威脅巷道的承壓水水害隱患預測及防治研究現狀

摘要:我國華北型煤田由于深部水文地質條件復雜，奧陶紀灰巖含水層富水性強，水壓值大，造成下組煤開采過程中常因掘進中巷道圍巖因高水壓會造成突水災變事故，危及生產安全。文中首先總結了近年來部分開拓工程突水實例，并分析了巷道開拓突水機理，然后綜述性地論述了巷道高承壓突水和巷道延伸開拓工程水害防治的研究現狀和主要技術成就，文章對受高承壓水威脅的巷道水害的預測和防治具有一定的指導意義和實用價值。

關鍵詞:巷道開拓承壓水突水機理水害防治

中圖分類號:TD745文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)07(c)-0003-03

1 概述

對于華北型煤田，由于深部礦床水文地質條件復雜，奧陶紀灰巖含水層富水性強，水壓值大，可達到2.0～6.5Mpa。下組煤層與其下伏的灰巖巖溶含水層之間的隔水層厚度一般只有10～20m，最大50～60m。此類煤田有河北的井徑、臨城、邢臺、邯鄲、峰峰、開灤，河南的安陽、鶴壁、焦作、平頂山、新密、豫西，山東的淄博、月巴城、萊蕪、新漢、棗莊，江蘇的徐州、大屯，安徽的淮南、淮北，山西的霍州、軒崗、潞安，陜西的渭北，遼寧的本溪、南票，吉林的通化等30多個。目前，北方主要礦區受巖溶水威脅的煤炭儲量達150多億噸，如何將這些煤炭從承壓水上解放出來，實現安全高效煤礦的生產，一直是中國煤炭行業的主要攻關課題之一[1]。

2 礦井開拓工程突水實例

據統計，礦井井巷涌水量約占礦井總涌水量的50%以上，特別是在井巷通過有水力聯系的松軟破碎帶、斷層裂隙帶或直接揭露含水層時，常因掘進中巷道圍巖等卸壓加載等引起的礦壓現象，使巷道圍巖產生變形、破壞、坍塌、冒落，當抗壓巖柱小于動水壓力時，會造成突水災變事故，危及生產安全[2]。目前，國內煤礦開采過程中，各種巷道開拓突水事故時有發生，甚至在建井期間即發生突水，造成淹井或停產事故。大量實踐表明，巷道突水在煤礦水害事故中占有很高的比率，以下列舉幾例巷道開拓時發生突水的實例。

1993年1月15日，某煤礦在開采太原群下部煤層時，受底部承壓灰巖水的嚴重威脅，在巷道掘進時發生32970m3/h特大突水淹井事故(突水原因是巷道超壓掘進，底板奧灰巖存在富水區及強逕流帶，q=0.85～101L/(s·m)。

2006年8月28日，某鐵礦發生突水，瞬時最大水量928m3/h。造成井巷被淹，礦井治水停建(突水原因分析是巷道接近F4導水斷層所致)。

2010年3月1日，某煤礦在礦井建設巷道開拓時，發生72000m3/h底板奧灰巖溶水特大突水事故，涌水量為新中國建國以來第二大(突水原因是對巷道底板奧灰承壓水危險性認識不足，巷道盲目超前掘進所致)。

2010年3月28日，某嶺礦在礦井建設開拓中，發生重大突水事故，事故發生當時被困153人，經過煤礦歷史上最大規模搶救，但仍造成38人死亡(突水原因是巷道盲目超前掘進導通老空水)。

部分開拓工程突水實例見表1。

因此，延深受承壓水威脅的礦井時，為適應其水壓高、水量大的特點，在延深設計與施工中必須充分考慮防水、排水、治水的需要。必須高度重視水害預報、探水、治水工作，否則，由于延深開拓時還未形成強大的排水系統，而發生災害事故。

3 巷道開拓突水機理

而對于深部礦井巷道開拓工程，突水特征是過程發張快，峰值高，衰減快。其具體突水過程具有明顯4個階段[3]:

(1)前兆段，井巷發現淋水、底鼓、頂板來壓、水色變黃等，時間一般一天以上。

(2)突水段，出水量＞1t/min，水量逐漸增大，直至大水突出。時間2h～14d不等。

(3)快速發展段，大水突出，常伴有巨響，巖石崩裂，混濁水沖出，水量急劇發展到最大值。時間2～22h，這是最具淹井威脅的時段。

(4)水量衰減段，突水影響半徑達到補給邊界，含水層水力坡度逐漸平穩，水量逐步減少，直到穩定。一般3～46d，水量衰減程度與含水層補給條件有關，一般補給條件良好，衰減值30%～50%，補給條件差的，衰減值60%～90%。

