【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 以靜力學(xué)理論為基礎(chǔ)，但加強(qiáng)了地質(zhì)因素一主要是隔水層巖性和強(qiáng)度 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 本科生畢業(yè)論文 第 2 頁(yè) 方面的研究 [1]。在匈牙利、南斯拉夫等國(guó) ， 廣泛采用了相對(duì)隔水層厚度，即以泥巖抗水壓的能力作為標(biāo)準(zhǔn)隔水層厚度 ， 將其他不同巖性的巖層換算成泥巖的厚度，以此作為衡量突水與否的標(biāo)準(zhǔn)。 70 年代至 80 年代末，許多國(guó)家的巖石力學(xué)工作者在研究礦柱的穩(wěn)定性時(shí)研究了底板的破壞機(jī)理 : 等人基于改進(jìn)的 Hoek 一 Brown 巖體強(qiáng)度準(zhǔn)則，并引入臨界能量釋放點(diǎn)的概念和取決于巖石性質(zhì)和承受破壞應(yīng)力前巖石己破裂的程度與巖體指標(biāo) RMR 相關(guān)的無(wú)量綱常量 ，分析了底板的承載能力對(duì)研究采動(dòng)影響下的底板破壞機(jī)理有一定參考價(jià)值 80 年代末，前全蘇礦山地質(zhì)力學(xué)和測(cè)量科學(xué)研究院突破傳統(tǒng)線性關(guān)系，指出導(dǎo)水裂隙和采厚成平方根關(guān)系。實(shí)質(zhì)上，對(duì)煤層底板突水問(wèn)題的研究與巖體水力學(xué)問(wèn)題的研究密不可分， 1974 年 LoulS 根據(jù)鉆孔抽水實(shí)驗(yàn)，得到了裂隙中水的滲透系數(shù)和法向地應(yīng)力之間服從指數(shù)關(guān)系 [2]以后德國(guó)的 Erichsen 又從裂隙巖體的剪切變形分析出發(fā)建立了滲流和應(yīng)力之間的禍合關(guān)系。 1986 年 oda 用裂隙幾何張量統(tǒng)一表達(dá)了巖體滲流與變形之間的關(guān)系 [3]， 1992 年 DerekElsworth 將似雙重介質(zhì)巖石格架的位移轉(zhuǎn)移到裂隙上，再根據(jù)裂隙滲流服從立方定理的關(guān)系，建立滲流場(chǎng)計(jì)算的固一液禍合模型，并開(kāi)發(fā)了有限元計(jì)算程序 [48]。 目前，在礦井水害研究方面，澳大利亞有些學(xué)者主要從事地下水運(yùn)移數(shù)學(xué)模型的建立。 國(guó)內(nèi) 水文地質(zhì)發(fā)展現(xiàn)狀 我國(guó)華東、華北、東北平原地區(qū)的煤系地層普遍被第四紀(jì)含水松散層、古近紀(jì)、新近紀(jì)覆蓋，淮南、潘集、淮北、皖北、棗莊、兗州、淄博、龍口、大屯、蘇南、焦作、鄭州、邯鄲、峰峰、邢臺(tái)、開(kāi)灤、沈北、沈南、梅河、鶴崗、石嘴山等礦區(qū)，都有水體 下采煤及頂板突水問(wèn)題，因此，對(duì)頂板水進(jìn)行有效地防治，在我國(guó)煤炭行業(yè)的發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用 [9]。 從頂板水的防治角度出發(fā)，主要考慮兩種情況：一是上覆水體（或強(qiáng)含水層）水量大、壓力高，開(kāi)采活動(dòng)不能波及，此時(shí)頂板水以防為主，防止上覆水體大量涌入井下；二是頂板突水量不太大并且礦井排水能力及相應(yīng)措施滿足要求，此時(shí)頂板水防治先預(yù)計(jì)突水量，然后根據(jù)突水量大小設(shè)計(jì)實(shí)施排水工程，制定防治水措施，避免頂板水在工作面產(chǎn)生積聚而影響正常生產(chǎn) [10]。 礦井頂板水的防治需要做好以下幾點(diǎn)：①對(duì)煤層頂板突水因素進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)；②留設(shè)防水煤（巖）柱；③對(duì)頂板水進(jìn)行超前疏干；④注漿截流；⑤改變采煤技術(shù)。