水文地质结构复杂，约60%的煤矿受到底板灰岩含水层承压水的威胁，其受害面积、严重程度及环境影响均居世界之首，导致了大量的人员伤亡和财产损失。因此，中国在煤矿防治水的方法和技术研究方面，无论广度还是深度，均处于世界领先地位。

20世纪40年代，匈牙利学者韦格·弗伦斯首次提出底板相对隔水层厚度的概念，认为煤层底板突水与底板隔水层厚度和水压密切相关，并将其定义为隔水层厚度与水压之比。他进一步指出，当相对隔水层厚度超过1.5 m/atm时，煤层开采过程中突水现象基本不会发生，而80%至88%的突水事件均发生在该值以下。60至70年代，匈牙利国家矿业技术鉴定委员会将此概念纳入《矿业安全规程》。70年代之后，其他国家也开始研究相对隔水层厚度的作用，并探讨了水流与岩石结构的关系。同一时期，前苏联学者B·斯列萨列夫在研究承压水对底板的破坏作用中取得了重要进展，他提出的固定梁理论结合了岩体强度理论和静力学理论，并在此基础上推导出底板安全水压值的计算公式。许多国家的岩石力学学者在研究防水煤柱的稳定性时，深入探讨了底板的破坏机理，其中FariaSantos & Bieniawski基于改进的Hoek-Brown岩体强度准则，并引入临界能量释放率概念，分析了底板的承载能力。前苏联矿山地质力学和测量科学研究院突破了传统线性关系，指出导水裂隙与煤层开采厚度之间存在平方根关系。70年代至80年代末期，原苏联学者Bophcob首次采用相似材料模型研究了采空区底板岩层的变形；Singh & Jakeman监测了煤层开采时岩层的变化及地下水体平衡状态，为含水层或大坝下煤层开采工作面的设计参数提供了分析依据。这些理论与方法对矿井突水研究具有重要的指导意义。

随着矿井探测技术的进步和理论研究的深化，学者们在前人研究的基础上，对矿井突水现象进行了更深入的探讨。Sammarco分析了自然状态和采动作用下引起的矿井突水现象，认为矿井内气体瓦斯流速与矿区地下水动力条件相关，瓦斯流动可作为突水的预兆信息；对于采动引发的突水，由于预警信号不明显，应采取预防措施，并提出利用突水伴随的前兆信息进行预警。Kuscer研究了矿井突水过程中的水文地质动态变化，为突水预报提供了重要依据。Schubert在分析地层、构造、水文地质条件的基础上，通过模型试验模拟井孔抽水，揭示了砂岩渗透率变化对渗水的影响。波兰学者Motyka & Bosch分析了研究区岩溶发育情况及区域水文地质条件，强调了采动裂隙导通岩溶含水层是矿井突水的最大危险源。

中国矿井水害研究自20世纪60年代起步，在相对隔水层厚度的基础上，国内学者在焦作矿区水文地质会战时提出了突水系数的概念，即含水层水压与隔水层厚度的比值，用以表示单位隔水层厚度所能承受的极限含水层水压值。此概念在中国早期底板防治水中得到广泛应用，并作为评价底板突水可能性的指标。山东科技大学的李白英、荆自刚等学者通过现场研究，发现煤层底板岩层在开采过程中形成底板导水破坏带、有效隔水层保护带和承压水导升带，进而提出了“下三带”理论。该理论是矿井水害研究领域的重要成果，并得到广泛应用。“下三带”理论主要用于研究无断裂构造情况下底板的突水条件。施龙青、宋振骐等学者在“下三带”理论基础上，结合现代损伤力学及断裂力学理论，提出了采场底板的“四带”理论。谷德振提出岩体结构控制论，认为岩体由各种结构面切割，优势结构面对岩土工程、地质灾害等方面具有重要影响。矿山开采过程中，断层、采动裂隙以及软硬岩层接触面的存在，显著降低了岩土体稳定性，对矿井突水的发生具有重大影响。高延法等提出了煤层底板突水优势结构面理论，考虑到承压含水层的富水性和底板隔水层的隔水能力，认为突水首先发生在某一危险断面上，即“突水优势面”。中国矿业大学的钱鸣高院士、黎梁杰等学者提出了“关键层”理论，认为底板采动破坏带之下、承压含水层之上存在承载能力最高的岩层。煤科院西安分院的王成绪等学者提出“岩–水–应力关系”学说，认为底板突水是岩、水、应力共同作用的结果。

