礦山突水災害影響因素分析及防治措施研究

王建軍，周英烈，饒斌，馬強，陳順滿

(1.中鐵隧道局集團有限公司 北京分公司， 北京 100020；2.石家莊鐵道大學 土木工程學院， 河北 石家莊 050043)

礦井突水災害是指礦山在生產過程中，由于巷道開挖、含水層、采動影響及鉆探等導致地下水突然大量涌出，引起礦井全部或局部被淹沒的礦井涌水事故，嚴重影響礦井的安全生產，易產生經濟損失和安全損失[1]。

隨著社會的快速發展，人們對礦產資源的需求急劇增加，越來越多的礦山由露天開采逐漸轉化為地下開采，淺部開采礦山逐漸向深部開采過渡[2]。在深部開采中，通常會面臨“高地溫、高地壓和高水壓”等問題，由于地下水的存在，特別是存在含水層的礦山，易導致采場突水和底板突水等事故，對井下人員和設備構成巨大的威脅[3]；另外，由于井下突水事故的發生，還容易對礦山的生態環境產生一定的影響。因此，亟需對礦山突水主要影響因素進行分析，并制定有針對性的礦井突水防治措施，以保證礦山的安全生產[4]。

1 礦井突水影響因素

為了提高礦山的安全性，防止井下發生突水災害事故，需對礦井突水災害事故的影響因素進行分析，本研究在總結國內外各突水礦山的地質構造、水文特征以及開采狀況等情況的基礎上，分析這些礦山的突水原因及其存在的安全隱患，綜合研究分析認為礦山突水原因主要有以下5個方面[5-11]。

1.1 礦井突水水源

礦井突水事故發生的根源是由于地下水的存在，在外界環境的刺激下，導致地下水滲透到井下采空區或巷道等，從而導致礦山發生井下突水事故[1,6,10,12]，因此，首先需掌握礦井發生突水事故的根源，即明確礦井突水的水源分布。結合國內外各突水礦山的典型事故，可將影響礦井突水事故發生的水源特征歸納為以下幾類：大氣降水、孔隙水、地表水、裂隙水和地下含水層等，下面主要對大氣降水、地表及采空區積水、地下含水層的特征進行研究。

1.1.1 大氣降水

大氣降水主要是由于降雨而產生的水[13]，其水量的大小與地區、降雨量等因素有關，特別是有些地方降雨量較大，比如中國南方地區降雨次數多、降雨量較大，而在中國北方則降雨次數相對較少，且大氣降水是造成井下發生突水事故的重要水源之一。在井下開采中，由于地質構造等不同的影響，巖石或土體均含有一定的孔隙和裂隙等，在大氣降水的作用下，地表水會沿著巖體中的孔隙或裂隙逐漸滲透至井下，當涌水量達到一定程度時，可能會引起礦井發生突水災害事故。

1.1.2 地表及采空區積水

造成礦井發生突水事故的另一個較為重要的水源為地表及采空區積水。對于有些礦山而言，在地表分布有零星的池塘和河流等，且在井下殘留有采空區等，這些區域均是儲存地下水的主要通道[9,14]。一方面，由于巖體為天然的裂隙或孔隙巖體，地表水易通過巖體中的裂隙或孔隙滲透到井下；另一方面，隨著開采的進行，會產生爆破震動等動荷載作用，導致巖體中的裂隙逐漸增加，或者由于地質構造的存在，使得地表水通過斷層等構造與井下采場進行貫通；最后，在老的采空區中也可能存在一定的積水，這些因素均會導致礦井發生突水災害事故。因此，礦山在開采過程中要高度重視井下水災的防治，無論是掘進巷道還是開挖采場，均需提前做好補充勘探和探水工作，掌握礦區的水文地質條件，完善井下采空區和積水區等相關資料，為井下防治水害提供堅實的基礎。

1.1.3 地下含水層

地下含水層是礦井發生突水事故最為重要的水源之一[10]，特別是存在較大含水層的礦山。含水層含水量的大小與含水層的厚度、含水層距離采場的距離等因素有關，由于井下采場的開采，含水層附近的巖石層在動荷載擾動作用下易產生裂隙，從而給地下含水層提供滲流通道，一旦含水層中的水源滲流到采場，易導致淹井事故的發生。在地下開采中，首先，需探明含水層的厚度及含水層距離礦體的厚度；然后，結合礦山開采技術條件和水文地質條件，確定合理的采礦方法等，特別是有些采空區的頂層和底板沒有隔水層時，一旦發生礦井涌水事故，其產生的后果會極其嚴重，因此，在礦山開采過程中需打探水孔提前探水，做好井下水預防工作。

1.2 礦井充水通道

礦井突水水源是導致礦井發生突水事故的首要條件，而水源到達采場必須具備相應的滲水通道[1,6,15]，國內外典型礦山的突水事故表明，裂隙、斷層、頂板冒落帶、鉆孔、井筒、采空區、巖溶和孔隙等均是礦井發生突水事故的重要通道，其中導水裂隙帶和垮落帶為最主要的通道，一般會對礦井突水災害產生較為嚴重的影響。

