[00731818]矿井突水的水量预测理论与方法

矿井突水受多种因素的影响，突水水源、突水通道的类型、渗流特征与演变发展方向决定了突水量的大小，矿井突水预测预报是一个涉及水文地质、工程地质、开采条件、岩石力学等诸多学科的复杂问题。国外的前苏联、匈牙利、波兰、南斯拉夫及西班牙等国家，在开发煤过程中都不同程度的受到岩溶水的影响，较早地对矿井突水机理进行了研究。20世纪50年代中国首先引入了前苏联的斯列萨烈夫理论进行突水预测。20世纪60年代中国学者总结了大量突水案例，建立了“突水系数”的概念。20世纪70年代，煤科总院西安分院借鉴匈牙利的经验，考虑了矿压对底板破坏作用，对突水系数公式进行了修正。长期以来，上述两种方法在中国的矿井防治水方面发挥了重要的作用。20世纪80年代以后，随着一些新理论、新观念的引入，许多新理论、新方法开始应用于矿井突水预测。1． 含(导)水体渗流特征研究现状和发展趋势及存在问题[1]-[33：在含(导)水体特征研究方面，李白英等按成因总结出了两类五种突水综合成因类型，即断裂突水(断层切穿煤层、断层接近煤层、断层隐伏较远)、非断裂突水(隔水层强度不够、岩溶陷落柱导水)。王新等在对焦作矿区大量突水事例分析的基础上，通过“越导突水”的概念模型，讨论了由断层、密集型裂隙和陷落柱等构造形成的超导突水的特征。杨为民等基于对华北煤田内岩溶陷落柱充填特征的研究，指出泥石浆型堆积是煤系段陷落柱的主要充填物，其不仅充填陷落主腔体，同时也封堵腔壁裂隙带；“结石体”成泥砾结构，渗透性极低，是柱腔内最主要的“堵水塞”，而柱旁贯通性节理由于高压水楔渗透劈入，可成为最优导水通道，它能将动水切入陷落柱，进而引发活化突水。曲有刚等认为，以断层或陷落柱为通道的底板突水，在最大突水量时，突水通道内壁具有达到最光滑程度的特征，据此建立了最大突水量计算的圆形光滑管道模型。尹尚先等对中国北方型石炭二迭纪煤田的岩溶陷落柱隐伏垂向构造充水特征及受控机制的研究表明，陷落柱充水受地质构造运动、地下水径流条件、柱体内物质组成、压实和胶结情况以及承受水压大小等多种条件与因素的控制和影响，各种因素彼此促进和相互制约，只有处在现代岩溶水强径流带和集中排泄带并隐伏埋藏在地下水水位以下者，才能构成突水的潜在威胁。在含(导)水体探测方面，20世纪50年代，中国就已经开始了水文物探工作。直流电法勘探和电磁法勘探一直作为水资源勘察和水文地质条件评价的主要技术手段，通常以直流电测深法和剖面法为主；直到80年代，得益于自动化和计算机技术的发展，出现了高密度电阻率法、断面测深、激发极化法、瞬变电磁测深等方法。矿井直流电法的研究和应用已有30多年的历史。1986年苏联颁布矿井直流电法勘探规范，并应用于煤层小构造探测、矿井水文地质调查；匈牙利重点研究用于探测高阻煤层内小构造的直流层测深技术，在探测煤层含水构造、圈定煤层变薄区等方面取得了成功经验；国内方面，原煤炭步地勘司于1958年在京西矿区万佛堂平酮首次进行了井下电法实验，1986年以后，中国矿业大学、煤炭科学研究总院西安分院，唐山分院、淮北矿务局、峰峰矿务局、河北煤研所、邯郸矿务局等科研、生产单位开始进行矿井电法进行了一系列井下技术实验研究，河北煤研所、邯郸矿务局、煤炭科学研究总院西安分院和中国矿业大学等单位还相继进行了矿井电法掘进头超前探测试验。中国矿业大学自1998年以来开始进行矿井瞬变电磁法的应用研究，可以用于探测煤层顶底板及巷道石门揭煤和掘进工作面前方的隐伏地质构造、采煤工作面内的隐伏构造，并对裂隙中的突水性做出综合评判。中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所应用瞬变电磁测深研究煤层围岩的赋水性、主要断层的含水及导水性等问题。河北煤炭科学研究所用瞬变电磁勘探在井下含水构造及老空区探测方面取得一定效果。西安工程学院李貅运用瞬变电磁法获得不同时间道的电磁场信息反映不同深度介质的地电特征，用以调查测区内涌水通道及富水部位在立体空间上的分布情况。煤炭科学研究总院西安分院在兖州、开滦、淮北等矿区使用音频电透视法对工作面富水区进行探测，把激电场的衰减速度具体化为半衰时、衰减度、激发比等特征参数，不仅能较准确地找到各种类型的地下水资源，而且可在同一水文地质单元内，把激电参数与地层的含水性联系起来预测涌水量大小。李金铭2006年提出激电找水的新参数偏离度r，他认为在反映含水层能力方面更具可靠性。大同市水资源管理委员会范建明对勘察区内所有有地层、抽水试验资料的钻孔都进行激发极化测量，得出了不同水文地质单元激发比与单位涌水量的相关方程。现有研究对含水介质和导水通道的演化、分布规律、断裂和陷落柱的发育规律、力学特征，特别是渗透能力的研究较少。含导水构造的地球物理探测，特别是井下超前探测方面，缺少深部地质结构精确空间定位的理论和方法。