1、书书书Journal of Engineering Geology工程地质学报10049665/2022/30(6)-1849-18隋旺华 2022 矿山采掘岩体渗透变形灾变机理及防控:底板突水J 工程地质学报，30(6):18491866 doi:1013544/jcnkijeg20220668Sui Wanghua 2022 Catastrophic mechanism and its prevention and control of seepage deformation and failure of mining rock mass:A review of waterinrush f
2、rom seam floorJ Journal of Engineering Geology，30(6):18491866 doi:1013544/jcnkijeg20220668矿山采掘岩体渗透变形灾变机理及防控:底板突水*隋旺华(中国矿业大学，资源与地球科学学院，矿山水害技术基础研究实验室，徐州 221116，中国)摘要矿山地下工程渗透变形破坏造成的典型灾害类型包括顶板突水溃砂、底板突水、防水闸墙与围岩界面渗透破坏等。本文从刘国昌先生对我国矿山水文地质工程地质学发展的奠基作用谈起，综述了矿山底板岩体渗透变形破坏突水灾害机理和防控技术进展。回顾了煤矿底板突水系数提出、改进和应用的历史，从底板
3、渗透变形破坏产生的渗透力学机理重新阐释了突水系数的物理含义。基于底板岩体结构临界抗渗水力坡度建立了抗渗安全系数突水判别方法，其底板临界抗渗水力坡度可由半经验方法估算。在对底板突水评价方法演进分析的基础上，提出了底板危险源辨识和突水危险性动态评价方法。对底板突水灾变的主动防控措施的防控原理及效果评估方法进行了分析。最后，讨论了矿山底板渗透稳定性方面需要进一步深入研究的科学问题。关键词渗透变形;底板突水;突水系数;临界水力坡度;主动防控;风险评价;抗渗安全系数中图分类号:P641.4文献标识码:Adoi:1013544/jcnkijeg20220668*收稿日期:20220915;修回日期:202
4、21010基金项目:国家自然科学基金重点项目(资助号:42130706)This research is supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No 42130706)作者简介:隋旺华(1964)，男，博士，教授，博士生导师，主要从事矿山水文地质工程地质研究和教学工作 E-mail:suiwanghuacumteducnCATASTOPHIC MECHANISM AND ITS PEVENTION AND CONTOLOF SEEPAGE DEFOMATION AND FAILUE OF MINI
5、NG OCK MASS:A EVIEW OF WATE INUSH FOM SEAM FLOOSUI Wanghua(School of esources and Geosciences，Institute of Mine Water Hazards Control Technology，China University of Mining andTechnology，Xuzhou 221116，China)AbstractThis paper examines the typical types of disasters caused by groundwater seepage defor
6、mation and fail-ure in underground mines They include water inrush or water-sand mixture inrush from the roof，water inrush fromthe floor，and seepage failure of the interface between water retention bulkhead and surrounding rock，etc The pa-per introduces the important role of Professor Guochang Liu i
7、n laying the foundation for the development of minehydrogeology and engineering geology in China It further reviews the mechanism of major engineering geologicaldisasters caused by groundwater seepage failure of rock masses in mines and their development of prevention andcontrol technologies This pa
8、per also reviews the history of the proposal，improvement and application of the waterinrush coefficient for the evaluation of water inrush from seam floor，and reinterprets the physics of the water inrushcoefficient from the seepage mechanical mechanism of the generation of the seepage failure of the
