礦山突水災(zāi)害影響因素分析及防治措施研究

王建軍，周英烈，饒斌，馬強(qiáng)，陳順滿

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

礦井突水災(zāi)害是指礦山在生產(chǎn)過程中，由于巷道開挖、含水層、采動(dòng)影響及鉆探等導(dǎo)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(yán)重影響礦井的安全生產(chǎn)，易產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)損失和安全損失[1]。

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，人們對(duì)礦產(chǎn)資源的需求急劇增加，越來越多的礦山由露天開采逐漸轉(zhuǎn)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(huì)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(dǎo)致采場(chǎng)突水和底板突水等事故，對(duì)井下人員和設(shè)備構(gòu)成巨大的威脅[3]；另外，由于井下突水事故的發(fā)生，還容易對(duì)礦山的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。因此，亟需對(duì)礦山突水主要影響因素進(jìn)行分析，并制定有針對(duì)性的礦井突水防治措施，以保證礦山的安全生產(chǎn)[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(fā)生突水災(zāi)害事故，需對(duì)礦井突水災(zāi)害事故的影響因素進(jìn)行分析，本研究在總結(jié)國內(nèi)外各突水礦山的地質(zhì)構(gòu)造、水文特征以及開采狀況等情況的基礎(chǔ)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(rèn)為礦山突水原因主要有以下5個(gè)方面[5-11]。

1.1 礦井突水水源

礦井突水事故發(fā)生的根源是由于地下水的存在，在外界環(huán)境的刺激下，導(dǎo)致地下水滲透到井下采空區(qū)或巷道等，從而導(dǎo)致礦山發(fā)生井下突水事故[1,6,10,12]，因此，首先需掌握礦井發(fā)生突水事故的根源，即明確礦井突水的水源分布。結(jié)合國內(nèi)外各突水礦山的典型事故，可將影響礦井突水事故發(fā)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(duì)大氣降水、地表及采空區(qū)積水、地下含水層的特征進(jìn)行研究。

1.1.1 大氣降水

大氣降水主要是由于降雨而產(chǎn)生的水[13]，其水量的大小與地區(qū)、降雨量等因素有關(guān)，特別是有些地方降雨量較大，比如中國南方地區(qū)降雨次數(shù)多、降雨量較大，而在中國北方則降雨次數(shù)相對(duì)較少，且大氣降水是造成井下發(fā)生突水事故的重要水源之一。在井下開采中，由于地質(zhì)構(gòu)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(huì)沿著巖體中的孔隙或裂隙逐漸滲透至井下，當(dāng)涌水量達(dá)到一定程度時(shí)，可能會(huì)引起礦井發(fā)生突水災(zāi)害事故。

1.1.2 地表及采空區(qū)積水

造成礦井發(fā)生突水事故的另一個(gè)較為重要的水源為地表及采空區(qū)積水。對(duì)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(qū)等，這些區(qū)域均是儲(chǔ)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(jìn)行，會(huì)產(chǎn)生爆破震動(dòng)等動(dòng)荷載作用，導(dǎo)致巖體中的裂隙逐漸增加，或者由于地質(zhì)構(gòu)造的存在，使得地表水通過斷層等構(gòu)造與井下采場(chǎng)進(jìn)行貫通；最后，在老的采空區(qū)中也可能存在一定的積水，這些因素均會(huì)導(dǎo)致礦井發(fā)生突水災(zāi)害事故。因此，礦山在開采過程中要高度重視井下水災(zāi)的防治，無論是掘進(jìn)巷道還是開挖采場(chǎng)，均需提前做好補(bǔ)充勘探和探水工作，掌握礦區(qū)的水文地質(zhì)條件，完善井下采空區(qū)和積水區(qū)等相關(guān)資料，為井下防治水害提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.1.3 地下含水層

地下含水層是礦井發(fā)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(chǎng)的距離等因素有關(guān)，由于井下采場(chǎng)的開采，含水層附近的巖石層在動(dòng)荷載擾動(dòng)作用下易產(chǎn)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(chǎng)，易導(dǎo)致淹井事故的發(fā)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(jié)合礦山開采技術(shù)條件和水文地質(zhì)條件，確定合理的采礦方法等，特別是有些采空區(qū)的頂層和底板沒有隔水層時(shí)，一旦發(fā)生礦井涌水事故，其產(chǎn)生的后果會(huì)極其嚴(yán)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(yù)防工作。

