礦井滯后突水機(jī)理探討

盧榮茂

中煤水文局生態(tài)環(huán)境工程有限公司，中國·四川 南充 637716

1 引言

采礦過程礦井突水一直嚴(yán)重威脅采礦工作的順利進(jìn)行，一旦發(fā)生突水事故，給礦上經(jīng)濟(jì)和人員健康帶來嚴(yán)重?fù)p失。礦井突水主要是頂?shù)装寮袄峡胀凰，F(xiàn)階段，礦井滯后突水問題已經(jīng)發(fā)展為煤礦突水事故的主要問題，尤其是深部煤炭資源的開采，滯后突水問題愈發(fā)突出。掌握滯后突水機(jī)理，同時(shí)有效預(yù)防和治理礦井滯后突水問題是目前急需解決的問題。

2 研究現(xiàn)狀

礦井滯后突水是指煤礦在開采時(shí)并未發(fā)生突水，開采后某一時(shí)刻發(fā)生突水的現(xiàn)象，稱為礦井滯后突水。

煤礦滯后突水，是原來的隔水?dāng)鄬踊罨蔀閷?dǎo)水?dāng)鄬覽1]或者原來沒水的陷落柱在某一時(shí)刻突然導(dǎo)通，發(fā)生突水事故。目前研究斷層和陷落柱突水的文章很多，但很少有專門討論礦井滯后突水的研究。在采礦過程中，安全生產(chǎn)一直是重中之重，礦井防治水工作自然也需要一直圍繞礦業(yè)生產(chǎn)?，F(xiàn)階段的礦井防治水理論已經(jīng)比較成熟，從突水機(jī)理到防治水治理，在中國已經(jīng)形成一套完整的技術(shù)體系，并且可以應(yīng)對大部分的突水現(xiàn)象[2]。但是由于水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性，共性問題的基礎(chǔ)上也會存在個(gè)性差異?？紤]到時(shí)間因素的影響，很多礦區(qū)都或多或少遇到滯后突水的問題，比如某礦，由于開采作用，某工作面開始突水，前期涌水量為50m3/s，2h 后水量達(dá)到150m3/s，這就是一種滯后突水現(xiàn)象。還有些礦區(qū)，在開采初期并沒有涌水，隨著巷道的反復(fù)穿插，開始出現(xiàn)涌水現(xiàn)象。

現(xiàn)階段，對于礦區(qū)的突水，從理論，到勘察手段，到防治水技術(shù)研究成果頗豐。但并未考慮到具體滯后突水的時(shí)間影響。在滯后突水方面的研究，時(shí)間是很重要的因素，考慮時(shí)間變量擬合突水曲線，是礦井滯后突水的重點(diǎn)。也是目前礦井水害防治亟待解決的問題。

3 斷層滯后突水

3.1 斷層滯后突水機(jī)理

斷層活化導(dǎo)水是斷層滯后突水的根本原因，具有較大的不可預(yù)測性，也更易造成災(zāi)難，是地下工程重大威脅。為此，相關(guān)研究人員進(jìn)行了深入研究。認(rèn)為當(dāng)斷層面的切應(yīng)力大于斷層面的抗剪強(qiáng)度時(shí)，斷層上下盤會產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，促使斷層導(dǎo)水怕[3]。從裂隙滲流理論考慮采動(dòng)附加應(yīng)力導(dǎo)致導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)地下水與斷層面的法向應(yīng)力失衡是不導(dǎo)水?dāng)鄬踊罨瘜?dǎo)水的誘因，是斷層活化導(dǎo)水的必要條件[4]。

3.2 斷層滯后突水導(dǎo)致煤層頂板突水

斷層導(dǎo)致煤層頂板突水有兩方面因素：一是斷層本身活化導(dǎo)通水；二是斷層存在導(dǎo)致導(dǎo)水裂隙帶高度增加，破壞隔水層導(dǎo)通含水層，導(dǎo)致礦井突水。

李輝[5]等人以南方塘沖煤礦為例，分析了由斷層引發(fā)的頂板巖溶水的突水突水機(jī)理，塘沖煤礦煤礦頂板巖溶水在煤層上方90～100m，其下有10～30m 厚的隔水層，突水事故在一般情況下是難以發(fā)生的。而此次由于斷層的作用誘發(fā)了突水事故，說明斷層的作用不只是自身導(dǎo)水，還可能破壞采場圍巖承載結(jié)構(gòu)，引起上覆巖層失穩(wěn)而發(fā)生突水事故。

