礦井滯后突水機理探討

盧榮茂

中煤水文局生態環境工程有限公司，中國·四川 南充 637716

1 引言

采礦過程礦井突水一直嚴重威脅采礦工作的順利進行，一旦發生突水事故，給礦上經濟和人員健康帶來嚴重損失。礦井突水主要是頂底板及老空突水。現階段，礦井滯后突水問題已經發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，滯后突水問題愈發突出。掌握滯后突水機理，同時有效預防和治理礦井滯后突水問題是目前急需解決的問題。

2 研究現狀

礦井滯后突水是指煤礦在開采時并未發生突水，開采后某一時刻發生突水的現象，稱為礦井滯后突水。

煤礦滯后突水，是原來的隔水斷層活化成為導水斷層[1]或者原來沒水的陷落柱在某一時刻突然導通，發生突水事故。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生產。現階段的礦井防治水理論已經比較成熟，從突水機理到防治水治理，在中國已經形成一套完整的技術體系，并且可以應對大部分的突水現象[2]。但是由于水文地質條件的復雜性，共性問題的基礎上也會存在個性差異。考慮到時間因素的影響，很多礦區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 后水量達到150m3/s，這就是一種滯后突水現象。還有些礦區，在開采初期并沒有涌水，隨著巷道的反復穿插，開始出現涌水現象。

現階段，對于礦區的突水，從理論，到勘察手段，到防治水技術研究成果頗豐。但并未考慮到具體滯后突水的時間影響。在滯后突水方面的研究，時間是很重要的因素，考慮時間變量擬合突水曲線，是礦井滯后突水的重點。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 斷層滯后突水機理

斷層活化導水是斷層滯后突水的根本原因，具有較大的不可預測性，也更易造成災難，是地下工程重大威脅。為此，相關研究人員進行了深入研究。認為當斷層面的切應力大于斷層面的抗剪強度時，斷層上下盤會產生相對運動，促使斷層導水怕[3]。從裂隙滲流理論考慮采動附加應力導致導水裂隙帶內地下水與斷層面的法向應力失衡是不導水斷層活化導水的誘因，是斷層活化導水的必要條件[4]。

3.2 斷層滯后突水導致煤層頂板突水

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

李輝[5]等人以南方塘沖煤礦為例，分析了由斷層引發的頂板巖溶水的突水突水機理，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生的。而此次由于斷層的作用誘發了突水事故，說明斷層的作用不只是自身導水，還可能破壞采場圍巖承載結構，引起上覆巖層失穩而發生突水事故。

3.3 斷層滯后突水導致煤層底板突水

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

李凱[6]等以中國徐州某礦不導水斷層為例，采用多場耦合數值模擬，推斷開采條件下深部煤層斷層活化，導致突水。在礦業開采推進過程中，斷層帶內應力集中影響區不斷向斷層上部移動；隨著采場的推進，斷層活化區域由底部不斷向上擴展，當斷層活化區域與采場底板的塑性破壞區相連時，對于含水斷層即形成導水通道，奧陶系高壓水沿斷層面發生滲流突變，引發底板突水事故。

4 陷落柱滯后突水

4.1 陷落柱滯后突水機理

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，陷落柱成為垂向導突水通道需具備3 個基本條件：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陷落柱體膠結不良、導水性好[7]。實例表明，采掘工程接近強含水巖溶陷落柱，如果不能有效控制溝通強含水巖溶陷落柱的涌水鉆孔，或者人為反復地鉆探破壞了強含水巖溶陷落柱的圍巖區，在水流沖刷和其他因素的綜合作用下，陷落柱圍巖應力場發生變化，應力驟降帶范圍擴大，圍巖導水性增強，阻止和限制地下水流動能力減弱，從而形成突水通道引發突水。

4.2 采礦活動對陷落柱滯后突水的影響

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

當考慮充水因素時[8]，陷落柱滲透區的塑性破壞范圍增大，充水陷落柱周邊發育有塑性破壞區和滲透區域，塑性破壞區發育不太規則，滲透區域由下向上逐漸變大更容易導致陷落柱突水。當工作面回采對陷落柱產生擾動時，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，即使是較小的采動影響也能夠對陷落柱產生較大的活化作用。

采礦過程對充水陷落柱破壞的實質是陷落柱在采動應力場和滲流場的相互作用下，滲流壓力引起陷落柱圍巖產生應變，同時采掘工作形成的應變也同樣會引起滲流系數的變化。并且，滲流場和應力場自身隨時間、空間發生變化，且兩者相互作用處于一種復雜動態變化過程中。

5 預防及治理措施

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基礎；二是礦山壓力和水壓力的共同作用是造成底板突水的動力源；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方法是對煤層底板直接突水的含水層進行注漿改造，使其在有可能突水的地段變為弱含水層或隔水層；降低突水力源的主要技術方法是采用“雙降”，即降低礦山壓力和水頭壓力，避開突水的通道的技術方法是留足防水煤柱；堵塞突水通道的技術方法是注漿加固充填導水斷層和裂隙[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對斷層加強探查。

5.2 陷落柱滯后突水治理

陷落柱突水的預防工作主要是留防水煤柱，同時采用超前探測查[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，中國諸多礦區的生產實踐也充分證明了這一點。具體措施包括[11]：①巷道截流技術（適用于獨頭巷道內突水事故）；②“止水塞”技術（適用于準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（根據陷落柱內部特征人為的劃分為三段，本質是“止水塞”技術的細化，效果好，節約治理成本）；④返流注漿技術（已初步控制陷落柱突水，未明確陷落柱范圍，可繼續打鉆孔加速封堵）；⑤留足防水煤柱。

6 結語

①論文分析了礦井滯后突水研究現狀，并對礦井滯后突水做了定義，提出深入研究滯后突水的時間因素優點可以在最短時間內預測突水可能，盡早治理可節約大量的經濟成本，可以合理計算突水淹井時間。在原有計算時間的基礎上，可增加災害發生時間，為人員安全及提早部署贏得寶貴時間。

②討論了活化斷層的滯后突水機理。由于開采工作的進行，導致礦壓改變，原隔水斷層活化導水。同時，由于斷層的存在，巖層的結構和力學性質改變，在煤層頂板增加了開采裂隙帶高度，更容易破壞隔水層導通含水層引發突水事故；在煤層底板，開采破壞帶深度增加，有可能導通奧灰水，誘發突水事故，一般發生在大水礦區。

③討論了陷落柱活化導水突水機理。由于采礦活動影響，隨著采掘工作面的進行，煤壁前方塑性區和陷落柱的裂隙帶和破碎帶疊加，此時導水通道已經形成。由于充水陷落柱周邊發育有塑性破壞區和滲透區域，塑性破壞區發育不太規則，滲透區域由下向上逐漸變大更容易導致陷落柱突水。

④結合上述滯后突水機理和現有防治水手段，分別總結了斷層突水和陷落柱突水預防及治理技術。