根據(jù)防治水的“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，有疑必探，先探后掘，先治后采”的原則，堅(jiān)持“防、堵、疏、排、截”5 項(xiàng)綜合治理措施。建立全方位的安全監(jiān)控體系和相應(yīng)的安全保障系統(tǒng)，做到有效預(yù)測(cè)，及時(shí)救援，盡可能降低頂板突水造成的損失 [1114]。 經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的工作實(shí)踐和理論認(rèn)識(shí)，我國(guó)在礦井水害防治方面，已有了比較成熟的技術(shù)和措施，如疏干降壓、帷幕截流、帶壓開(kāi)采、坑內(nèi)防排水、注漿堵水、突水預(yù)測(cè)和探放水等。眾多的礦井水研究者已經(jīng)提出和使用了各具特色的頂板水防治理論，如豐 城礦務(wù)局的陳福生等利用高抽巷疏放頂板水，利用瓦斯預(yù)抽的高抽巷疏放頂板含水層，以解決水體下被壓煤層的安全開(kāi)采 [15]；淮北礦業(yè)集團(tuán)的張立標(biāo)等采用“大井法”使頂板含水層的水位降至其底板，相鄰區(qū)段煤層頂板含水層水同時(shí)被疏放，為工作面采掘生產(chǎn)消除了隱患，達(dá)到防治水的目的 [16]；河南煤業(yè)化工集團(tuán)等大馬會(huì)華等創(chuàng)新性的用建筑垃圾粉來(lái)控制頂板富含水層突水，既使得頂板水得到控制，改善了掘進(jìn)面工作環(huán)境，提高了掘進(jìn)進(jìn)尺，保證采掘 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 本科生畢業(yè)論文 第 3 頁(yè) 接替和礦井安全，同時(shí)又極大地降低了注漿成本 [17]。安科技學(xué)院的毛明倉(cāng)采用礦井直流電法探測(cè)頂板構(gòu)造水 技術(shù)，探測(cè)煤礦工作面頂板隔水層厚度、隔水層內(nèi)潛在突水通道的空間位置及含水層富水性分布規(guī)律，該技術(shù)能科學(xué)地指導(dǎo)頂板水害防治工作，保障煤礦生產(chǎn)安全 [1821]。 影響礦井水文因素的研究現(xiàn)狀 礦井水文地質(zhì)條件影響因素研究 對(duì)于礦井水文地質(zhì)條件的研究，追其根源，其實(shí)是對(duì)本礦充水因素的研究。充水因素分析貫穿礦井開(kāi)采與開(kāi)采的全過(guò)程?？碧诫A段，主要根據(jù)礦井所處的自然環(huán)境及礦區(qū)水文地質(zhì)條件，初步預(yù)測(cè)采后主要充水水源和通道，為礦坑涌水量的預(yù)測(cè)提供依據(jù)；開(kāi)采階段，充水因素分析更為具體，可結(jié)合具體開(kāi)采條件解決礦 井充水水源和充水通道問(wèn)題，為所采取的防治礦井充水措施提供依據(jù)。 根據(jù)礦井充水水源主要有大氣降水、地表水、地下水和老孔水。而充水通道有以下幾種：①巖層中的裂隙與斷裂帶。其中的斷裂帶，是對(duì)礦床的涌水和突水最具威脅性的進(jìn)行通道。②巖溶通道。包括可溶性巖層中的溶蝕裂隙、洞穴、地下通道等，導(dǎo)水的巖溶陷落柱和巖溶天窗等。一般導(dǎo)水性很好，當(dāng)?shù)V山井巷揭露它們時(shí)，很容易造成井淹事故。③空隙通道。④人為涌水通道。主要是指礦井開(kāi)采和勘探過(guò)程中，因地下水壓力和礦山壓力造成的底板裂隙而提供的礦井進(jìn)水通道 [2226]。 巖溶充水 研究現(xiàn)狀 世界上許多國(guó)家如匈牙利、南斯拉夫、西班牙等，在煤礦開(kāi)發(fā)中都不同程度地受到底板巖溶水的影響。對(duì)煤礦底板巖溶水的研究己有 100 多年的歷史，在底板巖體結(jié)構(gòu)的研究、探測(cè)技術(shù)及防治水措施等方面，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。早在 20 世紀(jì)初期，歐洲的一些學(xué)者從若干次底板突水資料中認(rèn)識(shí)到，只要煤層底板有隔水層，突水次數(shù)就少，突水也小，隔水層越厚則突水次數(shù)及突水量越少。 