1.3 礦井的地質因素

一般情況下，開采礦區的地質條件相對比較復雜，除了由于本身的開采規模和施工方式等會對突水產生比較重大的影響以外，一個很重要的影響因素就是與礦體本身所賦存的巖性有關[16]。從地下工程突水的發生條件來看，施工干擾是誘發突水的關鍵因素，水文地質條件才是突水的主要影響因素，而水文地質條件主要是受采礦區域的地形地貌條件、地層巖性、地質構造和巖溶水動力分帶條件等因素所影響，因此在礦山開采之前，需做大量的地質勘探工作，掌握礦區的地質情況，以指導礦山進行安全生產。

1.4 工程因素

除了礦井突水水源、充水通道和地質因素外，影響礦井突水災害事故的另一個重要因素為工程因素[17]，工程因素主要包括地下水壓力、隔水層厚度、地質構造、采動礦壓、爆破震動和開挖擾動等因素，在存在礦井突水水源的基礎上，由于地質因素和充水通道的影響，受工程因素的作用，會誘發充水通道進一步發展，在多因素綜合作用下導致礦井突水事故。工程實踐表明，采礦工藝、施工方法和管理等均會導致井下突水災害事故的發生，且大多數突水事故均是發生在施工爆破開挖后，因此，井下爆破擾動是影響礦井發生突水災害事故工程因素中最為重要的因素之一。

1.5 人為因素

造成礦井突水事故的影響因素較多，在明確了造成礦井突水事故的水源及充水通道的基礎上，除了一些本身的工程地質條件和工程因素會直接造成礦井的突水事故外，人為因素也是造成礦井發生突水事故的主要影響因素之一[18]，這主要是由于有些現場作業人員缺乏安全意識，或者未按照標準和規范進行現場施工。

一般情況下，礦井發生突水事故都會有一定的征兆，比如礦巖壁出現滲水和掛汗現象等。首先，由于礦山未按照要求對現場工作人員進行安全教育培訓，造成現場工作人員安全意識淡薄，對礦井突水災害事故出現的前兆了解不夠，當礦井突水災害事故征兆出現時，現場工作人員可能未及時發現，或未及時將現場情況上報給領導并采取相應的措施，從而導致礦井突水災害事故的發生。其次，現場工作人員對現場工程地質條件掌握程度不夠，盲目進行開采和掘進，未及時進行超前探水，也可能造成礦井突水災害事故。最后，在礦山進行防治水工作過程中，由于人為因素影響，可能會出現擅自更改設計或偷工減料等情況，造成現場防治水措施不到位，進而引起礦井突水災害事故。

2 礦井突水防治措施

為了保證礦山的安全生產，提高礦山的安全效益和經濟效益，減少礦井工作人員和設備的安全隱患，在礦山開采前期，必須對礦山水文地質資料進行詳細勘察，制定合理的礦井突水防治措施，并嚴格按照這些要求執行，最大限度地降低礦山發生突水事故的可能性。結合國內外礦山進行井下防治水的成功案例，礦井防治水必須堅持的原則為：預防為主，防治結合。礦井防治水的措施主要包括如下幾個方面：加強礦區監測[19]、井下防水[20]、充填開采[21]、建立礦山突水信息化系統[22]和完善救災體系[23]等。

2.1 加強礦區監測

在礦體開采前，首先，需要對礦區附近的水文地質條件進行詳細勘察，預測該礦區容易發生突水的部位，結合礦山水文分布、地質構造及觀測孔的數據，預測不同區域發生突水事故的級別[8-10]；其次，在礦山開采過程中，應布置一系列的涌水量、滲透系數等監測點，定期對相關的監測數據進行分析，為礦山進行突水事故預防提供基礎數據，指導礦山進行突水事故預防。

2.1.1 開采前的突水監測

在礦山開采前，首先，需打地質鉆孔，借助相關的儀器設備，對礦區周圍的水文地質條件進行勘測，結合礦區水文地質條件和構造地質條件，在典型部位開展放水試驗等，并布置觀測孔，明確不同區域富水程度分布情況，劃分出礦區突水災害事故可能發生的危險區；其次，采用放射性探測或物理探測的方法對整個礦區可能發生突水事故的位置進行探測，并布置相關監測點，預測礦區突水事故發生的可能性。

2.1.2 開采過程突水監測

在礦山開采過程中，應在可能發生突水事故的部位布置涌水量監測點，并采用放射性探測或物理探測的方法對突水易發地段進行監測，實時了解礦山開采過程中可能發生突水事故的可能性。

2.2 井下防水

由于水文條件和巖石地質條件的影響，在礦體開采過程中，巖體應力場會發生重新分布，特別是在爆破震動和地下水等多因素綜合作用下，巖體的裂隙會逐漸擴展，使巖體內部產生更多的裂紋，導致巖體的強度降低；其次，由于爆破震動等因素產生的巖體裂隙，為地下水的滲流提供了優勢通道，使得地下水沿著薄弱地段向井下采空區滲入，因此，需要在井下設置一系列涌水量觀測點等，并采取系列措施減少地下水的威脅。根據礦井突水水源的分布，可將井下防水分為地表水的防治和地下水的防治。