1.2 礦井充水通道

礦井突水水源是導(dǎo)致礦井發(fā)生突水事故的首要條件，而水源到達(dá)采場(chǎng)必須具備相應(yīng)的滲水通道[1,6,15]，國內(nèi)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(qū)、巖溶和孔隙等均是礦井發(fā)生突水事故的重要通道，其中導(dǎo)水裂隙帶和垮落帶為最主要的通道，一般會(huì)對(duì)礦井突水災(zāi)害產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響。

1.3 礦井的地質(zhì)因素

一般情況下，開采礦區(qū)的地質(zhì)條件相對(duì)比較復(fù)雜，除了由于本身的開采規(guī)模和施工方式等會(huì)對(duì)突水產(chǎn)生比較重大的影響以外，一個(gè)很重要的影響因素就是與礦體本身所賦存的巖性有關(guān)[16]。從地下工程突水的發(fā)生條件來看，施工干擾是誘發(fā)突水的關(guān)鍵因素，水文地質(zhì)條件才是突水的主要影響因素，而水文地質(zhì)條件主要是受采礦區(qū)域的地形地貌條件、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造和巖溶水動(dòng)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(zhì)勘探工作，掌握礦區(qū)的地質(zhì)情況，以指導(dǎo)礦山進(jìn)行安全生產(chǎn)。

1.4 工程因素

除了礦井突水水源、充水通道和地質(zhì)因素外，影響礦井突水災(zāi)害事故的另一個(gè)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(zhì)構(gòu)造、采動(dòng)礦壓、爆破震動(dòng)和開挖擾動(dòng)等因素，在存在礦井突水水源的基礎(chǔ)上，由于地質(zhì)因素和充水通道的影響，受工程因素的作用，會(huì)誘發(fā)充水通道進(jìn)一步發(fā)展，在多因素綜合作用下導(dǎo)致礦井突水事故。工程實(shí)踐表明，采礦工藝、施工方法和管理等均會(huì)導(dǎo)致井下突水災(zāi)害事故的發(fā)生，且大多數(shù)突水事故均是發(fā)生在施工爆破開挖后，因此，井下爆破擾動(dòng)是影響礦井發(fā)生突水災(zāi)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(chǔ)上，除了一些本身的工程地質(zhì)條件和工程因素會(huì)直接造成礦井的突水事故外，人為因素也是造成礦井發(fā)生突水事故的主要影響因素之一[18]，這主要是由于有些現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員缺乏安全意識(shí)，或者未按照標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工。

一般情況下，礦井發(fā)生突水事故都會(huì)有一定的征兆，比如礦巖壁出現(xiàn)滲水和掛汗現(xiàn)象等。首先，由于礦山未按照要求對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員進(jìn)行安全教育培訓(xùn)，造成現(xiàn)場(chǎng)工作人員安全意識(shí)淡薄，對(duì)礦井突水災(zāi)害事故出現(xiàn)的前兆了解不夠，當(dāng)?shù)V井突水災(zāi)害事故征兆出現(xiàn)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)工作人員可能未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，或未及時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)情況上報(bào)給領(lǐng)導(dǎo)并采取相應(yīng)的措施，從而導(dǎo)致礦井突水災(zāi)害事故的發(fā)生。其次，現(xiàn)場(chǎng)工作人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件掌握程度不夠，盲目進(jìn)行開采和掘進(jìn)，未及時(shí)進(jìn)行超前探水，也可能造成礦井突水災(zāi)害事故。最后，在礦山進(jìn)行防治水工作過程中，由于人為因素影響，可能會(huì)出現(xiàn)擅自更改設(shè)計(jì)或偷工減料等情況，造成現(xiàn)場(chǎng)防治水措施不到位，進(jìn)而引起礦井突水災(zāi)害事故。

2 礦井突水防治措施

為了保證礦山的安全生產(chǎn)，提高礦山的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益，減少礦井工作人員和設(shè)備的安全隱患，在礦山開采前期，必須對(duì)礦山水文地質(zhì)資料進(jìn)行詳細(xì)勘察，制定合理的礦井突水防治措施，并嚴(yán)格按照這些要求執(zhí)行，最大限度地降低礦山發(fā)生突水事故的可能性。結(jié)合國內(nèi)外礦山進(jìn)行井下防治水的成功案例，礦井防治水必須堅(jiān)持的原則為：預(yù)防為主，防治結(jié)合。礦井防治水的措施主要包括如下幾個(gè)方面：加強(qiáng)礦區(qū)監(jiān)測(cè)[19]、井下防水[20]、充填開采[21]、建立礦山突水信息化系統(tǒng)[22]和完善救災(zāi)體系[23]等。

