礦山采掘巖體滲透變形災變機理及防控 Ⅱ：底板突水*

隋旺華

(中國礦業(yè)大學， 資源與地球科學學院， 礦山水害技術(shù)基礎(chǔ)研究實驗室， 徐州 221116， 中國)

0 引 言

劉國昌先生發(fā)表的《在礦山水文地質(zhì)勘探中對礦山井巷堅固性與露天開采邊坡穩(wěn)定性的工程地質(zhì)評價》一文(劉國昌， 1958)，對我國礦山工程地質(zhì)工作提出富有指導性的研究方向，文中提出的水文地質(zhì)工程地質(zhì)工作內(nèi)容至今仍有不少是熱點和難點，堪稱礦山水文地質(zhì)工程地質(zhì)的“立典”之作(李廷棟， 1991)。在地下水滲透穩(wěn)定性方面，該文重點關(guān)注了地下水進入坑道后對巖體裂隙的滲透損傷、冒頂及流砂沖潰災害、底板承壓水突水、動水壓力造成的巖土體潛蝕、多年凍土熱動態(tài)變化誘發(fā)巖土體松散(或者液化)。在《高應(yīng)力的地區(qū)礦區(qū)工程地質(zhì)問題(以金川礦區(qū)為例)》一文中(劉國昌， 1983)，先生再次強調(diào)了裂隙滲水對豎井圍巖穩(wěn)定性的重要作用。

滲透變形和破壞問題是影響礦山建設(shè)和安全生產(chǎn)的主要水文地質(zhì)工程地質(zhì)問題之一，在我國礦山工程地質(zhì)發(fā)展過程中始終得到研究者和工程師的重視，反映在諸如建立礦業(yè)類院校的水文地質(zhì)工程地質(zhì)專業(yè)(狄乾生， 1988， 1998)和礦井水文地質(zhì)工程地質(zhì)工作中(柴登榜， 1983； 肖有權(quán)， 1983； 余霈， 1986； 李德安， 1987； 狄乾生等， 1988； 胡社榮， 1992； 于雙忠等， 1994)以及礦井疏排水巖溶地面塌陷(卞昭慶， 2000)、礦山突水水壓與結(jié)構(gòu)面強度關(guān)系(許兵， 2000)、地下水對邊坡穩(wěn)定性的影響(盧世宗， 2000)、礦山安全地質(zhì)(卞政修等， 1988； 隋旺華， 2021)等研究工作中。

礦山地下工程中滲透變形破壞的主要表現(xiàn)形式有底板突水、頂板突水及潰砂、防水閘墻與圍巖界面滲透破壞、斷層或者水體下防水煤柱滲透變形、斷層帶突水、陷落柱突水、井壁滲水破壞等等(崔廣心等， 1991； 張咸恭， 1993； 虎威岳， 2005； 隋旺華等， 2007， 2008， 2019a， 2019b； 武強， 2013； 范立民等， 2015； 隋旺華， 2017， 2022a， 2022b； 董書寧等， 2020； 丁甲等， 2021)。

礦山地下工程滲透變形破壞的誘因是由于采掘活動破壞了處于動態(tài)平衡狀態(tài)的地下水流場和地下應(yīng)力場環(huán)境，其失穩(wěn)機理及防控的科學問題體現(xiàn)了多場(滲流場、應(yīng)力場、化學場、溫度場等)、多相(固液氣及流固耦合)、巖體結(jié)構(gòu)界面地下水作用失穩(wěn)等復雜科學問題(許兵等， 1976)，因此，底板突水是一個典型的水文地質(zhì)與工程地質(zhì)交叉結(jié)合的問題，還涉及到礦業(yè)工程、安全科學與工程、巖土力學、滲流力學等多學科，需要多學科應(yīng)對。

經(jīng)過多年的研究和工程實踐積累，在解決礦山滲透變形失穩(wěn)方面，已經(jīng)形成了從水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探入手，預測評價和防控的一系列方法手段。

筆者選擇以下專題討論礦山采掘巖體滲透變形災變機理及防控問題：頂板突水潰砂、底板突水、防水閘墻等。

本文主要討論底板突水問題。礦山底板突水是常見的滲透變形破壞類型，尤其是華北型煤田隨著開采深度的加大，底板面臨著高承壓含水層的威脅，有的礦區(qū)煤層底板隔水層水壓高達10MPa以上，災難性的高壓水突出淹井事故影響巨大。例如，近年來發(fā)生在駱駝山礦、古城礦、桃園礦的底板突水事故造成巨大經(jīng)濟損失甚至人員傷亡。對底板突水災害的預測評價和治理雖然取得了長足的進展，但是還沒有從根本上解決這一水患。不同學科對深部高壓突水科學問題的本質(zhì)認識不同，因此，有必要進一步厘清底板突水的機理，以適應(yīng)向地球深部進軍的國家戰(zhàn)略需求，也可為其他深地工程的水害防控提供參考。

1 底板突水系數(shù)提出、演變及其內(nèi)涵

1.1 提 出

人們對于底板突水機理的認識來源于生產(chǎn)實踐，我國的礦井水文地質(zhì)工作者在防治底板突水的實踐中，最早認識到水壓及底板隔水層厚度之間的關(guān)系。