2.2.1 地表水防治

地表水主要來源于大氣降雨以及地表河流、湖海中的水，是井下突水的主要來源之一，因此，為了防治礦井突水事故，首先需要控制地表水，主要防治措施是在地表構筑相關的防水工程，防止地表降水直接滲入到井下：

（1）確定合理的井筒位置及地表主要建筑物、建筑設施的位置。首先，需掌握礦區歷年來最高洪水位情況，依據相關設計標準，合理設計井筒和地表主要設施的標高，保證在任何情況下礦井井口不被洪水淹沒；其次，當礦區最高洪水位高于井筒及工業構筑物的標高時，必須修筑相應的防水設施。

（2）在地表修建排水溝等防洪設施。在礦區附近或者可能發生突水區段的上游，應當設置防洪排水溝，防止地表水流入到礦井區域內；其次，部分礦山設置排水溝相對困難時，可以設置截水溝截斷水源。

（3）修建人工河床。很多礦區地表存在大的河流，而河流底部可能存在直接貫通到井下的滲流通道，因此，應盡可能將河流進行改道，如果無法改道，可對河床底部進行人工處理，鋪設人工河床，防止河流水直接滲入到井下。

2.2.2 地下水防治

在礦體開采過程中會破壞天然的巖石層，使天然的巖體強度大大降低，含水層的水將會侵入井下，因此，在礦體開采過程中，需要采取一系列的措施減小水害發生的可能性，綜合分析認為主要的地下水防治措施有以下幾點。

（1）超前探測。超前探測就是在礦山進行開采前，采用物理探測或者放射性探測等手段對采場的頂板和底板進行探測，并對開挖巷道的周圍進行探測，以探明水源分布狀況，掌握礦區水文和地質構造情況，防止地下水和地質構造等可能造成的礦井突水事故。

（2）帶壓開采。一般情況下礦體底板和含水層之間會存在一個隔水層，在礦體開采過程中，無法對含水層的水直接進行疏干，為了保證礦山的安全，首先應探明隔水層的厚度，采取合理的采礦方法，實現帶壓開采。

（3）井下截堵水。對于地下水較大的礦體，可在井下留設防水礦柱，或者修建防水閘門、防水閘墻等設施，阻斷水源，使地下水不威脅整個礦區。

（4）注漿堵水。采用水泥漿或化學注漿的方式改善巖體結構，充填和膠結裂隙巖體，使巖體更加致密，提高圍巖的強度和致密性，從而增加圍巖的阻水能力，實現堵水的目的。

（5）疏水降壓。探明地下水的補給、徑流和排泄條件，結合礦山水文情況和地質條件，根據選用的采礦方法，可采取優化采場回采順序或打卸壓孔等方式進行疏水降壓開采，減小底板承壓水對礦井安全的威脅。

2.3 充填開采

為了限制礦井充水的通道，可將充填采礦方法應用于礦山開采中[21]。研究表明，充填采礦方法不僅可處置地表尾砂，還可對井下采空區進行充填，顯著降低采場圍巖破壞程度，改善井下采場作業安全條件，因此，充填采礦方法可有效防治突水災害事故。

2.4 建立礦山突水信息化系統

隨著現代信息技術的發展，計算機現代化水平和電子信息技術均得到了快速發展，其應用越來越廣泛，因此，在礦山開采過程中，可在現場采取監測化信息系統對礦井地下水進行監測，前期需對礦山水文地質條件進行詳細勘探，并掌握采礦技術、安全技術、地理信息技術、專家系統理論、數據庫和計算機等相關技術和知識，從而提高礦井防治水的信息化水平[22]。

2.5 完善救災體系

為了提高礦山的突水災害事故防范能力，不僅需要對礦山突水的影響因素進行詳細勘探，還需要加強礦山監測，建立礦山突水信息化系統，盡可能地減少礦井突水災害事故的發生。但一旦發生災害突水事故，需立即啟動應急救援預案，因此，在礦山建設過程中，需考慮發生礦井突水災害事故的可能性，配置符合要求的排水設備，預防突水事故。

如何在發生礦井突水災害事故時快速啟動應急救援設備，調動礦井突水災害事故救災資源，盡可能減少突水災害事故的損失，是我國礦山企業面臨的重要問題之一。在這種形勢下，礦井突水救災體系可市場化，應在全國范圍內增設區域救災中心，協調好各區域應急救災資源，以加快救災進度。

3 結語

我國很多礦山已逐漸進入到深部開采階段，許多礦井經常會出現突水現象，嚴格制定防治水措施對保護人民的生命財產安全有重要意義。本文在總結國內外礦山突水事故的基礎上，分析了礦井突水的影響因素，并從礦區突水預測、井下防水、充填開采工藝、建立礦山突水信息化系統和完善突水救災體系等方面提出了有效防治礦山突水的措施。為了提高我國礦井突水災害事故應急救援能力，國家應加強對礦井突水災害事故防治的管理力度，并將該制度落實到各礦山企業。從業人員要強化安全意識，加強對現場水文地質條件的勘測，全力做好礦井突水災害防治工作，提高礦山企業的安全水平。