基本介紹
- 中文名：坑道突水
- 外文名：Water inrush in tunnel
- 識別方法：地質、水文地質分析法
- 預測方法：突水係數法
- 類型：地災
- 學科：礦山工程
產生原因,突水徵兆,識別方法,預測技術,國內突水事件發生情況,防治措施,
產生原因
富水導水結構破壞
發生坑道突水的直接原因是掘進和採礦過程揭穿或溝通了富水和導水結構，以及暴雨、山洪等暴發水源,使地下水或地表水大量而突然地湧入坑道。富水、導水結構主要指斷裂帶、破碎帶、風化帶、含水層(帶)、喀斯特洞穴、暗河、積水老塘等地下水體和河流、湖泊、堰塘、水庫等地表水體。
影響坑道突水的因素很多，涉及補給水源、富水、含水和導水結構、突水途徑和通道，以及影響突水性質和特徵等地質和水文地質條件，並與現代地應力作用和工程作用密切相關。
某一坑道是否會發生突水，由該坑道在地下（地表）水補給、徑流和排泄的統一流場中所處部位，以及工程和採礦對圍岩的影響來決定。例如，在深採礦區有富水的喀斯特礦床，在頂、底板和圍岩中有較厚高壓含水層（帶）分布的礦區，在構造破碎和喀斯特塌陷地段等，常易發生嚴重突水。
瓦斯爆炸
除坑道突水外，另一主要煤礦地質災害是瓦斯爆炸，全國有8個省(區)不同程度地存在瓦斯爆炸問題，近10年來共發生200次以上，死亡1400人，其中較嚴重的省份有山西(Ⅱ級以上瓦斯礦44個，僅1991、1992年兩次爆炸就死亡187人)、貴州(10座瓦斯礦發生過爆炸、死290人)、廣東(死3人以上的爆炸就達31次，共死348人)。此外，寧夏、青海、雲南、新疆、遼寧等地也都不同程度地存在瓦斯爆炸問題。
全國由此造成的直接經濟損失也是很大的。據全國17次大、中、小型瓦斯爆炸事故的統計，每次直接經濟，損失6.9—295萬元，平均每次46.88萬元，全國近10年來共200次以上，直接經濟損失達9376萬元，平均每年近0.1億元。
近年來瓦斯爆炸趨於強烈、頻度有所增大。其主要原因之一是個體、集體採礦增加、安全措施不完善，第二是大量的假冒偽劣礦用機電設備流人礦區，在礦井使用中放電打火引起爆炸。如1991年4月山西洪洞縣三交河煤礦的爆炸(死147人，損失295萬元)和1992年4月24日大同碾盤溝軍民聯營煤礦的爆炸(死40人)，皆因使用了假冒偽劣礦用機電設備而引起。
突水徵兆
a. 承壓水與承壓水有關斷層水突水徵兆：
①工作面頂板來壓、掉渣、冒頂、支架傾倒或折梁斷柱現象；
②底軟膨脹、底膨張裂。這種徵兆多隨頂板來壓之後發生，且較普遍，在採掘面圍岩內出現裂縫，當突水量大、來勢猛時，會伴有“底爆”響聲；
③先出小水後出大水也是較常見的徵兆；
④采場或巷道內瓦斯量顯著增大。
b. 沖積層水突水徵兆：
① 突水部位岩層發潮、滴水，且逐漸增大，仔細觀察可發現水中有少量細砂；
②發生局部冒頂，水量突增並出現流砂，流砂常呈間歇性，水色時清、時混；
③發生大量潰水、潰砂，這種現象可能影響至地表，導致地表出現塌陷坑。
c. 老窯水突水徵兆：
① 煤層發潮、色暗無光；
②煤層“掛汗”；
③ 採掘面、煤層和岩層內溫度低“發涼”；
④在採掘面內若在煤壁、岩層內聽到“吱吱”的水呼聲時，表征因水壓大，水向裂隙中擠壓發出的響聲，說明離水體不遠了，有突水危險；
⑤ 老窯水一般呈紅色，含有鐵，水面泛油花和臭雞蛋味。
識別方法
地質、水文地質分析法
