大水礦山開采水環境系統失效致災機理

王益偉，羅周全，楊彪，熊立新，歐陽仕遠，曹文勝

(1. 貴州大學 資源與環境工程學院，貴州 貴陽，550025；2. 中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙，410083；3. 凡口鉛鋅礦，廣東 韶關，512325)

大水礦山開采水環境系統失效致災機理

王益偉1，羅周全2，楊彪2，熊立新2，歐陽仕遠3，曹文勝3

(1. 貴州大學 資源與環境工程學院，貴州 貴陽，550025；2. 中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙，410083；3. 凡口鉛鋅礦，廣東 韶關，512325)

基于大水礦山開采水環境由人工排水系統及天然的地下水系統共同構成，通過系統分析方法，構建大水礦山排水?地下水開采水環境系統。在此基礎上，進行大水礦山開采水環境系統失效致災機理研究，建立大水礦山排水?地下水開采環境系統隨機模型及系統失效致災判據。將所建立的模型及判據應用于凡口鉛鋅礦大水地下開采礦山。研究結果表明：在一定時域范圍內，模型可有效識別系統的災害狀態；系統失效致災是系統輸入流量大于輸出流量，系統水位離散程度隨時間不斷增大，以及系統自身結構承受安全水位的能力過低共同作用的結果，從影響程度來講，系統流量差的變化對災害影響最大，其次為安全水位，最后為系統的隨機作用；所建立的系統模型及系統失效致災判據具有實用性和有效性，研究成果可為大水礦山開采水害防治提供有效的技術支持。

大水礦山；開采水環境；致災機理；系統隨機模型；失效判據

大水礦山是指水文地質條件復雜、礦坑涌水量每日數萬立方米的礦山。我國廣泛分布這類礦山，此類礦山由于含水層厚度及涌水量較大，含水層通常難以疏干，雖對礦山安全生產構成嚴重威脅，但礦山生產又不得不采取邊疏干含水層邊開采的方式進行。該類礦山的實際開采環境是由人工排水系統及天然地下水系統共同組成，簡稱排水?地下水開采環境系統。因此，揭示礦山人工排水系統及天然地下水系統相互作用下礦山地下水致災機理具有現實意義及工程應用價值。以往對礦山地下水致災機理的研究多從巖石力學失穩破壞角度出發，通過建立地下水壓力與圍巖應力之間的關系，討論在開采擾動條件下圍巖力學失穩突涌水致災的過程[1?5]，主要可歸納為完整巖體突水機理研究及構造突水機理研究2個方面，并取得了大量的研究成果，如突水系數法、底板下三帶說、零位破裂說、巖水應力關系說等[6?8]。但這些研究通常將滲流場和應力場分開考慮，沒考慮滲流與破壞的相互作用[9]。對于大水礦山來說，排水系統人為地改變了滲流場，并在排水系統與地下水系統相互作用下流場不斷變化[10]，因此，研究在流場不斷變化條件下礦山地下水致災的機理非常必要。目前，從該角度考慮礦山地下水致災機理的報道較少。為此，本文作者根據系統學原理，將礦山人工排水系統及天然地下水系統視為礦山開采環境系統中的2個子系統，構建大水礦山排水?地下水開采環境系統隨機模型，并以此為基礎建立大水礦山排水?地下水開采環境系統失效致災判據，以便揭示大水礦山地下水災害發生的機理，為大水礦山開采水害防治提供技術支持。

1　大水礦山排水?地下水開采環境系統隨機模型構建

1.1大水礦山排水?地下水開采環境系統要素及功能

大水礦山開采環境系統實際上是由人工排水系統和天然地下水系統這2個相互聯系的子系統共同構成，每個子系統又有若干要素，以一定的方式相關聯，實現子系統的功能。由于不同大水礦山水文地質條件各異，通常礦山會根據具體水文地質條件，選擇不同排水疏干方式。目前，應用于礦山主要的排水疏干方式有地表疏干、井下疏干及綜合疏干3種方式[11]。盡管疏干方式不同，但排水系統基本要素包括疏水孔、水泵及排水管路。

地下水系統是地下水含水系統和地下水流動系統的統稱。地下水含水系統是指由隔水層和相對隔水層圈閉的具有統一水力聯系的含水巖系，該系統的構成要素包括補給邊界、隔水邊界、隔水層頂底板、含水介質。地下水流動系統是指由源到匯的具有統一時空演變過程的地下水體，它的主要構成要素均包括補給源、排泄項及流動水體。

