[科普中國(guó)]-突水

簡(jiǎn)介

突水是指大量地下水突然集中涌入井巷的現(xiàn)象2。掘進(jìn)或采礦過(guò)程中當(dāng)巷道揭穿導(dǎo)水?dāng)嗔?、富水溶洞、老窯積水，地下水大量突然涌入礦山井巷的現(xiàn)象。礦井突水是煤礦生產(chǎn)過(guò)程最具威脅的災(zāi)害之一，人員傷亡大，經(jīng)濟(jì)損失列于煤礦三大事故的榜首。一旦礦井發(fā)生突水,如何及時(shí)準(zhǔn)確地判斷突水成因,查找突水水源,是解決和進(jìn)一步預(yù)防突水災(zāi)害的關(guān)鍵問(wèn)題。

在硐室、巷道施工過(guò)程中，穿過(guò)溶洞發(fā)育的地段(尤其是遇到地下暗河系統(tǒng))、厚層含水砂礫石層或與地表水連通的較大斷裂破碎帶等所發(fā)生的突然大量涌水現(xiàn)象。

突水對(duì)地下工程的施工危害極大。3

突水水源特點(diǎn)礦井突水水源按其來(lái)源可以分為大氣降水、地表水體、地下水體和老空水4。大氣降水一般為礦化度較小、硬度較低的軟水。地表水一般均帶泥沙懸浮物而有渾濁度。此外，大氣降水及地表水中含有大量的有機(jī)物和細(xì)菌，可作為判斷其存在的重要依據(jù)。地下水的水化學(xué)成分十分復(fù)雜，作為礦井突水水源應(yīng)采用其它方法綜合判斷。老空水多表現(xiàn)為強(qiáng)酸性，突水瞬時(shí)水量大、破壞性強(qiáng)，但一般與其它水源無(wú)聯(lián)系，突水后急劇減弱.可作為常規(guī)判定老空水的重要依據(jù)。

突水災(zāi)變條件與演化特征研究國(guó)際上，煤礦突水的構(gòu)造地質(zhì)與水文地質(zhì)條件及特征研究相對(duì)其它地下工程領(lǐng)域起步較早5：

20世紀(jì)40～50年代，匈牙利韋格弗倫斯第一次提出隔水層厚度同水壓之比的底板相對(duì)隔水層的概念。前蘇聯(lián)學(xué)者B.斯列薩列夫最早提出安全水頭概念和預(yù)測(cè)突水的簡(jiǎn)支梁理論公式；匈牙利和南斯拉夫則利用相對(duì)隔水層厚度進(jìn)行突水判斷。

20世紀(jì)60～70年代，匈牙利國(guó)家礦業(yè)技術(shù)鑒定委員會(huì)將相對(duì)隔水層厚度的概念列入礦業(yè)安全規(guī)程中。
前蘇聯(lián)南斯拉夫等國(guó)學(xué)者開(kāi)始系統(tǒng)研究突水的發(fā)生條件和影響因素，對(duì)采動(dòng)滲流以及本構(gòu)關(guān)系等進(jìn)行有益的探討。
20世紀(jì)70～90年代，巖溶突水機(jī)理的研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，巖石力學(xué)工作者開(kāi)始引入能量法系統(tǒng)論突變以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等非線(xiàn)性觀(guān)點(diǎn)探討突水的災(zāi)變條件和演化機(jī)制。

國(guó)內(nèi)，煤礦水文地質(zhì)工作起步于20世紀(jì)50年代中期，突水防治思想和方法沿襲前蘇聯(lián)。
60年代末，全國(guó)范圍內(nèi)大規(guī)模的水源勘察和開(kāi)發(fā)，為中國(guó)水文地質(zhì)研究積累了大量資料和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)地下水巖溶形態(tài)賦存方式以及運(yùn)移規(guī)律等方面的研究有了質(zhì)的飛躍，對(duì)基巖裂隙介質(zhì)和巖溶發(fā)育與富水規(guī)律也有了一定的認(rèn)識(shí)。