2.1 加強(qiáng)礦區(qū)監(jiān)測(cè)

在礦體開采前，首先，需要對(duì)礦區(qū)附近的水文地質(zhì)條件進(jìn)行詳細(xì)勘察，預(yù)測(cè)該礦區(qū)容易發(fā)生突水的部位，結(jié)合礦山水文分布、地質(zhì)構(gòu)造及觀測(cè)孔的數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)不同區(qū)域發(fā)生突水事故的級(jí)別[8-10]；其次，在礦山開采過程中，應(yīng)布置一系列的涌水量、滲透系數(shù)等監(jiān)測(cè)點(diǎn)，定期對(duì)相關(guān)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為礦山進(jìn)行突水事故預(yù)防提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，指導(dǎo)礦山進(jìn)行突水事故預(yù)防。

2.1.1 開采前的突水監(jiān)測(cè)

在礦山開采前，首先，需打地質(zhì)鉆孔，借助相關(guān)的儀器設(shè)備，對(duì)礦區(qū)周圍的水文地質(zhì)條件進(jìn)行勘測(cè)，結(jié)合礦區(qū)水文地質(zhì)條件和構(gòu)造地質(zhì)條件，在典型部位開展放水試驗(yàn)等，并布置觀測(cè)孔，明確不同區(qū)域富水程度分布情況，劃分出礦區(qū)突水災(zāi)害事故可能發(fā)生的危險(xiǎn)區(qū)；其次，采用放射性探測(cè)或物理探測(cè)的方法對(duì)整個(gè)礦區(qū)可能發(fā)生突水事故的位置進(jìn)行探測(cè)，并布置相關(guān)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，預(yù)測(cè)礦區(qū)突水事故發(fā)生的可能性。

2.1.2 開采過程突水監(jiān)測(cè)

在礦山開采過程中，應(yīng)在可能發(fā)生突水事故的部位布置涌水量監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并采用放射性探測(cè)或物理探測(cè)的方法對(duì)突水易發(fā)地段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)了解礦山開采過程中可能發(fā)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(zhì)條件的影響，在礦體開采過程中，巖體應(yīng)力場(chǎng)會(huì)發(fā)生重新分布，特別是在爆破震動(dòng)和地下水等多因素綜合作用下，巖體的裂隙會(huì)逐漸擴(kuò)展，使巖體內(nèi)部產(chǎn)生更多的裂紋，導(dǎo)致巖體的強(qiáng)度降低；其次，由于爆破震動(dòng)等因素產(chǎn)生的巖體裂隙，為地下水的滲流提供了優(yōu)勢(shì)通道，使得地下水沿著薄弱地段向井下采空區(qū)滲入，因此，需要在井下設(shè)置一系列涌水量觀測(cè)點(diǎn)等，并采取系列措施減少地下水的威脅。根據(jù)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(gòu)筑相關(guān)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(shè)施的位置。首先，需掌握礦區(qū)歷年來最高洪水位情況，依據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，合理設(shè)計(jì)井筒和地表主要設(shè)施的標(biāo)高，保證在任何情況下礦井井口不被洪水淹沒；其次，當(dāng)?shù)V區(qū)最高洪水位高于井筒及工業(yè)構(gòu)筑物的標(biāo)高時(shí)，必須修筑相應(yīng)的防水設(shè)施。

（2）在地表修建排水溝等防洪設(shè)施。在礦區(qū)附近或者可能發(fā)生突水區(qū)段的上游，應(yīng)當(dāng)設(shè)置防洪排水溝，防止地表水流入到礦井區(qū)域內(nèi)；其次，部分礦山設(shè)置排水溝相對(duì)困難時(shí)，可以設(shè)置截水溝截?cái)嗨础?/p>

（3）修建人工河床。很多礦區(qū)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(yīng)盡可能將河流進(jìn)行改道，如果無法改道，可對(duì)河床底部進(jìn)行人工處理，鋪設(shè)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(huì)破壞天然的巖石層，使天然的巖體強(qiáng)度大大降低，含水層的水將會(huì)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(fā)生的可能性，綜合分析認(rèn)為主要的地下水防治措施有以下幾點(diǎn)。