表 1 突水系數(shù)的演變和應(yīng)用

1964年原煤炭工業(yè)部組織了焦作礦區(qū)礦井水防治水文地質(zhì)勘查(時稱煤炭部焦作水文地質(zhì)會戰(zhàn))，王友瑜等(1983，1985)一批礦井水文地質(zhì)學者將底板突水分為3種類型：工作面煤層底板突水、煤層底板巖巷突水和斷層突水。針對第1種突水類型，首次提出采用底板含水層水壓及隔水層厚度之比來判斷底板突水是否發(fā)生，即：

K=P/M

(1)

式中：P為水壓，用水頭高度表示(m)；M為隔水層厚(m)。

用該參數(shù)反映“水壓及隔水層厚度的綜合均衡與突水的關(guān)系、礦山壓力破壞底板深度及底部導水巖層與突水的關(guān)系”(管恩太， 2010， 2012)。當時采用的水壓是水頭值，因此，K值沒有量綱。針對的突水機理是礦壓與水壓綜合作用的突水，按照當時焦作礦區(qū)開采的焦西礦、韓王礦、演馬莊礦、李封礦、王封礦等L8石灰?guī)r含水層造成的12例突水資料，獲得了第1類底板突水的條件是K=3.6～5.6。

1.2 演 變

表 1反映了底板突水系數(shù)的提出、演變和應(yīng)用的時間脈絡(luò)。“焦作會戰(zhàn)”期間，煤炭科學研究院西安煤田地質(zhì)勘探研究所的學者提出了煤層底板突水系數(shù)的概念(表 1中序號1和2)：

T=p/M

(2)

式中：T為突水系數(shù)，發(fā)生突水時的突水系數(shù)稱為臨界突水系數(shù)，記為Ts；p為水壓(MPa，提出時采用kg·cm-2)；M為隔水層厚(m)。

底板臨界突水系數(shù)的物理含義是單位厚度隔水層底板所能承受的極限水壓值。根據(jù)當時收集的峰峰、焦作、淄博和井陘礦區(qū)已經(jīng)發(fā)生的底板突水資料，統(tǒng)計了不同礦區(qū)的臨界突水系數(shù)，其值為0.06～0.15MPa·m-1，并以此作為采掘底板可能突水的指標(表 2)。由于該指標沒有考慮其他水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件，實際上是一個反映綜合因素的指標。

表 2 不同礦區(qū)臨界突水系數(shù)統(tǒng)計Table2 Statistics of critical water inrush coefficients in different mining areas

為了考慮巖層性質(zhì)、厚度、組合等對底板突水的影響，又參考匈牙利的經(jīng)驗，提出了巖石等效系數(shù)的概念，將其他巖層統(tǒng)一換算成泥巖厚度(泥巖的質(zhì)量等值系數(shù)為1)進行評價(楊成田， 1981)。之后，計算等效隔水層厚度時，又稍有變化，提出了巖石強度比值系數(shù)(砂巖的強度比值系數(shù)為1)。1978～1979年煤科院西安分院和峰峰、邯鄲等礦務(wù)局，在等效隔水層厚度上減去了底板破壞深度，對突水系數(shù)公式進行了修正(楊成田， 1981； 管恩太， 2010， 2012； 劉其聲， 2009)，這是對突水系數(shù)的第1次修訂(表 1中序號3)。煤炭工業(yè)部1984年頒布的“礦井水文地質(zhì)規(guī)程”和1986年頒布的“煤礦防治水工作條例”采用了修正后的突水系數(shù)，第1次將突水系數(shù)從技術(shù)法規(guī)角度固定下來，用于指導煤礦底板水害防治，該兩項技術(shù)法規(guī)在2009年煤礦防治水規(guī)定頒布后均已廢止?！跋氯龓А崩碚撎岢龊螅?1992年煤礦安全規(guī)程修訂時，又將底板含水層的導升高度從底板隔水層厚度中減去，這是對突水系數(shù)的第2次修訂(表 1中序號5)。2005年虎威岳(2005)又從底板“三帶”劃分的角度提出了突水系數(shù)的修正公式(表 1中序號6)， 2009年劉其聲(2009)提出了突水系數(shù)計算的統(tǒng)一表達式(表 1中序號7)。

1.3 回 歸

2009年“煤礦防治水規(guī)定”將突水系數(shù)恢復為最初的表達式(2)(表 1中序號8)，回歸突水系數(shù)作為一個統(tǒng)計值的初衷，也避免了對先期大量突水資料進行再統(tǒng)計的繁瑣(實際上有些數(shù)據(jù)也難以重新獲得)，該公式適用于回采和掘進工作面。就全國實際資料看，底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)一般不大于0.06MPa·m-1，正常塊段不大于0.1MPa·m-1。在2018年煤礦防治水細則修訂中，繼續(xù)沿用了該公式，但是適用范圍修改為采煤工作面，要求“一般不得大于”0.06MPa·m-1或者0.1MPa·m-1。并且明確了水壓應(yīng)該從含水層頂面算起，水位值取近3年含水層觀測水位最高值。2022年國家礦山安全監(jiān)督局頒布的煤礦防治水“三區(qū)”管理辦法，以突水系數(shù)為依據(jù)，把底板水威脅區(qū)域劃分為可采區(qū)、緩采區(qū)和禁采區(qū)，進一步明確了突水系數(shù)作為底板突水判據(jù)的技術(shù)標準和安全監(jiān)督執(zhí)法依據(jù)作用。也充分說明了突水系數(shù)概念簡明，現(xiàn)場技術(shù)人員易于掌握，總體上是實用可行的。