大水礦山排水?地下水開采環境系統總體功能是減少天然流入開采環境中的地下水量，使得天然地下水位降至安全水位，保障開采安全進行。大水礦山排水?地下水開采環境系統各要素及對應功能如圖1所示。

1.2大水礦山排水?地下水開采環境系統的輸入輸出

環境是系統行為的外部約束條件，環境對系統的作用表現為系統的輸入，系統對環境的作用表現為系統的輸出[9]。由于大水礦山排水?地下水開采環境系統的作用對象是地下水，因此，將引起系統水量增加或減少的外部因素對系統的作用作為系統輸入，將導致系統水量增加或減少的內部因素對環境的作用作為系統的輸出。系統輸入包括大氣降雨、地表水補給及相鄰含水單元補給。系統輸出包括排水系統排出的水量及通過地下水系統排泄項排出系統的水量。排泄項的主要形式有泉、井、相鄰含水層的邊界及河流等。大氣降雨輸入量不僅取決于氣候條件，而且受下墊面條件的影響，通常以地表土壤的入滲系數來衡量。地表水的補給及相鄰含水單元的補給量受多個因素影響，如系統實時的水位與地表水及相鄰含水單元水位的水位差、接受補給的面積及補給方向含水介質滲透系數等。

排水系統的排水量可根據所采用的排水系統的形式計算得到，主要取決于設計水泵的能力，通過排泄項排出的水量，根據監測、解析計算及數值模擬得到。

圖1　大水礦山排水?地下水開采環境系統各要素及功能Fig. 1 Elements and function of drainage?groundwater system in water abundant mines

1.3大水礦山排水?地下水開采環境系統隨機模型

通過以上對大水礦山排水?地下水開采水環境系統的要素、功能及外部環境的分析，依據水量平衡關系得到某時刻大水礦山排水?地下水開采環境系統流量()Q h的微分方程為

式中：Qinput(t)為任一時刻進入系統的水流量，該項包括大氣降雨補給、地表水補給及相鄰含水單元補給的流量；qdrain1(t)為任一時刻排水系統排水量；ΔQ(h)為系統內部流量變化；qdrain2(h,k,j)為相應時刻地下水系統排泄的水量，在地下水系統邊界條件及介質條件確定的情況下，該流量取決于水位及含水層的結構特征；k為含水層滲透系數；j為地下水水力坡度。由于系統流量的輸入和輸出，受氣候條件、水文地質條件等不確定因素的影響，大水礦山排水?地下水開采水環境系統中任一時刻流量變化ΔQ(tn)的概率，只取決于與其相鄰的狀態ΔQ(tn-1)，可將系統水量變化ΔQ(t)過程用Markov過程來描述。同時，在變化時間間隔Δt內，系統流量變化的增量是相互獨立的，大水礦山排水?地下水開采環境系統流量變化滿足Wiener過程定義[10]：

其中：μΔQ(t)為系統流量變化的均值；B( t)為無偏變化函數。

對式(2)微分，可得任意時刻系統流量變化：

將式(4)代入式(3)，可得

根據地下水含水層儲水及釋水機理[11]，可知

其中：h為含水層中地下水水位；S為含水層面積；ζ為含水層的儲水系數或給水度。將式(6)代入式(5)可得

其中：h0為系統在初始時刻t0的初始水位。

該模型明確了大水礦山排水?地下水開采環境系統的外部影響因素(系統輸入)及內部條件變量(滲透系數、地下水水力坡度及含水層厚度、排泄邊界，補給邊界面積)的結構關系，以大水礦山排水?地下水開采環境系統的降水功能為目標，構建大水礦山排水?地下水開采環境系統的動態隨機模型。

1.4大水礦山排水?地下水開采環境系統隨機模型求解

式(9)為任意時刻系統中水位的微分方程。只要能求解得到任意時刻系統水位分布，即可得到系統水位的概率分布。由于式(9)是典型的Ito方程，該方程的解過程是Markov過程[11?13]，因此，可用Markov過程的Fokker-Plank方程求解Ito隨機微分方程[12?14]。根據文獻[15]，最終可將式(9)化為

2　大水礦山排水?地下水開采水環境系統失效致災判據

2.1開采水環境系統失效致災判據

從系統論的角度，認為當系統功能全部被破壞時，系統便發生災害。對大水礦山排水?地下水開采環境系統來說，當系統無法將地下水位降至安全水位時，系統發生災害，即系統發生災害時應滿足下列條件：