熟悉掌握井田或採區內已存在或可能存在的斷層位置、性質、落差、兩盤含水層錯動情況；斷裂構造的組合特徵、含水層數目、厚度、含水類型、水壓大小、富水性、裂隙或岩溶發育程度；礦層與直接或間接充水含水層的距離、隔水層厚度、強度、穩定性；老窯邊界、舊鑽孔位置及封孔質量；地表水是否與礦坑水有聯繫。通過上述方法可以初步確定井田內突水的類型和位置。
突水點位置和突水形態分析法
在採礦過程中，由於煤層底板或斷層應力場發生了變化，承壓水的入侵高度沿斷層帶或破斷的底板向上發展產生遞進導升現象，以致造成突水。因此，突水過程具有岩體應力、滲透性變化、水壓升高、湧水量增大等一系列前兆。這些前兆是突水預測、預報的依據，通過感測器對應力、水壓的變化幅度等信息進行分析處理，來反演突水區域，進而計算突水點的位置。突水形態是指水從突水點流出還是冒出；是一陣大一陣小，還是緩慢增大；是上翻出水、噴射，還是緩流水，以此判斷水壓的相對大小，同時也反映出動水量大小。
突水攜出物分析法
無論是地表水或井下承壓含水層中的水，潰入採掘工作面時，一般都能攜出突破點附近圍岩物質；可通過觀察和分析這方面的資料來確定突水位置。
地下水動態分析法
井巷突水前，地下水運動處於相對動平衡態，在疏放流場中，其流向、水力坡度、水質、水溫都相對穩定。突水後，勢必打破原平衡狀態，在水位、水質、水量等方面應有所反映。通過動態分析法，可以分析判斷突水水源。
水化學法
水化學法是研究地下水自身組分的變化，從微觀上判別和認識不同水源間差異和聯繫的一種方法。要判別井下突水水源，必須首先搞清不同水源之間的區別和各自特徵，並掌握其形成特徵的自然規律。地下水在形成過程中，由於受到含水層的沉積期、地層岩性、建造和地化環境等諸多因素的影響，使儲存在不同含水層中的地下水主要化學成分有所不同。
近年來，由於計算技術和計算機技術得到迅速發展，一些定量、半定量的方法已經套用到對礦井突水水源的判別中，如模糊綜合評判法、人工神經網路、灰色關聯分析等等。每種方法有其自身的特點，同時也存在一定的局限性。針對不同情況，如何從方法上揚長避短，發揮各自的優勢，實現對礦井突水水源的準確判別及預測。
預測技術
直流電法
直流電法靈活，根據不同探測目的，可以採用多種工作裝置形式。井下探測通常套用對稱四極測深裝置、三極測深裝置和三點三極超前探裝置。直流電法具有理論成熟、儀器簡便、抗干擾能力強的優點，可用於探測巷道掘進工作面前方富水體範圍、劃分頂底板岩層貧富水區域、確定工作面回採時的易突水地段、評價工作面回採時的水害安全性等。
“地質電法測溫”多參數綜合超前探測技術
綜合超前探測技術是結合地質信息分析、井下直流電法超前探測、紅外測溫的綜合超前探測法.它根據同一地質構造(源)引起的地層形變場(定性)、電磁場(定量)、地溫場(定性)等多種參數變化趨勢同步、靈敏性不同的特點,利用“同源異場”聚焦的作用,定性與定量相結合,能提高探測準確度,為“非接觸式”井下綜合超前探測法,或稱“地電熱”綜合超前探測技術。
a. 該技術綜合了地層形變場、電磁場、地溫場的優點，定量與定性相結合，具有“同源異場”的聚焦作用，多參數變化趨勢同步、靈敏性不同之特點，屬“非接觸式”綜合探測法，比目前國內外常規單一探測技術優越得多，能避免因鑽探等“直接接觸式”探測法突然遇到或揭露高壓富水地段而大量突水的可能性，又減小了物探解釋的多解性. 該技術套用方便、成本低，能準確預測邊界大斷層及其分支斷層的位置及其導水、含水性，能有效保障煤礦生產安全。