这些理论研究成果对于正确理解煤层底板突水灾害的发生机理具有积极作用，并在不同时期的煤矿底板突水防治工程实践中得到了应用。然而，由于底板突水问题的复杂性，理论研究多采用定性或半定量的方法，难以全面定量描述底板破坏突水的全过程。许多学者借助模型试验和数值模拟手段，对突水过程进行了更全面、深入的研究。例如，张英基于水–力耦合试验，分析了裂隙砂岩试样的强度、变形特征及渗透率变化规律，并运用RFPA软件建立了水–力耦合裂隙模型，揭示了煤层底板破坏突水灾变机制。尹尚先等研究了深部底板奥陶系及薄层灰岩水害致灾机理。张刚艳基于应力–应变–声发射试验，分析了超薄隔水层底板突水的裂隙演化过程，并提出了相应的突水机理[2]。

2.2. 矿井突水监测方式

煤炭资源作为我国能源结构的主体，其安全开采与防治手段的研究一直是持续不断的重点工作。在应对矿井水害的各种挑战中，水文地质条件的精确探查是至关重要的第一步。随着技术的进步，钻探、物探、电法、微震等多种监测手段已被广泛应用于煤矿监测工作之中。近年来，计算机技术的飞速发展，尤其是空间地理信息系统的广泛应用，以及微观、细观和宏观探测、治理技术与理论方法的显著进步，为矿井突水机理及其预测预报的研究提供了坚实的基础。

工程实践的大量案例表明，在煤层底板突水的实际过程中，通常会出现岩体应力变化、水压升高、涌水量增大等一系列前兆信息。这些前兆信息是利用监测仪器进行底板突水预测预警的重要依据。20世纪80年代后期，一些国家如匈牙利、南斯拉夫等开始采用偶极电阻率法、激发极化法等物探技术来探测地下含水层；澳大利亚、南非等国则利用微震监测技术来精确探测地下工程采场围岩的破坏范围。

早在20世纪80年代，中国煤科总院西安分院在淮南新庄孜煤矿进行了大规模的底板位移观测和底板破坏深度的注水观测试验，随后在多个受水害威胁严重的矿井进行了矿压测试、注水试验等。到了20世纪90年代中期，煤科院研制了煤层底板突水前兆监测的系列仪器。随着科技的发展，许多受底板突水威胁的矿井采用了地质雷达技术、抗地电干扰的瞬变电磁仪、三维高分辨率目标地震勘探仪、红外探测仪以及超前钻探法等综合物探方法来探测煤层底板潜在的突水点和突水通道，并取得了较好的效果。然而，这些监测结果仅反映了某一时刻的静态情况，未能动态地反映煤层底板随工作面推进的破坏演化过程，缺乏对底板破坏“突水通道”形成全过程的动态监测。

光纤传感作为一种新兴的监测技术，能够实现采场围岩变形、应力场、温度场等多项指标的监测，其监测点几乎可以覆盖整个监测面。在煤矿安全开采实时监测系统中，光纤传感发挥着至关重要的作用。根据工作原理的不同，光纤传感技术可分为FBG、OTDR、BOTDR、BOTDA和BOFDA等多种类型，主要利用波长、光损和布里渊频移的变化来反演应变和温度的响应特征[3]。近年来，微地震监测技术的发展为实时、动态监测岩体破坏提供了有效途径，并在矿井现场监测中逐步得到应用。微震、光纤等多功能、多维度监测设备目前已广泛应用于实践，并取得了较为精确可靠的研究成果。

靳德武等考虑到底板突水的可监测性、监测条件及适用范围，开发了一套基于光纤通信和传感技术的突水预警系统，该系统具备数据实时监测、远程分析及预警预报功能。白继文等通过深入分析地下水来源及导水通道，结合物探结果及关键层理论，建立了预警系统并确定了温度场、渗压场监测阈值。孙健和王连国利用微震监测采动时断层的特征变化，建立了基于微震数据的矿井底板突水预测模型。乔伟等结合微震、电法、光纤实时监测系统，以水压、水温、应力应变为指标，建立了基于云的煤矿水害预警平台。王鑫分析了水位、水温、水化学以及岩石力学指标作为突水预警指标的可行性，并确定了警报阈值。段建华在葛泉煤矿东井11916工作面，利用井–地–孔微震监测技术和视电阻率监测技术构建了底板突水综合监测系统，对引起突水的导水通道和水源两个关键要素进行实时监测，构建了底板突水综合监测系统。余国锋等以受水害威胁严重的张集煤矿深部开采A组煤为研究背景，开发了基于水文、充水水源及底板破坏实时监测物联网的底板突水灾害大数据预测预警平台，该平台基于水文监测系统和微震监测系统综合水位、水压、水质、水温、微震事件数实时监测数据，结合内嵌的神经网络模型实现突水危险性评价及预警。连会青等将矿井水害预警指标划分为动态指标、静态指标及关联指标，建立了基于多源数据融合和空间联动分析技术的水害预警平台。