1.4 內(nèi) 涵

突水系數(shù)提出時，并非根據(jù)理論推導而來。為了尋求突水系數(shù)的理論依據(jù)，學者們對比分析了斯列薩列夫公式(卡明斯基等， 1954； 潘元伯， 1986)，認為可以從梁或者板的受力分析獲得突水系數(shù)的理論依據(jù)(霍振奇， 1985； 苗合坤， 1985； 陳鋼， 1986； 劉登憲， 2007)，這些推導過程中都是把隔水層底部的水壓作為一個均布荷載，把隔水層作為一個兩端固定的梁或者4端固定的板。斯列薩列夫公式采用的破壞準則是最大拉應(yīng)力準則，即當梁在均布壓力作用下產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力達到巖石的抗拉強度時，梁即發(fā)生破壞。如果按照最大剪應(yīng)力準則，突水系數(shù)物理概念比較接近于雙端固定梁的破壞的力學機理(霍振奇， 1985)。但是，以上解析都忽略了一個基本問題，那就是巖層的滲透力學特性和地下水的滲透作用。

當?shù)装逋凰纬煞€(wěn)定滲流時，采空區(qū)底板的水壓力看作0，這時，可以把作用在隔水層底板的水壓看成是隔水層底板到煤層底板采空區(qū)之間的水頭差ΔP=γwH(圖 1)，而隔水層厚度看成是滲透路徑的長度，K值(式(1))即為穩(wěn)定滲流時隔水層頂?shù)装彘g的水力坡度i?？梢姡m然研究者并未從滲流失穩(wěn)的臨界水力坡度出發(fā)來考慮系數(shù)K，但是，其物理實質(zhì)是水力坡度的概念，如式(3)所示：

i=Δh/L

(3)

式中：i為水力坡度，無量綱；L為滲透路徑長度，可看作底板隔水層的厚度；Δh為沿著滲透路徑的水頭降，可以看作底板隔水層底部和頂部的水頭差(H)，即作用在隔水底板上的水壓。

圖 1 底板突水時的水壓力Fig. 1 Water pressure when water inrush occurs from seam floor

由此可見，突水系數(shù)的表達完全可以看成是底板巖層發(fā)生滲流穩(wěn)定時的水力坡度。這一點可以回歸到最初對突水案例進行統(tǒng)計時的表達式(1)。

滲透力的大小則由式(4)計算：

J=γwiV

(4)

式中：J為滲透力(kN)；i為水力坡度，無量綱；γw為水的重力密度(kN·m-3)；V為滲流作用的體積(m3)。

對松散地質(zhì)介質(zhì)的滲透力可以看成是分布在土體內(nèi)部的體積力。

作用在裂隙巖體的滲透力對巖體裂隙施加垂直于裂隙壁的法向靜水壓力造成巖石裂隙擴容，同時對巖體裂隙施加與裂隙水流方向一致的切向動水壓力或者拖曳力(柴軍瑞等， 2001； 仵彥卿等， 2001； 毛昶熙等， 2009)，作用在一面裂隙壁的剪應(yīng)力大小為：

(5)

式中：b為裂隙寬度。

巖體的極限水力坡度可以通過實測獲得。例如，金沙江某水電站破碎帶巖體的極限水力坡度為40，臨界水力坡度為20(唐軍峰等， 2010)。

通過煤層底板鉆孔的壓水試驗可以獲得其阻水能力(王振安， 1983； 高德福， 1990； 尹尚先等， 2008)。姜振泉教授團隊通過全應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析提出巖層的臨界抗?jié)B強度的概念(即，全應(yīng)力-應(yīng)變曲線上導致巖石開始形成裂隙性滲流的平均應(yīng)力值)，在兗州礦區(qū)煤系中進行的鉆孔壓水試驗表明底板巖體的臨界抗?jié)B強度為1.79～2.77MPa·m-1，下組煤斷層破碎帶的臨界抗?jié)B強度為0.148～0.335MPa·m-1，而不同巖層段的臨界水力坡度達到20.6～124.1(姜振泉等， 2002； 黃震等， 2014，2015； 錢自衛(wèi)等， 2021； 王顯輝， 2022； 張蕊等， 2022)。淮北楊莊礦六煤層底板斷層破碎帶實測抗?jié)B強度為0.12MPa·m-1(吳基文等， 2003)。

針對底板臨界抗?jié)B強度的研究是更接近突水物理實質(zhì)的研究，將底板滲透變形破壞研究向前推進了一步。今后，如何將阻滲強度和突水系數(shù)之間的物理機制結(jié)合起來考慮，更好地利用已有大量的突水系數(shù)科學數(shù)據(jù)積累，是值得進一步探討的課題。