其中：h(t)為任意時刻系統水位；Hsafe為系統安全水位。

對排水?地下水開采系統進行分析，可知水位變化是一個隨機過程，h( t)不是確定值，而是1個帶有一定概率的隨機變量，單次h( t)水位難以預測，但其統計特征可以確定，因此，當災害發生的概率大于0時，即可認為系統災害發生。可將式(11)改寫為下式：

式(12)為大水礦山排水?開采隨機系統失效致災判據，因此，確定系統在某一時刻是否失效致災包括2步：首先確定出系統的安全水位，然后根據任一時刻系統水位的隨機分布特性確定相應時刻系統水位大于安全水位的概率。

2.2開采環境系統安全水位

大水礦山排水?地下水開采環境系統中，安全水位是在保障開采工程或巷道不破裂的情況下，巷道周圍所承受的水頭。

由于大水礦山地下水壓力較高，致使巷道頂壓及側壓很大，一般會選擇馬蹄形、橢圓形或圓形巷道[17]。為簡化計算，假設巷道斷面為圓形，圍巖為均質各向同性的多孔介質。地下水滲流作用下圓形巷道的受力分析見圖2[18](其中：β為有效孔隙度；a為巷道半徑；b為研究范圍半徑；σθ為圍巖切向應力；σr為圍巖徑向應力；p為孔隙水壓力)。

巷道要保持穩定，受力應該平衡，因此，根據受力圖，通過分析可以得到巷道的平衡條件為

根據達西定律可求得，容重為γ的地下水流過單位長度柱面的水流流量q為

其中：r為柱面面積；γ為地下水容重。

將式(15)代入式(13)，經整理可得

圖2　地下水作用下圓形巷道受力分析Fig. 2 Mechanical analysis of circular tunnel with groundwater

其中：bσ為地應力；θσ為巷道圍巖切向應力。將水壓力轉化為水頭，則式(17)最終可變為

取θσ為巖石的極限抗壓強度cσ，則可以得到圍巖破壞時巷道的水頭，系統的安全水位為?

3　實例應用

3.1實例礦山開采水環境系統

研究礦山礦體賦存于當地侵蝕基準面以下的泥盆系中統至石炭系下統的碳酸鹽中，位于含礦底層頂板的壺天群巖溶含水層是礦區的主要含水層，并且由于該含水層巨大的涌水量，對礦山的安全開采造成了很大的威脅。為排除水害，在礦區來水方向構建排水系統。圖3所示為礦床的水力邊界及排水系統位置。圖3中，礦區西部天子嶺組條紋狀灰巖、泥質灰巖和石炭系下統砂頁巖組成西部隔水邊界，礦區北部存在金星嶺背斜—曲塘隱伏背斜隔水體，礦床東部存在F5隔水帶；南部設置排水系統，阻截南部來水。礦山排水系統及地下水系統共同構成礦山排水?地下水開采環境系統。圖4所示為概化后的礦山排水?地下水開采環境系統示意圖。

圖3　礦床水力邊界示意圖Fig. 3 Schematic diagram of mining area hydraulic boundary

圖4　排水?地下水開采環境系統示意圖Fig. 4 Schematic diagram of drainage?groundwater system

根據礦山水文地質勘察資料，可得到該礦山排水?地下水開采環境系統具備如下條件：系統輸入流量與輸出流量相同，即ΔQ=0 m3/d，σ=5 000 m3/d；系統含水單元給水度ζ=0.001 7；系統含水單元平面面積S=700 000 m2。

3.2系統失效致災判別

3.2.1礦山安全水位的確定

由于不同中段安全水位不同，采用?40 m中段為例計算安全水位。根據實例礦山已有地應力資料，可知該礦山圍巖主要受到拉應力破壞作用，取其圍巖巖體進行抗拉強度實驗，得到最大抗拉強度σc=11.37 MPa；礦山?40 m標高處地應力σb=8.80 MPa；取巷道開采影響半徑為巷道的半徑的5倍[15,19]，即b=5a。將以上數據代入式(19)，可得到在?40 m中段巷道圍巖發生破壞時可承受的最大水頭：