1964年原燃化工業(yè)部組織全國(guó)的煤礦防治水拔尖人才開(kāi)展焦作水文地質(zhì)大會(huì)戰(zhàn)，水文地質(zhì)工作者提出了突水系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，并很快在全國(guó)推廣使用。

20世紀(jì)70年代末引入了歐美的地下水動(dòng)力學(xué)的最新研究成果，拓展了地下水的研究范圍和方法，由單一的穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)發(fā)展到非穩(wěn)定流，評(píng)價(jià)計(jì)算方法由解析經(jīng)驗(yàn)到有限元邊界元的數(shù)值模擬。

1980年代初期，李白英、高延法等提出下三帶理論，王作宇錢(qián)鳴高等學(xué)者從采礦工程角度相繼提出零位破壞與原位張裂理論板模型理論以及KS理論等等，對(duì)認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)非構(gòu)造性突水問(wèn)題具有指導(dǎo)意義。

1990年代至本世紀(jì)初，尹尚先等提出陷落柱突水的圓壁桶模型，對(duì)煤礦充水陷落柱防水煤柱和隧洞巖溶管道安全厚度的留設(shè)具有重要參考價(jià)值。

礦井突水預(yù)兆一般預(yù)兆(1)煤層變潮濕、松軟；煤幫出現(xiàn)滴水、淋水現(xiàn)象，且淋水由小變大；有時(shí)煤幫出現(xiàn)鐵銹色水跡6。

(2)工作面氣溫降低，或出現(xiàn)霧氣或硫化氫氣味(即臭雞蛋味)。

(3)有時(shí)可聞到水的“嘶嘶”聲。

(4)礦壓增大，發(fā)生片幫、冒頂及底肢。

工作面底板灰?guī)r含水層突水預(yù)兆(1)工作面壓力增大，底板股起，底殿量有時(shí)可達(dá)500mm以上。

(2)工作面底板產(chǎn)生裂隙，并逐漸增大。

(3)沿裂隙或煤幫向外滲水，隨著裂隙的增大，水量增加，當(dāng)?shù)装鍧B水量增大到一定程度時(shí)，煤幫滲水可能停止，此時(shí)水色時(shí)清時(shí)濁：底板活動(dòng)時(shí)水變渾濁，底板穩(wěn)定時(shí)水色變清。

(4)底板破裂，沿裂縫有高壓水噴出，并伴有"嘶嘶"聲或刺耳水聲。(5)底板發(fā)生"底爆",伴有巨響，地下水大量涌出，水色呈乳白或黃色。

松散孔隙含水層水突水預(yù)兆(1)突水部位發(fā)潮、滴水、且滴水現(xiàn)象逐漸增大，仔細(xì)觀(guān)察發(fā)現(xiàn)水中含有少量細(xì)砂。

(2)發(fā)生局部冒頂，水量突增并出現(xiàn)流沙，流沙常呈間歇性，水色時(shí)清時(shí)濁，總的趨勢(shì)是水量、沙量增加，直至流沙大量涌出。

(3)頂板發(fā)生潰水、潰沙，這種現(xiàn)象可能影響到地表，致使地表出現(xiàn)塌陷坑。

礦井水災(zāi)的預(yù)測(cè)
礦井水災(zāi)的預(yù)測(cè)是指礦井在開(kāi)采前，根據(jù)地質(zhì)勘探的水文地質(zhì)資料及專(zhuān)門(mén)進(jìn)行的水害調(diào)查資料，確定礦井水災(zāi)的危險(xiǎn)程度，并編制礦井水災(zāi)預(yù)測(cè)圖7。

礦井水災(zāi)危險(xiǎn)程度的確定
①用突水系數(shù)來(lái)確定礦井水害的危險(xiǎn)程度。突水系數(shù)是含水層中靜水壓力(kPa)與隔水層厚度(m)的比值，其物理意義是單位隔水層厚度所能承受的極限水壓值。
②按水文地質(zhì)的影響因素來(lái)確定礦井水害的危險(xiǎn)程度。該方法是按水文地質(zhì)的復(fù)雜程度將礦區(qū)的水害危險(xiǎn)程度劃分為5個(gè)等級(jí)。