1944 年，匈牙利韋格 .弗倫斯第一次提出底板相對(duì)隔水層的概念，建立了水壓、隔水層厚度與底板突水的關(guān)系，后被許多巖溶水上采煤的國(guó)家引用。 隨電子工業(yè)的發(fā)展，國(guó)外 巖溶探測(cè)技術(shù)有了很大進(jìn)步，尤其是上世紀(jì) 80 年代以后，出現(xiàn)了多種類型的探測(cè)儀器，如美國(guó) Gl 公司制造的 Petroosnde 地電探測(cè)儀， GD 公司研制的 Es— 122 Es— 2401 型多道信息增強(qiáng)型地震儀，美國(guó)軍工生產(chǎn)的地質(zhì)雷達(dá)，德國(guó)的SEAMEX— 85 型槽波地震儀，日本 VIC 公司研制的 GR— 810 型全自動(dòng)地下勘探儀等等，這些儀器能較準(zhǔn)確地探查采前煤層底板巖溶發(fā)育特點(diǎn)及分布規(guī)律，超前探測(cè)構(gòu)造的導(dǎo)水性，并且向“無(wú)損”探測(cè)技術(shù)發(fā)展 [2729]。此外，偶極電阻率法，激發(fā)極化法等也在匈牙利、南斯拉夫等國(guó)用于探測(cè)地下含水 巖層，無(wú)線電波透視法用于探測(cè)孔距 Zoom 內(nèi)的巖溶、不連續(xù)面等。探測(cè)技術(shù)的發(fā)展對(duì)承壓水上安全采煤作出了重大貢獻(xiàn)。 我國(guó)對(duì)礦井水害的研究己有 30 多年的歷史，但主要還是在上世紀(jì) 70 年代后，由于礦井突水事故頻繁，淹井事故嚴(yán)重，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，我國(guó)的科學(xué)工作者開(kāi)展了廣泛的科學(xué)研究和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作，對(duì)煤礦底板突水有了較深入的認(rèn)識(shí)，取得了大量研究成果，形成了自己的特色理論。 地表水充水研究現(xiàn)狀 地表水是地下水的補(bǔ)給途徑之一，直接影響到本地區(qū)的水文地質(zhì)條件。 本區(qū)地處黃河流域和海河流域分水嶺地帶，地表水系屬黃 河流域汾河水系瀟河支系。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 本科生畢業(yè)論文 第 4 頁(yè) 區(qū)內(nèi)沖溝發(fā)育，井田北部沖溝向北匯流入榮家溝后自東向西流出井田；井田南部各沖溝向南匯入溫家莊河后自東向西流出井田，匯入白馬河，平常無(wú)水，汛期有洪流通過(guò)。 如果沒(méi)有礦區(qū)的開(kāi)采，這里的地表水不會(huì)直接影響到地下水。但隨著開(kāi)采的日益進(jìn)行，煤炭開(kāi)采會(huì)使地表產(chǎn)生裂縫、地面的下陷等問(wèn)題。地表水會(huì)產(chǎn)生沿著裂縫向礦區(qū)流動(dòng)的可能性。這樣不僅會(huì)使水環(huán)境遭到破壞，而且地表水不規(guī)則的流動(dòng)會(huì)使礦井工作區(qū)有水害事故的危險(xiǎn)性。這使得對(duì)該地區(qū)洪期地表水的監(jiān)控成為未來(lái)必要的工作之一。通過(guò)文獻(xiàn)的查找，在姚光華等研究的采煤條 件下地表水的滲入特征中得到了啟示：采動(dòng)影響范圍內(nèi)隔水層地表巖體破碎，滲透速度加快，失去隔水作用，與含水層融為統(tǒng)一的含水體，從而能改變此地的地質(zhì)條件 [31]。 構(gòu)造斷裂段充水研究現(xiàn)狀 斷層是導(dǎo)致礦井突水的主要原因之一，有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料表明， 80％的礦井突水和斷層有關(guān)，斷層面附近的巖體較破碎，在采動(dòng)影響下，易于使構(gòu)造結(jié)構(gòu)面“活化”，溝通導(dǎo)水裂隙而導(dǎo)水。因此，研究斷層采動(dòng)活化對(duì)導(dǎo)水裂隙帶的影響具有重要意義。