2 底板突水預測評價方法演進

底板突水預測評價方法可以分為基于巖體工程地質(zhì)力學及滲流力學的計算評價方法和泛決策分析方法兩大類(靳德武， 2000， 2002， 2003)。從方法演進的角度，分述如下。

2.1 靜力平衡法

底板突水預測評價的靜力平衡法是用于露天礦底板突水評價的，露天礦采場基底面積較大，忽略黏土巖層底板的內(nèi)摩擦力和黏聚力，則有(卡明斯基， 1954； 為貼近現(xiàn)在習慣表達，符號稍有改變)：

γ巖t=γw(s+t)

(6)

式中：γ巖為底板隔水巖層的重力密度；t為隔水巖層的厚度；s為采礦場掌子面上水壓面的超高值。

劉國昌(1958)介紹該公式時，指出要考慮由于地下排水作用造成的水力坡度增高對松散巖石的潛蝕作用和對裂隙巖石的滑動影響； 還要考慮內(nèi)摩擦力和黏聚力的作用。

靜力平衡法考慮因素比較簡單，對于地下工程底板突水僅僅作為近似參考。

2.2 斯列薩列夫公式法及其擴展

斯列薩列夫公式是建立在嚴格的材料力學基礎(chǔ)上的底板安全水頭表達式(卡明斯基等， 1954； 楊成田， 1981； 潘元伯， 1986)：

(7)

式中：H安為安全靜水壓力的理論值；Kp為隔水層底板巖層的抗拉強度；t為隔水巖層的厚度；l為巷道寬度，采礦工作面時取掌子面前空間的寬度(卡明斯基等， 1954)；γ為底板隔水巖層的重力密度。利用該公式計算出的安全水壓值和實際作用在隔水底板上的水壓值進行對比，評價底板突水的危險性，并且可以確定應(yīng)該疏降的水壓大小。該公式的關(guān)鍵是如何確定底板巖層的抗拉強度指標，因為底板巖性和巖體結(jié)構(gòu)的復雜性，顯然采取室內(nèi)試驗獲得的抗拉強度值難以反映實際情況，所以主張采用底板突水資料或者壓水試驗資料進行反算(楊成田， 1981)。式(7)也常被改寫成計算底板安全厚度t的表達式，在此不再贅述。

表 3 不同巖體結(jié)構(gòu)類型的底板巖層平均阻滲強度取值建議(張新武， 2016； 王顯輝， 2022)Table3 Recommended average impermeability strength for the floor rock with different structural types

基于梁板理論的公式在不斷改進，例如，推導了考慮完整梁抗剪強度的計算公式(苗合坤， 1984)； 四邊固支板模型、“砌體梁”模式和有斷層底板的破壞(錢鳴高等， 1995； 張金才等， 1997)； 底板損傷突水模型(施龍青等， 1998)； 底板彈性巖梁力學模型(郭敬中等， 2011)； 考慮地應(yīng)力作用的關(guān)鍵層分層破壞模式和臨界水壓(黎良杰等， 1995； 王妍等， 2019； 魯海峰等， 2020)； 彈性力學固支梁破壞模式的極限水壓(沈義東， 2021)等等。這些改進從不同方面更加接近底板突水的力學機理，但是由于公式相對復雜，生產(chǎn)技術(shù)人員仍然習慣于采用形式簡單的斯列薩列夫公式。將煤礦采區(qū)底板看成是一個四邊固定由復雜巖石組成的矩形板，并推導出采區(qū)底板最易破裂點的水壓方程式，建立了P，h臨界曲線法，依據(jù)水壓和隔水層底板厚度的關(guān)系及實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行突水判別(葛亮濤等， 2001)，是走向生產(chǎn)實際應(yīng)用的又一重要途徑。

2.3 突水系數(shù)法及其衍生

突水系數(shù)法就是經(jīng)過統(tǒng)計礦區(qū)的底板突水產(chǎn)生的條件獲得臨界突水系數(shù)Ts，預測評價新的工作面是否發(fā)生底板突水，上文中已經(jīng)詳細敘述。目前雖然已經(jīng)回歸到最初的簡單表達形式(2)，但是，對其進行的科學研究以及后續(xù)改進對于認識底板突水機理、完善預測評價方法仍具有重要意義。例如，對隔水巖柱和底板破壞深度的等效厚度的改進(段水云， 2003)； 基于有效應(yīng)力概念的礦井臨界突水系數(shù)修正公式(楊天鴻等， 2011)，考慮了滲流作用，將有效應(yīng)力原理引入突水系數(shù)計算和突水危險性評價，進一步反映了突水的力學本質(zhì)； 底板臨界突水系數(shù)非線性P-M方程和預測方法的建立(段宏飛， 2012)等等。

帶壓安全系數(shù)法起源于底板阻水強度的概念(左如松等， 2002； 黃震等， 2014； 王顯輝， 2022)，表達式為式(8)：

A=Pm/P

(8)

式中：A為帶壓安全系數(shù)；Pm為實測底板阻滲強度；P為水壓，計算時可采用含水層近3年水壓最高值(王一棟， 2014； 張新武， 2016； 王顯輝， 2022)。

其中：抗?jié)B強度Pm為可以根據(jù)各層巖層的實測值確定后累加，也可以根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)特征取經(jīng)驗值(表 3)(王顯輝， 2022)。