礦井水災(zāi)預(yù)測(cè)圖的編制根據(jù)隔水層厚度和礦區(qū)各地段的水壓值，計(jì)算某開(kāi)采水平的突水系數(shù)，編制相應(yīng)比例的簡(jiǎn)單突水預(yù)測(cè)圖，然后根據(jù)礦區(qū)突水系數(shù)的臨界值，圈定安全區(qū)和危險(xiǎn)區(qū)。水災(zāi)預(yù)測(cè)圖的另一種編制方法是在開(kāi)采平面圖上圈定地下水災(zāi)的等級(jí)區(qū)域，據(jù)此制定最佳礦井規(guī)劃和防治水害的措施，加強(qiáng)危險(xiǎn)區(qū)域的監(jiān)測(cè)，保證安全生產(chǎn)。

施工工法坑道突水的工程防治措施很多，其原理都是盡可能地保持固有地質(zhì)體及其水文地質(zhì)的平衡狀態(tài)，強(qiáng)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(lèi)針對(duì)性設(shè)施和手段，包括排水疏干、工程與水源之間保留防水礦柱、修建水閘墻、門(mén)、灌注水泥漿、堵塞可能的滲透途徑和通道等6。

如在烏池壩隧道施工中建議：

1當(dāng)在飽水帶、特別是壓力飽水帶，掌子面前面發(fā)現(xiàn)由淤泥、粉細(xì)砂類(lèi)充填的大型溶洞，從而產(chǎn)生涌泥、涌不時(shí)，不能爆開(kāi)，經(jīng)判斷后，應(yīng)采取注漿方法固結(jié)泥砂；

2使用大管棚施工并進(jìn)行注漿加固，可增加管棚支護(hù)剛度，減小充填物滲透壓力，并通過(guò)小導(dǎo)管超前支護(hù)，進(jìn)一步保護(hù)大管棚安全；

3超前預(yù)注漿完成后，在開(kāi)挖前，應(yīng)對(duì)不足部位或注漿盲區(qū)進(jìn)行小導(dǎo)管補(bǔ)充注漿等。

掘進(jìn)安全措施掘進(jìn)工作面接近積水區(qū)時(shí)，應(yīng)采取的安全措施6

掘進(jìn)工作面接近積水區(qū)時(shí)，單靠探放水來(lái)保證安全是不夠的，還必須在掘進(jìn)期間采取安全措施加以防范。

⒈探水巷道的掘進(jìn)斷面不宜過(guò)大，以縮小受壓面積。同時(shí)應(yīng)有兩個(gè)安全出口，用于通風(fēng)、流水和撤人。一般情況下應(yīng)雙巷掘進(jìn)，必要時(shí)在聯(lián)絡(luò)巷之間開(kāi)掘安全躲避洞室。
⒉掘進(jìn)巷道坡度不準(zhǔn)起伏不平，以免低處的水流不出去，施工人員有被堵的危險(xiǎn)。

⒊上山方向的水害威脅未消除或正在探水時(shí)，為保證下山工作人員的安全，應(yīng)暫停其工作，等水害威脅消除后再繼續(xù)工作。

⒋探到老空并已放水的掘進(jìn)工作面，如果不能馬上與老空掘透而在幾天后再掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)重打2~3個(gè)檢查孔，以免原有的鉆孔坍塌堵塞而重新積水。切不可冒然掘進(jìn)。

⒌探水巷道必須嚴(yán)格掌握巷道掘進(jìn)方向，沿著探水孔的中心線(xiàn)掘進(jìn)，以免造成超前距和幫距縮小而遭遇老空透水。如果地質(zhì)變化必須偏離時(shí)，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)充鉆探或采取其它措施予以補(bǔ)救。

⒍大部分積水已經(jīng)放出，還應(yīng)注意盲巷老空積水或因斷層的隔離而形成的孤立積水區(qū)。

⒎合理選擇巷道掘進(jìn)的爆破方法，在探水眼嚴(yán)密掩護(hù)下，且保持超前距和幫距時(shí)，可以采取多打眼、少裝藥、放小炮的方法，以利于保持煤體的穩(wěn)定性。