9、 seam floor Basedon the critical hydraulic gradient of the floor rock mass structure，a water inrush discrimination method was estab-lished The critical hydraulic gradient of the floor rock mass can be estimated by semi-empirical method A dynamicevaluation method of water inrush risk from the seam fl
10、oor based on the safety factor against seepage failure is pro-posed after the analysis of the evolution of evaluation methods for floor water inrush The prevention and controlprinciple and efficiency evaluation method of the active prevention and control measures for the flood water inrushcatastroph
11、e are analyzed Finally，the scientific issues that require further in-depth study in the seepage stability ofthe seam floor are proposedKey wordsSeepage failure;Water inrush from seam floor;Water inrush coefficient;Critical hydraulic gradient;Active prevention and control;isk assessment;Safety factor
12、 against seepage failure0引言刘国昌先生发表的 在矿山水文地质勘探中对矿山井巷坚固性与露天开采边坡稳定性的工程地质评价 一文(刘国昌，1958)，对我国矿山工程地质工作提出富有指导性的研究方向，文中提出的水文地质工程地质工作内容至今仍有不少是热点和难点，堪称矿山水文地质工程地质的“立典”之作(李廷栋，1991)。在地下水渗透稳定性方面，该文重点关注了地下水进入坑道后对岩体裂隙的渗透损伤、冒顶及流砂冲溃灾害、底板承压水突水、动水压力造成的岩土体潜蚀、多年冻土热动态变化诱发岩土体松散(或者液化)。在高应力的地区矿区工程地质问题(以金川矿区为例)一文中(刘国昌，1983)，先
13、生再次强调了裂隙渗水对竖井围岩稳定性的重要作用。渗透变形和破坏问题是影响矿山建设和安全生产的主要水文地质工程地质问题之一，在我国矿山工程地质发展过程中始终得到研究者和工程师的重视，反映在诸如建立矿业类院校的水文地质工程地质专业(狄乾生，1988，1998)和矿井水文地质工程地质工作中(柴登榜，1983;肖有权，1983;余霈，1986;李德安，1987;狄乾生等，1988;胡社荣，1992;于双忠等，1994)以及矿井疏排水岩溶地面塌陷(卞昭庆，2000)、矿山突水水压与结构面强度关系(许兵，2000)、地下水对边坡稳定性的影响(卢世宗，2000)、矿山安全地质(卞政修等，1988;隋旺华，2
14、021)等研究工作中。矿山地下工程中渗透变形破坏的主要表现形式有底板突水、顶板突水及溃砂、防水闸墙与围岩界面渗透破坏、断层或者水体下防水煤柱渗透变形、断层带突水、陷落柱突水、井壁渗水破坏等等(崔广心等，1991;张咸恭，1993;虎威岳，2005;隋旺华等，2007，2008，2019a，2019b;武强，2013;范立民等，2015;隋旺华，2017，2022a，2022b;董书宁等，2020;丁甲等，2021)。矿山地下工程渗透变形破坏的诱因是由于采掘活动破坏了处于动态平衡状态的地下水流场和地下应力场环境，其失稳机理及防控的科学问题体现了多场(渗流场、应力场、化学场、温度场等)、多相(固液
15、气及流固耦合)、岩体结构界面地下水作用失稳等复杂科学问题(许兵等，1976)，因此，底板突水是一个典型的水文地质与工程地质交叉结合的问题，还涉及到矿业工程、安全科学与工程、岩土力学、渗流力学等多学科，需要多学科应对。经过多年的研究和工程实践积累，在解决矿山渗透变形失稳方面，已经形成了从水文地质工程地质勘探入手，预测评价和防控的一系列方法手段。笔者选择以下专题讨论矿山采掘岩体渗透变形灾变机理及防控问题:顶板突水溃砂、底板突水、防水闸墙等。本文主要讨论底板突水问题。矿山底板突水是常见的渗透变形破坏类型，尤其是华北型煤田随着开采深度的加大，底板面临着高承压含水层的威胁，有的矿区煤层底板隔水层水压高达
16、 10 MPa 以上，灾难性的高压水突出淹井事故影响巨大。例如，近年来发生在骆驼山矿、古城矿、桃园矿的底板突水事故造成巨大经济损失甚至人员伤亡。对底板突水灾害的预测评价和治理虽然取得了长足的进展，但是还没有从根本上解决这一水患。不同学科对深部高压突水科学问题的本质认识不同，因此，有必要进一步厘清底板突水的机理，以适应向地球深部进军的国家战略需求，也可为其他深地工程的水害防控提供参考。1底板突水系数提出、演变及其内涵1.1提出人们对于底板突水机理的认识来源于生产实0581Journal of Engineering Geology工程地质学报2022践，我国的矿井水文地质工作者在防治底板突水的实践中，最早认识到水压及底板隔水层厚度之间的表 1突水系数的演变和应用Table 1Evolution and application of water inrush coefficient序号年代表达式符号释义提出、改进和应用情况文献来源11964 年K=P/MK 为系数(无量纲);P 为作用在底 板 隔 水 层 的 水 头 高 度(m);M 为隔水层的厚度(m)煤炭工业部组织焦作矿区矿井水防治水