3.3 斷層滯后突水導(dǎo)致煤層底板突水

斷層導(dǎo)致煤層底板突水，主要是大水礦區(qū)深部開采，承壓奧灰水導(dǎo)通斷層發(fā)生突水。底板突水有兩方面因素：一是斷層本身活化導(dǎo)水；二是由于斷層的存在導(dǎo)致底板巖性破壞受力程度降低，破壞帶深度增加，可能導(dǎo)通含水層。

李凱[6]等以中國徐州某礦不導(dǎo)水?dāng)鄬訛槔?，采用多場耦合?shù)值模擬，推斷開采條件下深部煤層斷層活化，導(dǎo)致突水。在礦業(yè)開采推進(jìn)過程中，斷層帶內(nèi)應(yīng)力集中影響區(qū)不斷向斷層上部移動(dòng)；隨著采場的推進(jìn)，斷層活化區(qū)域由底部不斷向上擴(kuò)展，當(dāng)斷層活化區(qū)域與采場底板的塑性破壞區(qū)相連時(shí)，對于含水?dāng)鄬蛹葱纬蓪?dǎo)水通道，奧陶系高壓水沿?cái)鄬用姘l(fā)生滲流突變，引發(fā)底板突水事故。

4 陷落柱滯后突水

4.1 陷落柱滯后突水機(jī)理

陷落柱是一種特殊類型的埋藏型巖溶，它的形成是由于巖溶性巖體因水溶作用塌陷破壞形成的，陷落柱成為垂向?qū)凰ǖ佬杈邆? 個(gè)基本條件：①該陷落柱所處地段巖溶含水層富水；②要有一定的水頭壓力；③陷落柱體膠結(jié)不良、導(dǎo)水性好[7]。實(shí)例表明，采掘工程接近強(qiáng)含水巖溶陷落柱，如果不能有效控制溝通強(qiáng)含水巖溶陷落柱的涌水鉆孔，或者人為反復(fù)地鉆探破壞了強(qiáng)含水巖溶陷落柱的圍巖區(qū)，在水流沖刷和其他因素的綜合作用下，陷落柱圍巖應(yīng)力場發(fā)生變化，應(yīng)力驟降帶范圍擴(kuò)大，圍巖導(dǎo)水性增強(qiáng)，阻止和限制地下水流動(dòng)能力減弱，從而形成突水通道引發(fā)突水。

4.2 采礦活動(dòng)對陷落柱滯后突水的影響

由于地質(zhì)構(gòu)造的影響，陷落柱內(nèi)的水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力均小于正常的地應(yīng)力。陷落柱的下部充填好、充填物的膠結(jié)程度高，垂向應(yīng)力等值線在陷落柱附近從上至下呈現(xiàn)漏斗狀分布，并且陷落柱上部垂直應(yīng)力小于下部。工作面的回采使應(yīng)力重新分布，在工作面前方形成了應(yīng)力集中，在頂板和底板中形成了卸壓區(qū)。受采動(dòng)影響陷落柱中水平徑向應(yīng)力小于正常地應(yīng)力，水平切向應(yīng)力大于正常的地應(yīng)力。由于上述問題的存在，隨著采掘工作面的進(jìn)行，煤壁前方塑性區(qū)和陷落柱的裂隙帶和破碎帶疊加，此時(shí)導(dǎo)水通道已經(jīng)形成，如果同時(shí)具備巖溶含水層富水并形成水頭壓力就會發(fā)生陷落柱突水事故。

當(dāng)考慮充水因素時(shí)[8]，陷落柱滲透區(qū)的塑性破壞范圍增大，充水陷落柱周邊發(fā)育有塑性破壞區(qū)和滲透區(qū)域，塑性破壞區(qū)發(fā)育不太規(guī)則，滲透區(qū)域由下向上逐漸變大更容易導(dǎo)致陷落柱突水。當(dāng)工作面回采對陷落柱產(chǎn)生擾動(dòng)時(shí)，隨著充水水壓增大，其對陷落柱本身的泥化帶、裂隙帶和破碎帶的寬度都有很大的增加，有效的隔水帶減少。充水陷落柱較不充水的危害要大得多，即使是較小的采動(dòng)影響也能夠?qū)ο萋渲a(chǎn)生較大的活化作用。

采礦過程對充水陷落柱破壞的實(shí)質(zhì)是陷落柱在采動(dòng)應(yīng)力場和滲流場的相互作用下，滲流壓力引起陷落柱圍巖產(chǎn)生應(yīng)變，同時(shí)采掘工作形成的應(yīng)變也同樣會引起滲流系數(shù)的變化。并且，滲流場和應(yīng)力場自身隨時(shí)間、空間發(fā)生變化，且兩者相互作用處于一種復(fù)雜動(dòng)態(tài)變化過程中。