⒏嚴(yán)格執(zhí)行“三不裝藥”制度，即炮眼或掘進(jìn)工作面有出水預(yù)兆不裝藥，超前距不夠或偏離探水方向不裝藥，掘進(jìn)工作面支架不牢或空頂距超過(guò)規(guī)定時(shí)不裝藥。

⒐為了預(yù)防探放水以后又重新積水造成事故，上山巷道或坡度大的穿層斜石門(mén)掘進(jìn)接近老空放炮時(shí)，應(yīng)將所有人員撤到聯(lián)絡(luò)巷或下部平巷。

⒑掘進(jìn)打眼沿釬桿向外流水時(shí)，應(yīng)停止工作，不準(zhǔn)拔出或搖晃鉆桿，要設(shè)法固定，并向礦報(bào)告，聽(tīng)候處理。
⒒老空放水后允許恢復(fù)掘進(jìn)時(shí)，還必須注意：當(dāng)掘進(jìn)到離老空3~5m處時(shí)，應(yīng)先打2~3個(gè)檢查孔進(jìn)行一次再檢查，只有證實(shí)積水確已放凈后方可揭露老空。揭露老空時(shí)，要先由小斷面從放水鉆孔上方與老空打透，還要注意處理瓦斯、硫化氫等有害氣體。
⒓在受水威脅地區(qū)施工的所有人員，都必須熟悉避災(zāi)路線(xiàn)，懂得突水后的急救知識(shí)。
⒔掘進(jìn)中各班班（組）長(zhǎng)必須在掘進(jìn)工作面交接班，交接班允許掘進(jìn)剩余的距離，嚴(yán)禁超越。

⒕掘到批準(zhǔn)位置時(shí)，其最后0.5m停止放炮，用手鎬采齊迎頭，以利于下次探水時(shí)，安全套管不致安設(shè)在被炮震松的煤巖層內(nèi)。

突水、涌水、透水的區(qū)別因?yàn)楝F(xiàn)在媒體在報(bào)到“突水”事故時(shí)，可能由于方言發(fā)音等原因，多寫(xiě)作“透水”，所以很多人也隨之稱(chēng)為“透水”6。

礦井建設(shè)和生產(chǎn)過(guò)程中，各種類(lèi)型的水源進(jìn)入采掘空間的過(guò)程稱(chēng)為礦井充水，進(jìn)入到工作面及井巷內(nèi)的水，稱(chēng)為礦井水。

礦井充水形式：滲入、滴入、淋入、流入、涌入和潰入等等。當(dāng)涌入潰入井巷的水量大、來(lái)勢(shì)猛時(shí)，稱(chēng)為突水。

礦井透水：礦井周?chē)畬拥乃砍?，填滿(mǎn)礦井，使礦井廢掉。當(dāng)采掘工作面遇到河床、采空區(qū)等地質(zhì)條件時(shí)會(huì)出現(xiàn)透水事故。

礦井突水：大量地下水突然集中涌入井巷的現(xiàn)象。掘進(jìn)或采礦過(guò)程中當(dāng)巷道揭穿導(dǎo)水?dāng)嗔?、富水溶洞、老窯積水，地下水大量突然涌入礦山井巷的現(xiàn)象。

礦井涌水：礦體及圍巖空隙中的地下水（孔隙水水源、裂隙水水源、巖溶水水源）、地表水水源，在壓力作用下涌出，稱(chēng)為礦井涌水。（在地下水面以下巖(土)體中采礦、開(kāi)挖基坑或地下硐室時(shí)，地下水不斷地流入場(chǎng)地的現(xiàn)象。）

至于透水、突水、涌水的區(qū)別，從以上的定義來(lái)看，涌水只是礦井充水的一種形式，強(qiáng)調(diào)的是流出，不強(qiáng)調(diào)水壓；突水強(qiáng)調(diào)的是承壓水，壓力大，突然涌入，通常指奧灰突水；透水主要指老窯水，地表水灌入井巷。