3. 底板突水危险性研究

3.1. 危险性评价方法研究

危险性评价是一项关键的科学过程，它涉及识别和分析潜在的危险源，并采用适宜的方法来评估工程或系统发生事故及职业危害的可能性与严重性。这一过程为制定有效的危险源防范措施和管理决策提供了重要的科学依据。危险性评价主要包含两个核心方面：危险源的识别和危险程度的评估。评价方法根据其能否对评价指标进行量化处理，通常被分为定性、定量和综合评价三大类[4]-[7]。

(1) 定性评价方法

定性评价方法依赖于专家的经验和知识、对事物的观察以及对发展变化规律的理解，通过科学分析和判断来进行评估。目前，一些常用的定性评价方法包括安全检查表法、预先危险性分析(PHA)、危险可操作性研究(HAZOP)、故障树分析(FTA)、故障模式和影响分析(FMEA)以及危险度评价法等。故障树分析法，最初由Henley & Kumamoto提出，是一种广泛应用于大型复杂系统安全性与可靠性分析的方法。该方法通过研究事故发生的所有直接或间接原因，建立事件之间的逻辑关系，并通过倒树状逻辑图形象地表示出来。

(2) 定量评价方法

定量评价方法依据统计数据、监测数据以及同类或类似系统的数据资料，根据相关标准，运用科学方法构建数学模型进行评估。这类方法主要分为两种类型：一是基于可靠性和安全性的故障树分析、模糊综合评判、机械工厂固有危险性评价方法等；二是基于物质系数，采用综合评价的危险度分级方法。

3.2. 煤矿突水影响因素分析

我国煤炭资源丰富，但水文地质条件复杂，特别是可开采煤层底部常受到灰岩含水层的威胁。加之煤田构造条件的复杂性，多数矿区存在断裂构造发育，这些因素共同构成了矿井突水的决定性影响因素。

孙文禹等对焦作矿区的水文地质特征进行了深入勘察，根据地质构造的复杂性、裂隙的发育程度及其含水性、含水层间的水力联系、各含水层的富水性等，对区域水文地质条件进行了细致的分区。突水事故的资料分析表明，几乎所有的突水事故都与地质构造有关，特别是断层互相沟通、断层密度大、断层交叉及断距加大的区域。突水通道的形成是突水发生的关键，其形态和规模直接影响出水量的变化。孙鸿銮对突水通道的概念、形成机制以及突水通道、突水通道压降和实际出水量之间的关系进行了阐述。开滦赵各庄矿的地质测量科人员通过分析矿井突水的演化规律，如涌水量和冲击地压的变化，以及水化学类型分析，确定了突水通道及涌水水源，并指出矿井突水涌水量增加前必有矿山压力增大或底鼓的现象发生。秦学本对峰峰煤田底板突水进行了研究，认为突水与构造发育和地层压力密切相关。华北型石炭二叠纪煤田普遍受到煤层下伏灰岩含水层的威胁。李金凯对华北型石炭二叠纪煤田的灰岩突水进行了综合分析，探讨了灰岩突水的一些前兆信息，并认为突水通道的形成是由断层引起的。王良等基于大量突水资料的分析，认为底板突水与底板承压水的水压及水量、底板隔水层的厚度、岩性及组合结构、底板地质构造及原始导高、矿压等综合因素有关，并特别指出后两种因素是造成突水的主要因素。高航等分析了矿压及水压对突水的影响。张金才等总结了影响煤层底板突水的主要因素，包括地质构造、矿压、水压、底板隔水层特征、工作面采宽及开采方法，并对各影响因素进行了详尽的分析。Gartrell认为断层交叉点是流体渗漏的主要通道，而Jolley指出在灰岩等渗透性较差的岩层中，断裂、裂隙等的发育是岩石内水体流动的主要通道，这些裂隙与水流的相互作用加剧了裂隙网络系统的构建，从而增强了导水能力。Wu等分析了含水层富水性的评价因素，认为构造发育及岩性是影响地层富水性的主要因素。Nampa et al.以及Yin等学者对地下岩层发育特征进行了分析研究，阐明了岩层富水影响因素，并进行了富水性强度的分区，这在煤矿危险性评价的研究中具有重要作用。孟昭平等分析了煤层气开发后煤层底板岩石破裂压力、地应力、煤层底板含水层水压和隔水层有效厚度等条件，建立了煤层气开发后煤层底板突水危险性评价理论与方法。刘伟韬等分析了底板破坏深度的影响因素，并进行了敏感性分析，认为工作面斜长、采深、采厚对底板破坏深度的敏感性主次顺序为工作面斜长 > 采深 > 采厚；抗拉强度对底板拉破坏深度的影响显著；底板岩层黏聚力、内摩擦角对底板破坏深度及拉破坏深度的敏感性不显著；抗拉强度、内摩擦角对剪破坏深度的敏感性较弱，而黏聚力对底板剪破坏深度具有显著性影响。