近年来，随着矿井向深部开采，发生了一系列陷落柱特大突水淹井事故，现有理论不能较好地解释深部高压高温奥陶系岩溶水突出之类的问题。2． 导水体结构演化与水流突变研究现状和发展趋势及存在问题[34]-[65]矿井突水通道类型多样，造成重大灾害的突水事故主要由陷落柱、断裂等引起。如果对地质、水文地质条件认识不清，则采矿活动有可能揭露原生的导水断裂、陷落柱，或诱发不导水的断裂、陷落柱导水而发生突水事故。80年代以来，中国突水事故日趋严重，引起人们对突水机理研究的重视，山东科技大学在采空区覆岩移动三带的理论基础上提出了“下三带”理论，即底板破坏带、完整岩层带、承压水导高带，该理论比较符合煤层采动条件下的底板破坏突水的规律，以及底板阻水性能的组成，对于承压水原始导高带的形成机理，该理论有待进一步研究。施龙青在“下三带”理论基础上提出了“下四带”理论。北京科学总院北京开采所提出底板岩体移动的“原位张裂和零位破坏”理论，认为在矿压、水压的联合作用下，工作面对底板水平的影响分为三段，即超前压力压缩段、御压膨胀段和采后压缩稳定段，该理论从矿山压力及承压水压力角度，解释了开采过程中的底板破坏过程，但对突水发生的机理本质并未深入。中国矿业大学钱鸣高院士将采场顶板覆岩运动受关键层控制的理论引申到底板突水研究中，从而认为关键层是控制突水的主要原因，认为一旦关键层破裂就引发突水。靳德武、王延福认为，矿井煤层底板突水是一种由缺陷诱导的局域失稳，存在两种时间尺度的缺陷变化过程：一是缺陷发育过程，缺陷由小缓慢地扩张变大；一是缺陷失稳过程，缺陷的薄弱破坏引起缺陷的瀑涨。后一过程就是矿井煤层底板突水。同时，用塞子模型模拟突水岩块建立动力学方程，定量地给出失稳判据。武强通过室内单向压缩、蠕变和三轴压缩、蠕变试验，对断层带物质在不同含水量、不同围压、不同加载方式条件下的变形破坏方式进行了较为系统地试验分析与研究，提出断层带物质随围压的增加，强度有所提高，但随含水量的增加强度将降低；起始流变压力随围压的增加而增大，随含水量的增大而减小；断层带物质的变形破坏特征与荷载作用时间和其组成物质有着密切关系。李抗抗等认为底板突水是底板受采动应力和承压水水压共同作用的结果。开拓和采动打破了原有地应力的平衡状态，为达到新的平衡，某些应力相对集中的地方会释放应变能，使岩体构造发生变化；而承压水的水压对底板隔水层的作用主要是压裂扩容作用与渗水软化作用。周瑞光认为突水瞬间表现一个综合效应下的瞬时地质事件。突水前表现一个与时间有关的地质作用过程，事件与过程都受多因素的影响，而且工程地质作用过程和突水瞬间与岩体由弹性变形-阻尼变形-常速流动变形-加速流动变形相对应，突水具有时效特征。对矿井涌水量预计问题的探讨较多，而突水量预测问题探讨较少。在突水量的预测方面，许多学者提出了多种新的预测预报方法。李国敏就矿坑底板突水的“井”流问题，分别在定流量与定降深抽水条件下，给出了不完整井流的降深及流量公式。王明玉根据多层含水层结构特点，通过理论推导，得出贯穿上、下二含水层的垂向导水断裂带的地下水流量在一定条件下与该二含水层水位差的平均值成线性关系的结论，并据此建立了矿井突水量断裂带垂向导水特征系数预报模型。陈朝阳选取对突水有影响的构造、矿压、构造裂隙、断层断距、断层至突水点距离、隔水层厚度、水压等地质因素为自变量，以突水点及未突水点的资料为基础，将定性变量数量化，建立了焦作矿区底板突水的定量预报模型。曲有刚根据流体力学理论，建立了最大突水量计算的圆形光滑管道模型，推导出采场底板最大突水量预测的非线性公式。武强针对中国煤矿日益严重的顶板涌(突)水问题，提出了解决煤层顶板涌(突)水条件定量评价的“三图-双预测法”，运用多源地学信息复合叠加原理对煤层顶板冒落涌(突)水条件进行综合分区，并用Visual Modflow对工作面的工程涌水量和顶板直接充水含水层的采前预疏放方案进行了动态预测。尹尚先对中国北方型石炭二迭纪煤田的岩溶陷落柱隐伏垂向构造进行了充水特征及受控机制的研究，将岩溶陷落柱作为矿井地下水广义三重介质渗流系统的一类介质，将陷落柱划分为全充水强导水型、边缘充水导水型和不导水或微弱导水疏干型等3种类型，在地下水系统中相应地概化为垂向管道、主干裂隙或垂向越流介质、隔水体或无影响介质，通过数学模型的解算实现矿井涌(突)水量的预测。山东科技大学施龙青指出，一直以来人们都是使用达西定律来进行矿井涌水量的研究，即使是利用有限元的方法来进行涌水量的预测，基础也是达西定律，而达西定律只适用于层流，当矿井发生突水，特别是大型、特大型突水时，水流为紊流。在建立突水模型时，突水通道为圆形管道，总结出层流和紊流的计算公式，突水水流为层流状态时，突水速度、突水量与突水通道直径的平方、四次方分别成正比，与突水水源的水压成正相关。突水水流为湍流状态时，突水速度、突水量与突水通道直径的平方呈复杂的指数关系，突水通道直径仍然是突水量的主要影响因素，水压与突水量也呈复杂的指数关系。突水通道长度与突水量呈负相关。