因此，?40 m標高處的巷道承受的最大水頭標高應該為35 m，可將該值作為系統開采排水的安全水位。

3.2.2系統失效致災判別

根據式(12)可知系統失效致災為概率事件，只要概率大于0，系統均有可能致災。為保證系統的安全性能，認為只要概率大于0就判定系統處于不安全狀態，可能發生災害。

由于所研究礦山5月份進入汛期地下水位變化大，系統失效可能較大，因此，系統失效判別以礦山2013?05水位監測為例。以2013?04?30實測初始水位為0 m標高；根據歷年統計資料可得到5月份的μΔQ(t)曲線，見圖5。首先，利用式(9)計算得到任意時刻系統水位的概率分布，結果見圖6。然后，根據已求得的水位分布，代入式(12)，可分別計算在時間區段(0，1)，(0，2)，…，(0，30) d內系統失效概率，結果見表1。

圖5　μQinput, μQdrain及μQinput?μQdrain隨時間變化曲線Fig. 5 Relationship among μQinput, μQdrainand μQinput?μQdrainand time

圖6　f(h,t)的分布圖Fig. 6 Distribution of f(h,t)

表1　2013?05系統失效概率計算結果Table 1 Calculation result of failure probability of system in 2013?05

計算結果表明：在(0，2) d時段內，系統失效概率為0，之后系統失效概率均高于2%，并最終增至85%，據此可判斷系統2013?05?01及2013?05?02均處于安全狀態。但要判斷系統在2015?05?03是否安全，需要根據2015?05?02的實時水位資料來重新計算判別。以2013?05?02實測水位為初始水位進行計算，所得2013?05系統致災概率見表2。從表2可見：系統在2015?05?03及2015?05?04安全；要獲知2015?05?04后系統狀況，需根據該天實時水位資料代模型重新計算。以此類推，獲得5月份每日模型預測的系統狀態。由此可見，模型預測有一定的時域范圍，超出該時域范圍需要重新計算。由于災害事件是一個隨機事件，對某次災害的預測通常只能得出1個概率，對系統的預測時間范圍越短，所獲得的系統的信息越新，其預測結果就越準確。因此，以模型計算所得的時域為依據，實測對應時間點的即時數據，并依據實測即時數據對系統狀態進行預測的方式是符合災害預測特點的。模型的計算實際給出了確定合理的監測時間的方法。為驗證模型預測系統狀態的準確性，對比了5月份每日模型預測的系統狀態及實測系統狀態，如表3所示。從表3可見：模型計算5月份系統均處于安全狀態，模型預測結果與實測結果相一致。

表2　以2013?05?02實測水位為初始水位計算2013?05系統致災概率計算結果Table 2 Calculation result of failure probability of system in May, 2013 with initial water level in May 2nd, 2013

表3　2013?05系統安全狀態實測及模型計算結果對比Table 3 Contrast of system safety state between calculation and measurement in May, 2013

3.3系統災害特征

3.3.1系統流量變化對系統災害的影響

為考察系統水量變化對系統災害狀況的影響，分別計算在以下3情況下系統水位及方差的變化：輸入系統水量大于輸出水量，即ΔQ=1003/d；入系統水量小于輸出水量，即ΔQ=?1 00 m3/d；輸入系統水量等于輸出水量，即ΔQ=0。計算結果見圖7～9。

圖7　系統流量差為0 m3/d時系統致災概率Fig.7 Disaster probability of system when flow difference is 0 m3/d

圖8　系統流量為1 500 m3/d時系統致災概率Fig. 8 Disaster probability of system when flow difference is 1 500 m3/d

圖9　系統流量為?1 500 m3/d時系統致災概率Fig. 9 Disaster probability of system when flow difference is?1 500 m3/d

從圖7～9可知：當輸入系統水量大于輸出水量時，隨著時間的延續，系統致災概率不斷升高，在計算時域內，其災害概率高達70%；當輸入系統水量小于輸出水量時，系統致災概率隨時間呈現2種變化，即在前期隨時間不斷升高，在后期致災概率呈不斷下降趨勢，在計算時域內，最大致災概率為5%；當輸入系統水量等于輸出水量時，系統的致災概率隨時間呈持續升高的變化，變化緩和，在計算時域內，最大致災概率為5%。

3.3.2隨機作用對系統災害的影響分析

為考察隨機作用對系統災害的影響，分別計算系統流量差的方差σ為4 000，5 000和6 000 m3/d時在3種不同情況下系統致災概率的變化，同時比較2種正態分布(即μ=0 m，σh0=0.8 m和μ=0 m，σh0=1.5 m)對系統致災概率的影響。計算結果分別見圖10～11。