b.該方法適用於一般(煤)礦帶水壓掘進(或開採)巷道正前方0～150m的災害性地質構造(如老窯采空積水區、導水斷層、導(突)水陷落柱、潛在導水斷裂發育帶、煤層突變帶等)的超前探測預報，及類似(高水壓、高風險)邊界大斷層附近的掘進超前預測預報，可進行近距離定性定量相結合的綜合超前探測。
c.在套用該“同源異場”預報理論預報時，要注意:
①選擇有效的、靈敏度較高的、有一定超前量的預測指標;
②確定各種“場”的預報臨界值;異常臨界值的確定需要許多基本資料，並按照一定規律進一步調整;
③進行各場之間相關的同步性、趨勢性、靈敏性分析;
④定性與定量相結合，各參數相互印證、綜合判斷;
⑤以煤層為主要研究對象.煤層在煤礦中揭露最多，具有可塑性與流動性，含最活躍的指標參數。
核磁共振技術在煤礦突水監測中的套用
NMR方法受地質因素影響小。例如，用電阻率法和電磁測深法卡尼亞視電阻率在某一範圍內無法區分裂隙中泥質充填物和自由水，而NMR方法可以清楚地顯示出他們的界線。可能給煤礦坑道造成突水災害的水，必須有一定的量，必須在坑道附近不遠的範圍內，必須有一定的破碎帶、裂隙、斷層、岩溶陷落柱、疏鬆帶、廢棄坑道等地質或人為構造。這些都是可以用核磁共振測水方法準確地探測清楚的。按照目前的核磁共振測水技術，需要進一步研究解決的：
一是天線在坑道中的布設方法;
二是所測到的富水構造的方位確定問題。
換言之，在地面可以任意大小地鋪設的天線，而在空間受到限制的坑道內需要研究如何設計與鋪設天線才能測到NMR信號。
核磁共振找水技術是目前世界上唯一的直接找水技術，可以清楚地探測到150m範圍內含水構造的含水量、導水條件(滲透率)。將此技術用於煤礦突水預測，將會極大地提高預測的速度與準確性。
利用物探信息預測煤礦水害
利用地面三維地震、地面瞬變電磁法、無線電波透視法等物探手段，查明採區內斷層的分布、導水裂隙帶的發育高度及分布、隔水層的厚度及分布、含水層的厚度及分布，為頂底板突水預測提供準確詳實的水文地質資料，以彌補常規手段所獲取資料的不足，並為非量化因素的量化提供新的研究途徑。
研究煤礦頂底板突水的機理和影響因素;研究有關的非量化因素的合理化手段，並建立有針對性的礦井突水預測模型，確定合適的參數及分類閾值，以提高突水預測的精度。
建立比較確切的預測與評價模型，實現地質資料的信息化、數位化和可視化，為突發性水害應變對策的制定提供技術支撐。
利用GIS作為平台，把三維地震、瞬變電磁、構造地質、水文地質等多源信息進行複合、綜合分析後建立預測模型，對煤礦水害進行預測。它的研究成果為煤礦水害預報提供了新的手段，對我國煤礦的安全生產具有重要意義。
遙感技術預測礦區突水的可行性
眾所周知，遙感圖像對礦區構造解譯，特別是對礦區外圍的區域構造解譯是常規地質和物探手段無法比擬的。而這些區域斷裂構造往往控制著與突水有直接關係的強徑流帶。強徑流帶內岩溶發育，含水性強，對礦井突水起決定性作用。如焦作礦區的鳳凰嶺斷層強徑流帶內岩溶發育，含水性強，對礦井突水起決定性作用。如焦作礦區的朱村斷層強徑流帶、方莊斷層強徑流帶等均屬此類構造。同時突水點空間分布又與這些主幹斷層有著密切的關係，突水點一般分布規律如下。