如果式(8)分子分母都除以隔水層厚度也就變成兩個水力坡度之比了，再次佐證采用水力坡度概念表述突水系數(shù)的本質(zhì)是科學的。

當采用阻滲強度安全系數(shù)法時，要考慮不同巖層的阻滲強度，一般采用鉆孔進行實測，實測時選取代表性底板巖層。當然，如何采用鉆孔壓水試驗數(shù)據(jù)更好地代表大范圍底板阻滲強度值得深入研究。

在底板突水系數(shù)評價方法基礎(chǔ)上，建立了考慮其他因素的底板突水預測評價方法，例如，質(zhì)量比值系數(shù)和強度比值突水系數(shù)改進公式(劉欽等， 2011)； 突水系數(shù)-底板隔水層厚度法，簡稱Ts-M法(李偉， 2012)； 突水系數(shù)-單位涌水量法，簡稱Ts-q法(喬偉等， 2009； 李偉， 2012； 朱開鵬， 2020)等等。這些改進在一定程度上彌補了單純采用突水系數(shù)進行預測評價的不足，但是由于采取的評價指標具有一定的相關(guān)性，因此，在反映其物理機理方面仍需進一步研究。

2.4 “下三帶”法

“下三帶”理論和方法由李白英教授提出，通過實測發(fā)現(xiàn)在礦壓和水壓聯(lián)合作用下，采動煤層底板可以劃分為“由礦壓產(chǎn)生的底板導水破壞帶、具有阻隔水能力的隔水層帶和由礦壓和水壓聯(lián)合作用而產(chǎn)生的承壓水導升帶”(李加祥等， 1990)； 之后，又將“承壓水導升帶”看成原始導高與采動再導升高度之和?！跋氯龓А崩碚摰装逋凰A測最初提出的判別如式(9)：

λ=F2MⅡ-P

(9)

式中：λ為判別值；MⅡ為隔水帶厚度；F2為每米隔水帶平均阻抗水能力；P為水壓。

1999年將“下三帶”重新命名為：底板導水破壞帶h1； 保護帶h2； 承壓水導升帶h3(李白英， 1999)。并指出第一帶普遍存在，其他兩帶不一定都存在。類比水體下開采，提出了承壓水上開采等級和允許采動等級。通過圖示方法，利用“下三帶”將底板突水安全性劃分為安全、不夠安全、不安全、易突水和很危險5類。定量評價方法則是在計算有效保護層厚度基礎(chǔ)上，仍然利用突水系數(shù)法、阻水系數(shù)法評價底板是否突水。

2.5 滲流動力學方法

利用滲流動力學和巖體工程地質(zhì)力學的基本理論，分析研究底板巖體(包括破碎巖體)中的滲流失穩(wěn)突水，反映了底板突水的本質(zhì)，有較為嚴密的理論推證。

基于采場底板關(guān)鍵層力學模型，建立了采動巖體滲流的動力學模型及失穩(wěn)突水判據(jù)(繆協(xié)興等， 2004， 2007)。判別式需要通過試驗獲取巖層的滲透率k和達西流偏離因子b。采用流固耦合數(shù)值模型模擬煤層底板(包括含陷落柱底板)損傷破裂和滲流的演化過程，解釋了底板導水通道形成的過程(陸銀龍， 2013)。針對層狀巖體 Forcheimer 型非達西滲流建立了層狀巖體失穩(wěn)判別方法，主要根據(jù)巖層的厚度、滲透率和非達西流因子β。通過滲流失穩(wěn)試驗和斷裂力學理論解釋層狀或者破碎巖體的失穩(wěn)機理，提出滲流突變失穩(wěn)準則和判據(jù)(孫明貴等， 2005； 梁德賢， 2016； 陳閣， 2018)。這些方法從滲流動力學的理論出發(fā)，由于其建模時的假設(shè)和限于礦山的技術(shù)條件缺乏重要參數(shù)的積累，因此，在日常技術(shù)評價工作中推廣應(yīng)用較難。

突水臨界指數(shù)判據(jù)方法是對比底板隔水層承受的水壓和其中的最小主應(yīng)力，見式(10)，當其大于1時，就判斷為突水。 從一定程度上反映了水壓和隔水層應(yīng)力之間的關(guān)系。

I=Pw/σ2

(10)

式中：I為臨界突水指數(shù)；Pw為底板隔水巖體承受的水壓；σ2為底板隔水巖體的最小主應(yīng)力(李抗抗等， 1997)，可采用實測值(林旭東， 2019)。

從巖體工程地質(zhì)力學角度，研究煤層開采圍巖體的滲透穩(wěn)定性，綜合考慮不同地質(zhì)模型和不同突水機制，以結(jié)構(gòu)面形成強滲通道的條件和依據(jù)作為判據(jù)(許學漢， 1992)，這是從本質(zhì)上研究底板突水機理、監(jiān)測、預警及防治的一條很好的途徑，但是底板巖體結(jié)構(gòu)和煤系斷層結(jié)構(gòu)研究受到地質(zhì)條件的隱蔽性的限制，這種思路的進一步應(yīng)用客觀上難度較大。