5 預(yù)防及治理措施

5.1 斷層滯后突水治理

斷層突水主要取決于3 個(gè)方面的因素：一是豐富的地下水的存在是造成底板突水的物質(zhì)基礎(chǔ)；二是礦山壓力和水壓力的共同作用是造成底板突水的動(dòng)力源；三是斷層及采礦裂隙的存在是造成底板突水的通道。因此，只要減弱含水層的富水性、降低造成突水的力源、堵塞或避開突水的通道，就可以大大減少底板突水的概率。減弱含水層富水性的主要技術(shù)方法是對煤層底板直接突水的含水層進(jìn)行注漿改造，使其在有可能突水的地段變?yōu)槿鹾畬踊蚋羲畬?；降低突水力源的主要技術(shù)方法是采用“雙降”，即降低礦山壓力和水頭壓力，避開突水的通道的技術(shù)方法是留足防水煤柱；堵塞突水通道的技術(shù)方法是注漿加固充填導(dǎo)水?dāng)鄬雍土严禰9]。具體措施包括：①底板含水層注漿改造；②減小采厚（減小開采引起裂隙帶高度）；③降低礦山壓力；④降低水頭壓力；⑤留足斷層防水煤柱；⑥對斷層加強(qiáng)探查。

5.2 陷落柱滯后突水治理

陷落柱突水的預(yù)防工作主要是留防水煤柱，同時(shí)采用超前探測查[10]，查明陷落柱的存在，并盡量避免接觸。在目前的回采工藝和技術(shù)條件下，注漿封堵是對陷落柱突水效果最好的治理措施，中國諸多礦區(qū)的生產(chǎn)實(shí)踐也充分證明了這一點(diǎn)。具體措施包括[11]：①巷道截流技術(shù)（適用于獨(dú)頭巷道內(nèi)突水事故）；②“止水塞”技術(shù)（適用于準(zhǔn)確掌握了陷落柱范圍和位置的突水情況）；③“三段式”堵水技術(shù)（根據(jù)陷落柱內(nèi)部特征人為的劃分為三段，本質(zhì)是“止水塞”技術(shù)的細(xì)化，效果好，節(jié)約治理成本）；④返流注漿技術(shù)（已初步控制陷落柱突水，未明確陷落柱范圍，可繼續(xù)打鉆孔加速封堵）；⑤留足防水煤柱。

6 結(jié)語

①論文分析了礦井滯后突水研究現(xiàn)狀，并對礦井滯后突水做了定義，提出深入研究滯后突水的時(shí)間因素優(yōu)點(diǎn)可以在最短時(shí)間內(nèi)預(yù)測突水可能，盡早治理可節(jié)約大量的經(jīng)濟(jì)成本，可以合理計(jì)算突水淹井時(shí)間。在原有計(jì)算時(shí)間的基礎(chǔ)上，可增加災(zāi)害發(fā)生時(shí)間，為人員安全及提早部署贏得寶貴時(shí)間。

②討論了活化斷層的滯后突水機(jī)理。由于開采工作的進(jìn)行，導(dǎo)致礦壓改變，原隔水?dāng)鄬踊罨瘜?dǎo)水。同時(shí)，由于斷層的存在，巖層的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)改變，在煤層頂板增加了開采裂隙帶高度，更容易破壞隔水層導(dǎo)通含水層引發(fā)突水事故；在煤層底板，開采破壞帶深度增加，有可能導(dǎo)通奧灰水，誘發(fā)突水事故，一般發(fā)生在大水礦區(qū)。

③討論了陷落柱活化導(dǎo)水突水機(jī)理。由于采礦活動(dòng)影響，隨著采掘工作面的進(jìn)行，煤壁前方塑性區(qū)和陷落柱的裂隙帶和破碎帶疊加，此時(shí)導(dǎo)水通道已經(jīng)形成。由于充水陷落柱周邊發(fā)育有塑性破壞區(qū)和滲透區(qū)域，塑性破壞區(qū)發(fā)育不太規(guī)則，滲透區(qū)域由下向上逐漸變大更容易導(dǎo)致陷落柱突水。

④結(jié)合上述滯后突水機(jī)理和現(xiàn)有防治水手段，分別總結(jié)了斷層突水和陷落柱突水預(yù)防及治理技術(shù)。