從圖10和圖11可見：隨著σ增大，系統致災概率不斷增大；初始水位分布的變化對系統致災概率影響不大。

3.3.3安全水位對系統災害的影響

分別計算Hsafe為10，20和30 m時系統致災概率的變化，計算結果見圖12。從圖12可見：系統安全水位與系統致災概率成反比；隨著安全水位的增高，系統的致災概率降低。

通過以上分析，可得出導致系統致災概率升高的原因有3個：1) 由于系統流量輸入大于輸出的流量，致使系統水位升高，最終導致致災概率不斷升高；2) 系統本身的隨機特征導致水位的離散程度隨時間的延續不斷變大，最終導致系統致災概率升高；3) 系統自身結構承受安全水位的能力越低，系統的致災概率越高。同時，綜合對比這3個因素對災害概率的影響，可看出系統流量差的變化對災害影響最大，其次為安全水位，最后為隨機作用。

圖10　σ對系統致災概率的影響Fig. 10 Effect of σ on disaster probability of system

圖11　σh0對系統致災概率的影響Fig. 11 Effect of σh0on disaster probability of system

圖12　安全水位對系統致災概率的影響Fig. 12 Effect of safe water level on disaster probability of system

4　結論

1) 針對大水礦山實際開采水環境，基于系統論原理構建了大水礦山排水?地下水開采環境系統隨機模型，提出了大水礦山排水?地下水開采環境系統的致災判據，并將模型及判據應用于實例大水礦山地下水災害的判別及特征分析。

2) 系統當前狀態受短期內系統水位變化影響，模型可有效識別系統的災害狀態，同時模型計算給出了確定系統合理的監測時間的方法；確定合理的監測時間并對應監測時間及時更新系統水位資料，是保證系統安全的重要措施。

3) 災害的發生主要受安全水位、隨機作用及系統流量差變化共同控制。系統流量差的變化對災害影響最大，其次為安全水位，最后為系統的隨機作用。由于實例礦山是一個具備排水?地下水系統的典型大水礦山，故所獲研究成果可為類似礦山的失效致災機理分析提供有益借鑒。

[1] 虎維岳. 礦山水害防治理論與方法[M]. 北京: 煤炭工業出版社, 2005: 114?122. HU Weiyue. Theory and method of water hazard control in mines[M]. Beijing: China Coal Industry Publishing House, 2005: 114?122.

[2] PENG Linjun, YANG Xiaojie, SUN Xiaoming. Analysis and control on anomaly water inrush in roof of fully-mechanized mining field[J]. Mining Science and Technology, 2011, 21(1): 89?92.

[3] 卜萬奎, 徐慧. 某礦區帶壓開采逆斷層活化及突水性分析[J].煤炭學報, 2011, 36(7): 1176?1183. BU Wankui, XU Hui. Analysis on reverse fault activation and water inrush possibility for coal mining above confined aquifer in a mining area[J]. Journal of China Coal Society, 2011, 36(7): 1176?1183.

[4] LI Hui, JING Guoxun, CAI Zhenglong, et al. Xinhe mine water inrush risk assessment based on quantification theoretical models[J]. Journal of Coal Science & Engineering (China), 2010, 16(4): 368?371.

[5] HAN Jin, SHI Longqing, YU Xiaoge, et al. Mechanism of mine water-inrush through a fault from the floor[J]. Mining Science and Technology, 2009, 19(3): 276?281.

[6] 王媛, 陸宇光, 倪小東, 等. 深埋隧道開挖過程中突水與突泥的機理研究[J]. 水力學報, 2011, 42(5): 595?601. WANG Yuan, LU Yuguang, NI Xiaodong, et al. Study on mechanism of water burst and mud burst in deep tunnel excavation[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2011, 42(5): 595?601.

[7] 楊天鴻, 唐春安, 譚志宏, 等. 巖體破壞突水模型研究現狀及突水預測預報研究發展趨勢[J]. 巖石力學與工程學報, 2007, 26(2): 268?277. YANG Tianhong, TANG Chunan, TAN Zhihong, et al. State of the art of inrush models in rock mass failure and developing trend for prediction and forecast of groundwater inrush[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26(2): 268?277.

[8] WANG J A, PARK H D. Fluid permeability of sedimentary rocks in a complete stress?strain process[J]. Engineering Geology, 2002, 63(2): 291?300.

[9] 李利平, 路為, 李術才, 等. 地下工程突水機理及其研究最新進展[J]. 山東大學學報(工學版), 2010, 40(3): 104?118. LI Liping, LU Wei, LI Shucai, et al. Research status and developing trend analysis of the water inrush mechanism for underground engineering construction[J]. Journal of Shandong University (Engineering Science), 2010, 40(3): 104?118.