2.6 基于地理信息系統(tǒng)的方法

采用地理信息系統(tǒng)可以將影響底板突水的各個因素進行量化處理，并擬合出發(fā)生突水的可能性與各影響因素的關(guān)系，以此進行新采區(qū)或者新工作面的底板突水預計(孫亞軍等， 1990； 張大順等， 1994； 孫蘇南等， 1996)。與物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術(shù)相結(jié)合，進一步豐富了地理信息系統(tǒng)在底板突水預測中的應(yīng)用(孟祥瑞等， 2013)。脆弱性指數(shù)法以地理信息系統(tǒng)為平臺，提取主控因素并確定其權(quán)重，劃分突水脆弱性分區(qū)，后期又擴展出不同類型的脆弱性指數(shù)法(武強等， 2007a， 2007b， 2007c， 2009， 2013)， 該方法也成為煤礦防治水細則推薦的方法之一。

2.7 基于機器學習的方法

近幾年來，基于機器學習的方法在底板突水中的應(yīng)用方興未艾，例如，早期的基于統(tǒng)計的信息分析方法(靳德武， 2003)、聚類分析(陳凱等， 2013； 陳戀等， 2021)、專家系統(tǒng)方法(張敏江， 1989)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(施龍青等， 2020； 陳建平等， 2021； 江澤華等， 2021； 尹會永等， 2021； 秋興國等， 2022)、基于支持向量機的方法(李穎， 2007； 張風達， 2016)、多元信息融合方法(張心彬等， 2006； 尹會永等， 2008)等等。隨著人工智能理論和技術(shù)的發(fā)展，促使傳統(tǒng)研究范式的改變，有可能對目前積累的大量案例，包括不同地質(zhì)條件、賦存環(huán)境和開采條件獲得的底板突水數(shù)據(jù)進行再分析和再認識，建立更加符合實際的預測方法。

3 基于滲透變形破壞的評價和防控方法

3.1 抗?jié)B安全系數(shù)

根據(jù)上述對突水系數(shù)內(nèi)涵的分析，從臨界水力坡度角度可以建立底板突水預測方法。

底板突水發(fā)生滲流后，經(jīng)過一段時間，可以形成穩(wěn)定的滲流場，其穩(wěn)定水力坡度可表示為：

(11)

式中：is為底板滲流的穩(wěn)定水力坡度；H為作用在隔水底板上的承壓水頭(m)；M為底板隔水層厚度(m)。

底板發(fā)生突水的臨界水力坡度icr與穩(wěn)定水力坡度is的比值稱為抗?jié)B安全系數(shù)：

(12)

當F>Fs時，底板滲流失穩(wěn)，發(fā)生突水。Fs為評價底板隔水層是否突水的安全系數(shù)，一般情況下可以取為1，如果礦區(qū)有經(jīng)驗值可以按照經(jīng)驗值獲取。

底板巖體突水的臨界水力坡度綜合反映了底板巖體抵抗?jié)B透變形破壞的能力，其確定途徑有三：各個礦區(qū)可以從已有的突水系數(shù)的統(tǒng)計值推得； 根據(jù)底板實際的鉆孔壓水試驗獲得； 根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)特征等進行估算。

底板巖體突水的臨界水力坡度的影響因素包括底板巖體的完整性、巖性、滲透率、底板破壞深度、斷層影響、地應(yīng)力環(huán)境、水力損傷等。底板發(fā)生滲流破壞失穩(wěn)時的臨界水力坡度icr與相關(guān)因素的關(guān)系可以定性地表達為：

(13)

式中：icr為臨界水力坡度；GSI為地質(zhì)強度指標；KV為圍巖巖體完整性系數(shù)；σm為平均地應(yīng)力；Gs為巖體的比重；Cc為隔水層導水通道貫穿系數(shù)；n為巖體的裂隙率或者溶隙率；b為裂隙寬度；D為巖體的水力損傷因子；P為底板含水層作用在隔水底板的水壓力。

選取主要因素，并考慮到量綱統(tǒng)一，推薦：

(14)

式中： 地質(zhì)強度指標GSI反映了巖體與巖石強度的關(guān)系； 巖體完整性系數(shù)KV采用巖體縱波速和巖石縱波速之比的平方，反映巖體結(jié)構(gòu)特征及完整程度； 巖體導水通道貫穿系數(shù)Cc是描述底板、底板破壞帶或者斷層帶導水情況的修正系數(shù)，根據(jù)統(tǒng)計綜合分析確定； 水力損傷因子D可以通過循環(huán)崩解實驗獲得。

3.2 底板突水危險源辨識與危險性評價

底板突水危險源是采掘過程中可能導致礦井突水事故發(fā)生危險的根源或狀態(tài)，底板突水危險源辨識是選擇突水防控措施和建立監(jiān)測預警系統(tǒng)的基礎(chǔ)。目前，危險源辨識方法較多，可以依據(jù)危險源辨識方向和人的意識進行分類，詳見有關(guān)文獻(隋旺華， 2021)?；跐B透變形破壞原理和事故樹的底板危險源辨識如圖 2所示。底板突水辨識、評價和防控的主要步驟見圖 3。