掘進巷道引發的突水事故比較多，與其它類型的突水事故相比，巷道突水有其明顯的特點，就是遲到(或滯后)突水，其前兆往往被人忽視，沒有及時采取措施而造成了嚴重的突水事故，文獻[4]詳細描述了巷道滯后突水的共性，即①巖石破碎遇水膨脹;②上下巖層或本巖層富含水;③突水點與斷裂構造帶連通;④支護不及時或支護結構后面有空隙，能允許圍巖很快產生大變形;⑤出水時間滯后，即均在圍巖被揭露一定時間后發生;⑥突水時有明顯的誘導因素;⑦初時突水為集中涌水，水量較小，之后伴隨圍巖或支護的破壞，水量逐漸增大，最后出現大面積淋水;⑧涌水量增加是漸次遞增，并數次突變，在達到穩定涌水量前一階段遞增突變尤為迅速;⑨在達到一定涌水量后，水量趨于穩定。

4 巷道高承壓突水國內研究現狀

4.1 巷道高承壓突水因素的研究

文獻[5-10]分析華北型煤田煤礦開拓底板突水的主要過程，總結影響巷道等開拓工程底板突水的影響因素，認為主要突水因素為:水壓、富水性(q值)、隔水層厚度及巖性組合、構造。

文獻[11]提出單位水壓所允許的等效隔水層的厚度即突水系數;文獻[12]從動力學的角度分析了底板突水的機制，認為突水是礦井水文地質狀態的突變，是巖石中原生破缺和次生破缺的發展過程，這個過程分為兩步，一種是破缺的發展過程，是緩慢的，并不導致突水，另一種是破缺暴漲的失穩，是一種快過程、是引起巖體破壞并且導致突水的突變過程;文獻[13]建立了底板突水尖點突變模型。

從統計資料來看，巷道底板發生的突水事故占有相當部分，其主要機理是巷道開挖引起底板破壞，產生裂隙與底板含水層直接或間接溝通，并采動影響導致底板突水并引發突水事故。對于深部巷道延伸開拓工程，由于受底板高承壓水的威脅最大，一旦巷道底板突水，其表現往往水壓高、水流急、水量大等特點，所以對巷道掘進施工中的危害也是最大，故在巷道施工中也是最優先要考慮的突水因素。

4.2 巷道開拓突水預測的研究

突水預測預報是近年來礦井突水災害防治研究的一個重要方面，很多學者致力于這方面的研究工作，取得了重大進展，形成了不同的學科分支和研究方向。從各類突水預報方法所依賴的基礎理論劃分，可將其分為泛決策分析理論和巖體工程地質力學理論兩大體系。目前關于巷道開拓突水預報可供參考的資料則很少，也沒形成一個好的評價方法，所以對于深部巷道突水預測預報的研究則是一個新的研究領域。

張文泉等進行的礦井頂板涌水量的模糊預測與防治決策研究;劉光慶等完成的礦井頂板水害預測與防治專家系統;劉偉韜等提出的頂板涌水等級評價的模糊數學方法;鄭綱用模糊聚類分析法預測頂板砂巖含水層突水點及突水量的研究。其他的研究方法還有人工專家系統方法進行安全評價的方法、應用人工神經網絡進行安全評價的方法等[14-20]。

眾多學者從不同角度探討了底板突水的預測方法，對于指導承壓水上采煤起到了重大的指導作。

5 巷道高承壓突水國外研究現狀

在國外，對煤礦突水的研究也已有100多年的歷史，現如今對煤礦水害研究的重點放在礦井水對地下水質的污染方面[21-22]，而對深部開采巷道掘進過程中受高承壓奧灰巖含水層威脅突水的研究不多。

關于巷道開拓底板變形與破壞，N.A.多爾恰尼諾夫等認為，在高應力作用下(如深部開采)，巖體或支承壓力區出現漸進的脆性破壞，其破壞形式是裂隙漸漸擴展并發生沿裂隙的剝離和掉塊，從而為巷道底板高壓水突入礦井創造了條件。實質上，對巷道底板突水問題的研究與巖體水力學問題的研究密不可分。[33]1986年O.da用裂隙幾何張量統一表達了巖體滲流與變形之間的關系[23]。

1944年，匈牙利韋格.弗倫斯次提出底板相對隔水層的概念，建立了水壓、隔水層厚度與底板突水的關系，后被許多巖溶水上采煤的國家引用[35]。20世紀50年代后，國外用現場和實驗室相結合的方法研究了隔水層的作用。60～70年代，仍以靜力學理論為基礎，但加強了地質因素一主要是隔水層巖性和強度方面的研究。在匈牙利、南斯拉夫等國，廣泛采用了相對隔水層厚度，即以泥巖抗水壓的能力作為標準隔水層厚度，將其他不同巖性的巖層換算成泥巖的厚度，以此作為衡量突水與否的標準[36]。1970年后，前蘇聯等國家也開始研究相對隔水層的作用，包括采空區引起的應力變化對相對隔水層厚度的影響，以及水流和巖石結構的關系。因此在國外對突水這方面的研究也早以形成了較為系統的理論體系。