[10] SHI Xiaojuan. Operational state monitoring and fuzzy fault diagnostic system of mine drainage[J]. Mining Science and Technology, 2010, 20(4): 89?92.

[11] 黃建華, 黎育紅. 隨機動力系統引論[M]. 北京: 科學出版社, 2011: 8?31. HUANG Jianhu, LI Yuhong. Introduction of stochastic dynamical system[M]. Beijing: Science Press, 2011: 8?31.

[12] Oliver C. Ibe. Markove processes for stochastic modeling[M]. Waltham: Academic Press, 2013: 49?57.

[13] 傅味, 宮成春. 求解隨機微分方程幾類數值計算格式的分析[J]. 吉林大學學報(理學版), 2010, 48(2): 163?168. FU Wei, GONG Chengchun. Analysis of some numerical schemes for stochastic differential equations[J]. Journal of Jilin University (Science Edition), 2010, 48(2): 163?168.

[14] 孫穎娜, 芮孝芳, 付強, 等. 基于隨機微分方程的流域匯流模型[J]. 水利學報, 2011, 42(2): 187?191. SUN Yingna, RUI Xiaofang, FU Qiang, et al. Basin flow concentration model based on stochastic differential equation[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2011, 42(2): 187?191.

[15] OMAR M A, ABOUL-HASSAN A. The composite milstein methods for the numerical solution of Ito stochastic differential equations[J]. Journal of Computational and Applied Mathematics, 2011, 235(8): 2277?2299.

[16] 張德豐. MATLAB數值分析與應用[M]. 北京: 防工業出版社, 2009: 258?307. ZHANG Defeng. Numerical analysis and engineering application based on MATLAB[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2009: 258?307.

[17] 胡湘宏. 巷道施工技術[M]. 北京: 煤炭工業出版社, 2005: 104?107. HU Xianghong. Tunnel construction technologies[M]. Beijing: China Coal Industry Publishing House, 2005: 104?107.

[18] 霍潤科. 隧道與地下工程[M]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2011: 77?81. HUO Runke. Tunnel and underground engineering[M]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2011: 77?81.

[19] 饒運章, 吳興國, 羅歡. 礦山巷道地壓形成機理及分布規律研究[J]. 銅業工程, 2010(1): 16?20. RAO Yunzhang, WU Guoxing, LUO Huan. Ground pressure formation mechanism of mining tunnels and research on stress distribution[J]. Copper Engineering, 2010(1): 16?20.

(編輯 陳燦華)

Groundwater environment system failure mechanism for mining in groundwater abundant mines

WANG Yiwei1, LUO Zhouquan2, YANG Biao2, XIONG Lixin2, OUYANG Shiyuan3, CAO Wensheng3
(1. College of Resources and Environment Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China; 2. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China; 3. Fankou Lead-zinc Mine, Shaoguan 512325, China)

Considering that the actual mining environment of the groundwater abundant mines is formed by artificial drainage system and groundwater system, the drainage-groundwater system of mining groundwater environment was established by system analysis method. On this basis, the disaster mechanism induced by failure of mining groundwater environment system of the groundwater abundant mines was researched. The stochastic system model of drainagegroundwater mining groundwater environment system in water abundant mines was founded, and the criterion was built to judge whether system function failed and caused disaster. The built system model and disaster criterion were applied in Fankou mine. It is revealed that the identification of system disaster state by this model is effective in some scopes of times. System failure and hazard occurrence result from the increasing discrete degree of water level and from the fact that input flow rate is higher than output flow rate with the increase of time and low ability of bearing safe water level. The influence of three factors on system state from large to small is the flow difference between input and ouput, safewater level and the stochastic of system. The disaster mechanism induced by failure of mining groundwater environment system of the groundwater abundant mines is advisable. The system model and criterion are practical and effective, which provide decision support for prevention and control of mine water disaster.

groundwater abundant mines; mining groundwater environment; failure mechanism; system stochastic model; disaster criterion

X915.5

A

1672?7207(2016)03?1002?09

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.03.037

2015?03?10；

2015?05?22

國家自然科學基金資助項目(51274250)；國家“十二五”科技支撐計劃項目(2012BAK09B02-05) (Project(51274250) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2012BAK09B02-05) supported by the National Science and Technology Pillar Program during the “12th Five-year” Plan Period)

王益偉，講師，從事礦山水害防治研究；E-mail: followxin2004@163.com