3.3. 突水危险性评价方法

在煤层底板突水研究领域，多学科交叉融合的基础理论应用取得了显著进展。例如，ArcGIS技术的运用、人工神经网络、层次分析法、分形理论等工具的结合，为深入探究底板突水的机理提供了强有力的支持[8]-[10]。武强等研究者在总结底板突水的主控因素后，采用ArcGIS多源信息复合叠加技术，并结合层次分析法、CRITIC、熵权和变权等方法，通过脆弱性指数法对底板突水的危险性进行了综合评价[11]-[14]。靳德武等研究者利用人工神经网络方法进行底板突水的预测预报，充分发挥了神经网络在学习和适应性方面的优势[15]。施龙青等研究者采用耦合赋权的方法，将层次分析法与熵权法相结合，从主观和客观两个角度进行权重分配，并基于8个主控因素建立了多源信息融合评价模型[16]。刘江明在分析矿区水文地质条件的基础上，结合分形理论和层次分析法，对底板突水的危险性进行了评价[17]。李杨杨等研究者采用物理模拟试验的方式，通过自主研发的试验系统和相似模拟材料，研究了底板突水通道的形成、流量灾变演化及应力变化过程[18]。刘伟韬等研究者通过主成分分析消除评价因素间的相关性，并基于脆弱性指数法利用熵权确定各主控因素的客观权重，建立了主成分–熵权法评价模型，为矿上底板突水的预防和治理提供了科学参考[19]。

在底板水害危险性评价中，中国工程院院士武强教授提出的“脆弱性指数法”具有代表性，该理论体系已被纳入《煤矿防治水细则》。脆弱性指数法的成功实施需要满足两个基本条件：一是构建合理的评价指标体系；二是准确确定指标体系的权重[20]。权重的确定方法多样，包括层次分析法、变异系数法、熵权法、因子分析和主成分法、CRITIC、独立性权重和信息量权重等传统方法[21]-[24]。Chowdary VM等研究者基于自然资源和物理过程，采用多准则决策方法——基于层次分析法(AHP)的SYI模型(AHPSYI)，对流域进行优先排序，以印度玛尤拉克什流域为例进行了实证研究[25]。ThiThan等研究者结合变异系数法和熵权法构建了综合国际竞争力指数，并通过实证研究证明了该方法在评价木材加工业国际竞争力方面的准确性[26]。Aherwar Amit等研究者应用耦合AHP/CRITIC-COPRAS方法选择汽车零部件的最佳替代材料，通过标准间相关性(CRITIC)和层次分析法(AHP)确定每个被评估材料的权重[27]。然而，变权模型在底板突水评价中的应用相对较少。近年来，随着变权权重方法的发展，李博将变权引入到脆弱性指数法中，形成了变权型脆弱性指数法[28] [29]，原有的脆弱性指数法中评价指标的权重是固定不变的，无法综合反映各主控因素在不同区域煤层底板突水中的主要作用。由于影响煤层底板的因素众多，且在不同区域各指标的数值大小存在差异，导致在特定区域或点上导致底板突水的关键因素可能不同。固定常权方法无法充分体现这一内在因素。而变权模型的引入，可以通过变权状态向量动态调整各分区域的指标权重，实现对煤层底板脆弱性的精细化分区。

4. 结论与展望

(1) 众多研究致力于深入探讨岩体的岩性、构造发育程度、地层的空间结构以及水文地质条件等关键因素。宏观层面上，这些理论研究为理解煤矿水害的成因提供了坚实的基础。然而，在微观层面，当研究细化到各个具体环节时，仍存在许多细节问题亟待解决和深化。在不同的地质环境背景下，需要对现有理论方法进行适当的调整，以确保它们能够更准确地适应实际地质条件，从而提高煤层底板突水危险性评价的准确性，并深化对突水机理的理解。此外，提出切实可行的治理措施也是研究的重要方向。

(2) 当前的底板突水危险性评价多采用静态方法，主要依据煤矿底板隔水层的阻水性能和承压水的突水潜力，考虑构造发育、含水层的富水性、隔水层的厚度等关键因素，构建评价指标体系，并赋予各指标固定权重，以得出特定时刻的静态评价结果。然而，煤层开采是一个充满变化的动态过程，不同开采阶段的各评价指标及其权重会随之变化。因此，开发能够适应不同开采阶段的底板突水危险性动态评价模型显得尤为必要。这种模型能够提供更为灵活且可靠的评价结果，有助于指导采取适时的危险源控制措施，从而显著提升煤矿的安全开采水平。

参考文献