（1）超前探測(cè)。超前探測(cè)就是在礦山進(jìn)行開采前，采用物理探測(cè)或者放射性探測(cè)等手段對(duì)采場(chǎng)的頂板和底板進(jìn)行探測(cè)，并對(duì)開挖巷道的周圍進(jìn)行探測(cè)，以探明水源分布狀況，掌握礦區(qū)水文和地質(zhì)構(gòu)造情況，防止地下水和地質(zhì)構(gòu)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(huì)存在一個(gè)隔水層，在礦體開采過程中，無法對(duì)含水層的水直接進(jìn)行疏干，為了保證礦山的安全，首先應(yīng)探明隔水層的厚度，采取合理的采礦方法，實(shí)現(xiàn)帶壓開采。

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

（4）注漿堵水。采用水泥漿或化學(xué)注漿的方式改善巖體結(jié)構(gòu)，充填和膠結(jié)裂隙巖體，使巖體更加致密，提高圍巖的強(qiáng)度和致密性，從而增加圍巖的阻水能力，實(shí)現(xiàn)堵水的目的。

（5）疏水降壓。探明地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄條件，結(jié)合礦山水文情況和地質(zhì)條件，根據(jù)選用的采礦方法，可采取優(yōu)化采場(chǎng)回采順序或打卸壓孔等方式進(jìn)行疏水降壓開采，減小底板承壓水對(duì)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(yīng)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(duì)井下采空區(qū)進(jìn)行充填，顯著降低采場(chǎng)圍巖破壞程度，改善井下采場(chǎng)作業(yè)安全條件，因此，充填采礦方法可有效防治突水災(zāi)害事故。

2.4 建立礦山突水信息化系統(tǒng)

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)現(xiàn)代化水平和電子信息技術(shù)均得到了快速發(fā)展，其應(yīng)用越來越廣泛，因此，在礦山開采過程中，可在現(xiàn)場(chǎng)采取監(jiān)測(cè)化信息系統(tǒng)對(duì)礦井地下水進(jìn)行監(jiān)測(cè)，前期需對(duì)礦山水文地質(zhì)條件進(jìn)行詳細(xì)勘探，并掌握采礦技術(shù)、安全技術(shù)、地理信息技術(shù)、專家系統(tǒng)理論、數(shù)據(jù)庫和計(jì)算機(jī)等相關(guān)技術(shù)和知識(shí)，從而提高礦井防治水的信息化水平[22]。

2.5 完善救災(zāi)體系

為了提高礦山的突水災(zāi)害事故防范能力，不僅需要對(duì)礦山突水的影響因素進(jìn)行詳細(xì)勘探，還需要加強(qiáng)礦山監(jiān)測(cè)，建立礦山突水信息化系統(tǒng)，盡可能地減少礦井突水災(zāi)害事故的發(fā)生。但一旦發(fā)生災(zāi)害突水事故，需立即啟動(dòng)應(yīng)急救援預(yù)案，因此，在礦山建設(shè)過程中，需考慮發(fā)生礦井突水災(zāi)害事故的可能性，配置符合要求的排水設(shè)備，預(yù)防突水事故。

如何在發(fā)生礦井突水災(zāi)害事故時(shí)快速啟動(dòng)應(yīng)急救援設(shè)備，調(diào)動(dòng)礦井突水災(zāi)害事故救災(zāi)資源，盡可能減少突水災(zāi)害事故的損失，是我國礦山企業(yè)面臨的重要問題之一。在這種形勢(shì)下，礦井突水救災(zāi)體系可市場(chǎng)化，應(yīng)在全國范圍內(nèi)增設(shè)區(qū)域救災(zāi)中心，協(xié)調(diào)好各區(qū)域應(yīng)急救災(zāi)資源，以加快救災(zāi)進(jìn)度。

3 結(jié)語

我國很多礦山已逐漸進(jìn)入到深部開采階段，許多礦井經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)突水現(xiàn)象，嚴(yán)格制定防治水措施對(duì)保護(hù)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全有重要意義。本文在總結(jié)國內(nèi)外礦山突水事故的基礎(chǔ)上，分析了礦井突水的影響因素，并從礦區(qū)突水預(yù)測(cè)、井下防水、充填開采工藝、建立礦山突水信息化系統(tǒng)和完善突水救災(zāi)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(zāi)害事故應(yīng)急救援能力，國家應(yīng)加強(qiáng)對(duì)礦井突水災(zāi)害事故防治的管理力度，并將該制度落實(shí)到各礦山企業(yè)。從業(yè)人員要強(qiáng)化安全意識(shí)，加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)條件的勘測(cè)，全力做好礦井突水災(zāi)害防治工作，提高礦山企業(yè)的安全水平。