長(zhǎng)期以來(lái)，許多學(xué)者對(duì)斷層采動(dòng)活化做了大量研究，彭蘇萍等開(kāi)展了斷層對(duì)頂板穩(wěn)定性影響相似模擬實(shí)驗(yàn)研究，分析了斷層 采動(dòng)活化對(duì)斷層及其影響范圍內(nèi)巖體的影響。黃炳香等采用相似模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)采場(chǎng)小斷層區(qū)域覆巖破斷規(guī)律和斷層構(gòu)造裂隙的演化過(guò)程進(jìn)行了研究，得出了工作面不同推進(jìn)方向時(shí)采場(chǎng)小斷層對(duì)導(dǎo)水裂隙高度的影響規(guī)律。胡戈等通過(guò)綜放開(kāi)采過(guò)斷層時(shí)頂板破壞規(guī)律的數(shù)值模擬，分析了斷層傾向?qū)?dǎo)水裂隙帶高度的影響，李輝等通過(guò)數(shù)值模擬斷層對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度影響，結(jié)果證明有斷層時(shí)導(dǎo)水裂隙帶高度比無(wú)斷層時(shí)要高 [3235]。 上述研究成果在分析斷層采動(dòng)影響對(duì)圍巖應(yīng)力的分布和裂隙演化方面有重要的參考價(jià)值，但這些都是從斷層傾向、傾角及落差方面考慮。描述斷 層的三要素包括斷層產(chǎn)狀、落差和斷至層位，因此斷至層位對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度的影響值得研究。 老空積水充水研究現(xiàn)狀 [36] 事故致因理論能量意外釋放論認(rèn)為 ， 事故是一種不正常的或不希望的能量釋放 。 煤礦井下發(fā)生老空水害事故 ， 是老空水具有的勢(shì)能意外釋放和因此而產(chǎn)生的動(dòng)能 ， 作用于人體 。物體、巖體等 ， 造成冒頂、坍塌、物體打擊 ， 以及新的積水區(qū)造成人員淹溺等。 根據(jù)能量意外釋放理論 ， 預(yù)防事故就是控制 、 約束能量或危險(xiǎn)物質(zhì) ， 防止其意外釋放。因此 ， 防治老空水的主要技術(shù)措施是防止或查明采空區(qū)積水 ， 安全地排放采空區(qū)積水或采取隔離措施。 以下是現(xiàn)行的較常用措施：① 查明礦井水文地質(zhì)等基本情況 ， 建立健全礦區(qū)地下水文動(dòng)態(tài)觀測(cè)網(wǎng) ， 采用物探、鉆探等先進(jìn)的探測(cè)技術(shù) ， 查明礦井水源、導(dǎo)水通道、水害類型等水文地質(zhì)基本情況 ， 并編制礦井綜合水文地質(zhì)圖 、 礦井充水性圖等基礎(chǔ)圖紙 ， 為布置采區(qū)巷道和采掘工作面提供技術(shù)依據(jù)。 ② 合理布置采區(qū)巷道和采掘工作面根據(jù)礦井水文地質(zhì)基本情況 ， 特別是礦井含水層的數(shù)量、厚度、含水性和老空區(qū)積水及鉆孔封孔等情況 ， 按照煤礦安全規(guī)程要求 ， 合理布置采區(qū)巷道和采掘工作面 ， 使采區(qū)巷道和采掘工作面位置符合安全距離要求 ， 隔斷導(dǎo)水通道。 ③ 開(kāi)展安全技術(shù)論證 ， 通過(guò)收集查閱歷史圖紙資料， 訪問(wèn)知情人員 ， 調(diào)查核實(shí)礦井及相鄰煤礦的廢棄老窯情況 ； 查明采掘工作面周邊老窯、采空區(qū)、廢棄巷道積水情況 ， 分析確定頂板冒落裂隙 ， 塌陷邊界 ， 查清導(dǎo)水通道 ； 現(xiàn)場(chǎng)勘察井田范圍內(nèi)采空區(qū)地表塌陷情況 ， 查清地表與井下的水力聯(lián)系情況 ， 并制定防治水技術(shù)措施 ， 防止溝通鄰近積水體 ， 確保安全開(kāi)采。 ④ 采用物探技術(shù) ， 選用礦井直流電法、礦井直流電透視法、礦井無(wú)線電波透視法 (又稱坑透法 ) 等物探技術(shù) ， 探測(cè)礦井裂隙帶、含 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 本科生畢業(yè)論文 第 5 頁(yè) 水構(gòu)造、采空區(qū)積水等情況 ， 模清礦井水文地質(zhì)情況 ， 特別是采空區(qū)的積水情況 ， 為組織采掘活動(dòng)提供依據(jù)。 ⑤ 探水線的確定 ， 探水線 ， 即開(kāi)始探水的邊界線 。 礦井水文地質(zhì)規(guī)程規(guī)定 ， 積水老空區(qū)探水線 (警戒線 ) 是采掘工程平面圖上標(biāo)注的積水區(qū)及其最洼點(diǎn)的具體位置和積水外緣標(biāo)高 ， 向 外 推 60m 所劃定的積水老空區(qū)的警戒線。工作面進(jìn)入積水警戒線后 ， 必須超前探放水 ， 并在距積水實(shí)際邊界 20m 處停止采掘作業(yè) ， 進(jìn)行打鉆放水 ， 在確認(rèn)積水已被基本放凈后 ， 方可繼續(xù)進(jìn)行采掘作業(yè)。但在實(shí)踐過(guò)程中 ， 有的煤礦根據(jù)在老空積水區(qū)邊界位置準(zhǔn)確 ， 水壓不超過(guò) 1MPa 的情況下 ， 探水線至積水區(qū)的最小距離 ， 煤層中不小于 30m， 巖層中不小于 20m。 確定探水線 ， 且取下限 值 ， 這是不可靠的。因?yàn)樵诂F(xiàn)有手段下 ， 對(duì)冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶最大高度的計(jì)算 ， 因受地質(zhì)條件變化等響 ， 得出的數(shù)據(jù)不很精確 ； 對(duì)采空區(qū)的測(cè)量 、 填圖等 ， 由于受時(shí)空變化和計(jì)算時(shí)比例尺換算等因素影響 ， 其采空區(qū)的邊界位置 ， 尤其是最洼地很難準(zhǔn)確描述 ， 必須根據(jù)實(shí)際情況合理調(diào)整確定探水線 。⑥ 超前距的確定一般情況下 ， 從探水線開(kāi)始向前方打鉆探水 ， 一次打透積水區(qū)的情況較少 ，多數(shù)采用 — 探水 — 掘進(jìn) — 探水 — 循環(huán)方式進(jìn) 行。為了確保安全，探水過(guò)程中，探水鉆孔的終孔位置應(yīng)始終保持超前掘進(jìn)工作面一段距離，這段距離簡(jiǎn)稱超前距。經(jīng)探水后，證明無(wú)水害威脅，可 以安全采掘的長(zhǎng)度，稱為允許采掘距離。煤礦水害事故教訓(xùn)證明，實(shí)踐工作中，有的憑經(jīng)驗(yàn)超前距取 102m，薄煤層不少于 8m，是不可取的。 煤礦區(qū)水文地質(zhì)勘查評(píng)價(jià)發(fā)展趨勢(shì) [3741] (1)加強(qiáng)調(diào)查與研究相結(jié)合 世界各國(guó)都非常重視資源環(huán)境地質(zhì)調(diào)查工作。在查明工程 — 經(jīng)濟(jì)活動(dòng)與地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量之間相互作用的基礎(chǔ)上，研究其發(fā)展趨勢(shì)與作用程度，從而能大大增強(qiáng)水工環(huán)地質(zhì)工作在礦區(qū)建設(shè)中的作用。 (2)水資源管理與水環(huán)境調(diào)查相結(jié)合 水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)綜合勘查調(diào)查評(píng)價(jià)是煤炭持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的需要，也是技術(shù)發(fā)展之趨勢(shì)。既要考 慮資源的充分利用，也要考慮開(kāi)發(fā)后可能產(chǎn)生的環(huán)境后果。礦井水資源化及地表地下水聯(lián)合調(diào)度是解決或緩解煤礦區(qū)水資源矛盾的有效途徑，這對(duì)于水資源緊張、環(huán)境脆弱的礦區(qū)尤其重要。 (3)進(jìn)一步加強(qiáng)煤礦防治水研究 隨著中、東部煤礦上組煤炭資源的減少，開(kāi)發(fā)利用儲(chǔ)量豐富的下組煤已成為很現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題，而下組煤的開(kāi)采除了其他的礦井工程地質(zhì)問(wèn)題以外，最主要的障礙就是距離下組煤幾十米的深部高壓巖溶水的突