底板突水危險性評價分為靜態(tài)評價和動態(tài)評價。目前采用的大多是基于恒定權(quán)重的靜態(tài)危險性評價，通過研究，筆者團隊初步建立了改進動態(tài)變權(quán)-未確知測度理論的底板突水危險性動態(tài)評價模型和脆弱性-時間序列模型(Wang et al.，2022)。

圖 2 基于滲透變形破壞原理和事故樹的底板突水危險源辨識(據(jù)Wang et al.(2022)修改)Fig. 2 Hazard identification of water inrush from seam floor based on principle of seepage failure and fault tree analysis (Modified after Wang et al.(2022))

圖 3 底板突水危險源辨識評價和防控分析過程(據(jù)Wang et al.(2022)修改)Fig. 3 Process of analysis hazard identification， evaluation and control of seam floor water inrush(Modified after Wang et al.(2022))

圖 4 某工作面基于抗?jié)B安全系數(shù)的注漿后底板突水危險性動態(tài)評價Fig. 4 Dynamic risk assessment of seam floor water inrush based on the safety factor against seepage failure after grouting in a mine panel

應(yīng)用本文提出的抗?jié)B安全系數(shù)或者傳統(tǒng)的突水系數(shù)，結(jié)合采動過程，可以建立簡便的動態(tài)評價方法。該方法既可以用于未治理底板的評價，又可以用于治理效果評價。如圖 4為根據(jù)抗?jié)B安全系數(shù)對淮北礦區(qū)某礦一工作面底板區(qū)域超前注漿后進行的動態(tài)評價，可見整個煤層開采過程中，抗?jié)B安全系數(shù)均大于1，說明開采是安全的。該結(jié)論已經(jīng)獲得實際開采驗證。動態(tài)評價的方法可以反映開采過程中底板突水危險性的動態(tài)變化，有利于開采過程中針對性的防控。

3.3 主動防控原理

主動防控措施包括采取措施減小穩(wěn)定水力坡度is和增大臨界水力坡度icr兩個方面。減小穩(wěn)定水力坡度的措施就是疏降底板含水層水壓，這是成熟的技術(shù)措施。增大臨界水力坡度的措施，包括增加巖體的整體性、降低巖體的滲透性、減少隔水層裂隙和斷層的貫通性，底板隔水層注漿加固可以達到這些目的。目前技術(shù)上逐漸成熟并正在煤炭系統(tǒng)推廣應(yīng)用的底板區(qū)域超前注漿改造技術(shù)，可以同時達到上述3個方面的目的。充填開采也是控制底板突水的采礦措施之一。

4 討 論

采掘底板突水產(chǎn)生過程和機理可以分為3類。一是采掘揭露直接導通致災突水(包括溝通導水斷裂、導水陷落柱)，臨界突水系數(shù)小，隔水層厚度所起作用不大，防控的關(guān)鍵是封堵導水通道，可以通過沿斷層帶、陷落柱及其派生裂隙帶的注漿加固實現(xiàn)。二是滲透變形破壞致災突水(包括完整、塊狀、碎裂巖體的滲透變形破壞、斷層破碎帶、陷落柱充填帶、斷層面、斷層裂隙帶、陷落柱圍巖界面的滲透破壞)，采用臨界水力坡度的概念進行預測評價，隔水層有實際抵抗?jié)B透破壞的作用，其厚度具有意義，可以通過疏降含水層水壓或者注漿加固進行治理。三是采掘礦壓作用和水壓劈裂聯(lián)合致災突水，可以采用斷裂力學的評價方法，并要考慮到多場耦合作用，也可以采用等效臨界水力坡度的方法進行評價，其治理方法除了可以采用疏降、注漿外，還可以采用充填開采控制底板巖體破壞、采用頂板卸壓技術(shù)控制底板應(yīng)力分布，以控制底板突水的發(fā)生，例如，針對超前區(qū)域改造后仍有部分底板突水的情況，采取的頂板水力卸壓技術(shù)(王朋朋等， 2022)。

從本文對突水系數(shù)法的來源、演變和物理實質(zhì)的分析來看，突水系數(shù)法自20世紀60年代提出至今，經(jīng)過幾代礦井水文地質(zhì)工程地質(zhì)工作者的實踐檢驗。體現(xiàn)了中國礦井地質(zhì)工作者的集體智慧，是對世界礦井水文地質(zhì)學的貢獻。突水系數(shù)綜合反映了水壓、底板隔水層厚度、底板巖體構(gòu)造發(fā)育程度等幾個因素。突水系數(shù)并非根據(jù)薄板理論提出，而是一個統(tǒng)計概念，但是其物理機理符合滲流動力學原理，簡便易行，而且成為國家法規(guī)和技術(shù)規(guī)范的依據(jù)，也作為區(qū)域超前注漿治理的設(shè)計和評價的重要依據(jù)(郭慶， 2020； 冉德立， 2020； 國家礦山安全監(jiān)督管理局， 2022； 李凱等， 2022)

當然，對突水系數(shù)在實際應(yīng)用中存在的問題，值得進一步完善和修正。尹尚先等(2020， 2021)指出突水系數(shù)不適合于隔水層厚度超出80m的情形，并提出5類帶壓開采治理模式，提出巨厚隔水層帶壓開采評價方法(式(15))。