6 巷道延伸開拓工程水害防治研究現狀

巷道延伸開拓工程水害防治主要包括施工前的防治和施工中的防治。為消除水害威脅，按“有疑必探，先探后掘”的防治水原則，在施工之前通過各種手段查清巷道周圍區段的水文、工程地質條件，并通過合理的布置巷道來預防開拓時可能的水害。這其中包括加強對水文地質條件的研究，對礦床的充水條件，補給關系、含水層、隔水層關系及地質構造的影響要作深人分析研究，并做出突水時的涌水量預側，以便及時做出防范措施。對水文地質條件復雜、底板水壓較高的區段，要采取必要的物探、鉆探等措施以徹底摸清危險區域的地質條件。在充分查清巷道圍巖水文、工程地質條件的基礎上，優化巷道延伸開拓布置方式。將巷道盡量布置在巖層穩定，而厚度較大的堅固巖層中，同時巷道布置要保證合理坡度以有利于排水，根據預測的涌水量配備足夠的排水設備，保證排水能力。條件許可時，可在采區中適當位置設置泄水巷或提前沿等高線施工下區段軌道順槽，利用其存水或排水。目前對礦井開拓工程施工中水害防治的研究主要側重在對水源的堵和疏，堵水是通過化學注漿的方法將隔水巖層裂隙進行填充，封堵導水通道，或改造含水層為隔水層，從而達到對破碎巖層的加固和地下水流場的改變或流速的弱化，續而減少巷道涌水量;疏水則是通過打放水泄壓孔對含水層的水位進行疏降，從而為巷道延伸工程的安全施工打好地質基礎。以下簡單介紹下在施工中的兩種常見的防治水方法的研究發展現狀。

6.1 注漿堵水

用化學漿液加固巖層，在蘇聯已進行廣泛的研究。1978年后，美國有九個州的四十多個煤礦應用聚氨醋注漿加固巖體，其他的國家日本、英國、西德等都應用了化學方法加固巖體;在理論方面。1968年Show D.T.通過實驗發現平行裂隙中滲透系數的立方定律以后，人們對裂隙流的認識從多孔介質流中轉變過來，1974年Louis根據鉆孔抽水實驗得到裂隙中水的滲透系數和法向地應力服從指數關系，以后德國的Eri chsenpen又從裂隙巖體的剪切變形分析出發建立了滲流和應力之間的禍合關系，1986年Oda用裂隙幾何張量統一表達了巖體滲流與變形之間的關系網，1992年Derek Elsworth將似雙重介質巖石格架的位移轉移到裂隙上，再根據裂隙滲流服從立方定理的關系，建立滲流場計算的固一液耦合模型，并開發了有限元計算程序[24]。這些成果都為治理礦井水災提供了理論依據。注漿技術用于我國水患治理至今已有30余年的歷史。1984年開灤范各莊煤礦巖溶陷落柱特大突水事故注漿堵水的成功，首次證明了我國煤礦水文地質工作者在治理國內外罕見突水災害上的勇氣和駕馭大型堵水工程的能力。

我國學者在巖體注漿領域開展了研究，在經典滲流理論的指導下取得了豐碩成果，形成了以下理論[25]:①等效孔隙介質模型;②離散裂隙網絡模型;③雙孔介質模型。

從以上我們可以看出，注漿堵水作為巷道開拓防治水的一種主要方法已被廣為實踐，并取得了很好的效果。近年來，中國礦業大學姜振泉、隋旺華教授等研究了化學注漿漿液材料，在注漿堵水方面也取得了很好的實踐效果[26]。

6.2 疏水降壓

影響高承壓水體下巷道掘進的安全因素有很多，如地質構造、巷道頂板巖性、巖石的結構構造、膠結方式、巖層的裂隙發育程度、地層傾角、地下水水頭差或水壓，以及其他一些外在因素，諸如掘進巷道寬度、巷道支護方式、施工工藝等。

對于深部巷道延伸開拓工程來說，主要充水含水層是本溪組徐、草灰及奧灰水，主要以巷道底鼓突水形式泄入礦井。當巷道附近含水層的富水性較弱且并無強大的補給源時，我們可以通過疏水降壓方式來降低含水層的富水性，從而達到安全施工。這種治理模式的地質條件首先應滿足疏水降壓的可行性，即疏放的目的含水層其富水性較弱，疏降后含水層的富水性以及隔水層所承受的靜水壓力均產生變化。

在深部巷道下山掘進過程中，如果是穿過的巖層較松軟時，排水泵應緊跟隨著掘進頭的向下延深而移動，在工作面直接排除積水，以便減少積水對下山圍巖的侵蝕影響。但是下山掘進頭在穿過比較穩定的巖層時，則可以選用打超前傾斜排水孔排除下山掘進頭積水的方式，有利于提高下山掘進速度。

目前國內通過疏水降壓來防止深部巷道開拓水害的方法有:①巷道疏干法;②防滲帷幕法;③鉆孔疏干法。

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