①兩條主幹斷裂的複合部位及其銳角一側形成富水區。
②主幹斷層旁側的入字型小構造。
③斷裂密集帶。
④主幹斷裂的橫張結構面形成的岩溶水的脈狀溶水帶。
⑤斷層消失端。 因此，利用遙感數據解譯區域斷裂構造，進而尋找井下主要湧水補給通道是可以實現的。另外，遙感(RS)、全球定位系統(GPS)、地理信息系統(GIS)技術，對多源信息進行複合處理，可對富水礦區的突水災害進行預測。
瞬變電磁法探測煤礦水害
瞬變電磁法（Transient Electromagnetic Method）簡稱 TEM，屬於感應類電磁探測方法。該方法具有勘探深度大，穿透高阻層能力強，隨機干擾小，可以在遠區觀測，也可在近區進行觀測，選擇不同時間窗進行觀測，可以獲得不同深度的地質信息等優點。廣泛的套用於礦產資源勘探、環境地質調查、水文地質與工程地質調查等領域，已成為煤礦水害探測最為有效的方法，為礦井安全生產提供了有力的保證。
當探測地下地質體時，向地面敷設的傳送回線中通以一定的穩定電流，從而在回線中間及周圍一定區域便產生穩定磁場（稱一次場或激勵場）。若一次電流突然斷開，則一次磁場隨之消失，使處於該磁場中的良導地質體內部由於磁通量Φ的變化而產生感應電動勢ε = dΦ/dt（法拉第電磁感應定律），感應電動勢在良導地質體中產生二次渦流場，二次渦流又因焦耳熱消耗而不斷衰減。其二次場也隨之衰減。由於感應二次場的衰變規律與地下地質體導電性有關，導電性越好，二次場衰減越慢，導電性越差，二次場衰減越快。所以通過研究瞬變場隨時間的變化規律，就可達到探測地下各種地質體的分布情況。
突水機率指數方法
突水機率指數是指套用賦權的方法，將影響底板突水的各種因素在底板突水中所起的作用進行定量化，通過一定的數學模型求得的總體量化指數即為突水機率指數。突水機率指數法是一種結合現場實際來預測采場底板突水的一種新方法，它不僅考慮了多種因素對突水的綜合影響，而且能夠反映研究區的突水規律。經過電腦程式化後，其現場可操作性十分方便。施龍青教授運用突水機率指數法，以肥城煤田為例，闡述了該方法在預測煤礦底板突水中的套用。
底板突水的突變理論預測
在承壓水上開採煤層後, 底板岩層的原始應力狀態被破壞, 致使應力重新分布, 從而導致底板岩層失穩破壞形成導水裂隙, 其結果往往造成底板承壓水通過采動裂隙突然湧入開採作業空間, 形成底板突水。整個過程具有非連續突變特徵,屬於突變理論研究的範疇。因此，採用突變理論的方法對煤層底板突水問題進行研究,是符合其本質特徵的，並有助於尋求底板突水危險性預測的新途徑。
上部為煤層底板突水系統狀態突變流形(平衡曲面),下部為uov平面,其中u,v表示控制煤層底板突水的兩類基本因素：底板導水裂隙發展因素和突水阻抗因素。平衡曲面由上、中、下三葉構成,其中上、下兩葉是穩定的,中葉是不穩定的。下葉代表煤層底板非突水狀態，上葉代表煤層底板突水狀態。底板處於穩定狀態時靜態的承壓水(下葉)和底板岩層失穩破裂產生突水通道後處於動態的承壓水(上葉)是煤層底板突水系統所處的兩個平衡位置，突水過程則是系統狀態變數x由下葉躍遷到上葉的過程。
國內突水事件發生情況
礦區坑道突水
坑道突水據不完全統計，湧水量在10立方米/分以上的突水事太累計達200餘次，給礦區造成嚴重損失。其中，太行山東麓的煤礦區在開採石炭、二疊紀煤層時，頻繁發生突水事故，特別是當礦區斷裂異常發育，岩溶水處於積極交替狀態，富水性極強時，更導致礦區突水次數和強度增大。