P0>3σ3-σ1-Pp+σt

(15)

式中：P0為底板巖體水力破裂的起裂壓力；σ1和σ3為底板巖體內(nèi)的最大和最小主應(yīng)力；Pp為孔隙水壓力；σt為巖石的抗拉強度。該判別式與鉆孔水壓致裂法測量地應(yīng)力時的臨界破裂壓力表達式近似，反映了礦壓和水壓聯(lián)合作用底板破裂致災突水的機理。礦壓水壓聯(lián)合作用下，水壓的致裂作用可能產(chǎn)生水楔劈裂作用(王則才， 2005)。對于深部開采能否根據(jù)臨界水力坡度進行滲透變形失穩(wěn)判別，需要進一步研究。

基于對突水系數(shù)物理內(nèi)涵的認識，宜因地制宜地研究和選擇各地不同地質(zhì)采礦條件的底板巖體的臨界水力坡度， 不宜對不同地質(zhì)條件、不同工程條件進行統(tǒng)一取值。

底板突水機理、預測、評價及防控技術(shù)研究雖然經(jīng)歷了長期的過程，但是，面臨深部高水壓、高地應(yīng)力環(huán)境和高強度開采擾動等復雜地質(zhì)采礦因素，為保障開采安全，值得深入研究的問題還很多，仍然需要礦山水文地質(zhì)工程地質(zhì)科研人員和工程技術(shù)人員經(jīng)過長期艱苦努力才能有所突破。當前，應(yīng)該集中力量攻克的科學和技術(shù)難題包括：底板突水的水文地質(zhì)概念模型和水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型(王振安， 1983； 靳德武， 2002)； 底板突水臨界水力坡度的表達與計算； 采動巖體抗?jié)B透破壞機理及其評價方法； 注漿改造底板巖體的抗?jié)B透變形破壞機理及評價方法； 區(qū)域超前注漿改造對底板水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)和環(huán)境的影響，以及注漿改造底板巖體的采動及爆破效應(yīng)； 高礦壓和高水壓的協(xié)同作用下斷層帶、陷落柱活化及其誘發(fā)底板突水的機理及評價方法(王鐵記等， 2020)； 深部開采底板突水與周期來壓、與工作面“見方”關(guān)聯(lián)性機制及防控(張勃陽， 2016； 王鐵記等， 2020)； 賦存地應(yīng)力環(huán)境及其采掘演變對底板突水的成災影響及防控意義； 底板改造前后突水危險性的動態(tài)評價方法； 數(shù)字孿生技術(shù)等在底板突水預測評價監(jiān)測和預警中的應(yīng)用； 人因工程學在底板突水防控及應(yīng)急處置中的應(yīng)用等。

5 結(jié) 論

本文從劉國昌先生對我國礦山水文地質(zhì)工程地質(zhì)學發(fā)展的奠基作用談起，綜述了煤礦底板突水系數(shù)提出、改進和應(yīng)用的歷史，并從滲透變形破壞產(chǎn)生的力學機理重新闡釋了突水系數(shù)的物理含義，主要結(jié)論如下：

(1)突水系數(shù)從物理機理上可以看成是底板巖層發(fā)生滲流穩(wěn)定時的水力坡度。基于底板巖體結(jié)構(gòu)臨界抗?jié)B水力坡度建立了底板突水判別的抗?jié)B安全系數(shù)方法，給出了底板臨界抗?jié)B水力坡度的概念表達形式。

(2)分析了底板突水評價方法的演進，建立了基于抗?jié)B安全系數(shù)的底板突水危險性動態(tài)評價方法，用于底板改造前后煤層開采過程中底板突水危險性評價。

(3)基于底板滲透變形突水災變機理，提出了減小穩(wěn)定水力坡度和增大臨界水力坡度兩方面主動防控措施，具體包括疏降底板含水層水壓、底板隔水層注漿加固、充填開采等。最后，展望了礦山底板突水面臨的科學技術(shù)難題和進一步研究的方向。

致謝及后記底板突水是一個非常復雜的水文地質(zhì)工程地質(zhì)問題，這方面浩瀚的文獻也反映了我國水文地質(zhì)工程地質(zhì)工作者勇于實踐追求真理的探索步伐。本文綜述時，難免掛一漏萬，對有些學術(shù)觀點的評述也不一定恰當，還請各位海涵。實踐是檢驗真理的唯一標準?？茖W的理論和方法將在實踐中不斷地完善和修正。底板突水有關(guān)研究和實踐也表明在礦山水文地質(zhì)工程地質(zhì)科學研究中進一步做具體事、做細致事的重要性，使我們的研究更進一步接近基礎(chǔ)科學和實踐需求。本文寫作過程中，多次與有關(guān)專家學者探討，感謝中煤科工集團西安研究院劉其聲研究員、鄭煤集團管恩太副總工程師、淮北礦業(yè)集團倪建明副總工程師等專家學者，給予的指導和提供的科學數(shù)據(jù)及資料。感謝王丹丹博士在底板突水動態(tài)評價中所作的工作和有關(guān)圖件編輯時提供的幫助，感謝姚鑫海碩士生提供的編輯幫助。