究其原因，絕大部分是由於礦層底板隔水層太薄或斷層破碎帶削弱了底板隔水層強度，因而承受不了底板水頭壓力及礦山壓力的結果，有時由於中奧陶統發育岩溶隱落柱，使上覆岩層陷溶，塌陷裂隙把岩溶水引入礦坑造成突水。例如開灤煤礦范各莊礦1984年6月特大突水順陷落柱潰入礦坑，殃及四個大礦井，最大突水量達2 053立方米/分，損失巨大。
中國南方主要為岩溶充水礦床。在長江中下游及南嶺一帶的大多數金屬礦床及湘、贛、鄂、奧等地的二疊紀煤礦，充水岩層主要為泥盆、石炭、二疊、三疊紀的碳酸鹽岩。
湖南的恩口煤礦自1958年建礦以來因底板突水曾經多次發生淹井事故。其中，婁底鎮煤礦突水量達38.3立方米/分，經濟損失慘重，突水原因主要是底板二疊系第四組灰岩中的溶洞裂隙水高壓突水來源。
據1981年統計，礦區岩溶塌陷坑達559個之多，塌陷導致地表水灌進礦坑，河水灌入量達86.94立方米/分。其中，石炭、二疊系岩溶水與大氣降水、河水有明顯聯繫，暗河管道流量隨降雨而暴漲暴落，因此礦坑突水量變化極大，礦區採礦受到嚴重威脅。如四川紅岩煤礦開採三疊系龍潭煤層，開採層位於當地侵蝕基準面以下，煤系頂底板為富水的長興灰岩、茅口灰岩岩溶含水層。
在茅口灰岩中發育有四條暗河，匯水面積大，1974年9月暴雨後發生礦井突水，最大突水使礦坑湧水量達77.7立方米/分，給生產帶來嚴重困難。
中國礦區突水特徵與分布規律表明，礦區突水與自然地理、氣候、大地構造、水文地質條件等因素有關，而至關重要的是礦區所處岩溶水系統的天然資源量的大小和水壓。所以，礦坑突水量和突水次數基本能夠反映礦區所受危害的程度。
根據對淄博、焦作、開灤、峰峰、韓城等礦的統計資料，80年代礦井突水量比60年代增加了近4倍。如淄博煤礦自1934年開採以來，到1987年共發生突水164次，其中主要因素是岩溶發育程度及富水性共同決定了突水程度的大小。
地下水觸發岩土體滑動
在外動力地質現象中，由於重力、地下水及地表水沖刷等作用造成的岩土體滑動，分布比較廣泛。其中地下水流起著重要作用，有時甚至成為起主導作用的因素。據調查，黃河流域和長江流域外力地質現象較為發育，其中岩土體滑動的危害十分嚴重。
黃河流域的黃土地區主要是土體滑動危害嚴重，而且有一定區域性和地帶性。甘肅和青海省的黃土地區，黃河及其支流切割深度達數百米。當下伏為第三紀粘土層時，溝谷下切至粘土層後，地下水匯集並軟化粘土層頂部，因受側向荷載影響，形成瞬間急劇大滑動、滑動土體體積達數百至數千萬立方米，滑距數百米至千餘米。陝西渭河北岸黃土塬邊，在各級階地上覆蓋有巨厚的黃土，在地下水作用下，產生黃土體的滑動。
在長江流域西部到中部的高山、中山及低山丘陵區，大面積分布有食泥質或雲母質較高的千枚岩、砂泥岩等，層理和節理髮育，含水性好，浸水易軟化，其中的層理及軟弱泥化夾層易構成滑動帶，尤其是當斜坡遭受暴雨襲擊時，坡體中含水岩層水量猛增，地下水位迅速抬高，增大了靜水壓力，造成斜坡變形，促使岩體滑動。
防治措施
坑道突水的工程防治措施很多，其原理都是儘可能地保持固有地質體及其水文地質的平衡狀態，強化抗突能力，削弱突水條件。
常用的基本上分為地面和地下兩類針對性設施和手段，包括排水疏乾、工程與水源之間保留防水礦柱、修建水閘牆、門、灌注水泥漿、堵塞可能的滲透途徑和通道等。
