深竖井突水风险动态评估与施工许可机制研究

2018-06-20卜俣帆

中国矿业 2018年6期

张咪,卜俣帆,裴峰

(1.山东科技大学土木工程与建筑学院，山东青岛 266590；2.山东科技大学山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东青岛 266590;3.北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083)

随着社会对矿产资源需求的增加，浅部资源逐渐枯竭，矿产资源开采深度已逐步进入1 000～2 000 m以深水平[1]。矿井井筒是矿山“咽喉”，是进行深部采矿的关键工程[2-3]。竖井施工从上到下穿越不同地质环境，当施工遭遇含水层、断裂破碎带、导水断层等复杂地质环境时，容易造成井筒突水事故，有时甚至淹井，造成人员伤亡、设备损坏，延误工期，带来巨大的经济损失[4-6]。郭屯煤矿主井、鹤岗鸟山煤矿风井、龙固煤矿2号主井、新元煤矿风井等井筒施工穿越断层和断裂破碎带时均遭遇突水事故，带来了巨大的经济损失，突水风险评估已成为井筒施工前的基础性工作之一[7-8]。随着采矿深度的增加，将面临高应力、高水压和复杂的地质环境问题，因此进行深竖井突水风险管理与控制是指导深竖井建设的前提。

我国在工程风险管理与控制方面的研究起步晚，在借鉴相关研究成果、自主创新和结合国内具体实际情况的基础上将风险管理理论与技术成功应用于矿山、隧道等工程中，取得了良好的效果[9-11]。以往竖井施工风险评估模型主要考虑工程、水文地质因素的重要性而忽略施工过程与动态反馈信息在评价模型中的能动作用，导致评价结果误差较大。许振浩等[12-13]基于层次分析法确定了岩溶隧道突水突泥影响因素权值，提出了基于孕险环境、施工因素、动态反馈的三阶段评估与控制方法，提出综合勘察、设计与施工反馈的隧道施工许可机制。李利平等[14]采用综合赋值法确定了影响岩溶隧道突水影响因素权值，建立了完善的施工许可机制。蔡俊华[15]在相关研究成果基础上建立了综合涌水量预测、超前地质预报、开挖方法、施工组织管理和突水治理措施的施工许可机制，成功指导相关工程施工。

鉴于深竖井施工地质条件复杂性、不确定性和强扰动性的特点，造成突水事故的主要影响因素将会增加，仅停留在风险辨识方面的评估模型已经不能满足工程需要。因此，本文建立了综合工程与水文地质(孕险环境)、施工过程(致灾因子)和动态反馈信息的综合评估模型，得到了深竖井施工突水影响因素权值和基于动态评价的深竖井施工许可机制。该方法突出了施工组织的合理性和动态反馈信息在防止井筒突水事故方面的作用，具有较强的工程使用价值。

1 权值分析原理与层次结构模型

本文采用基于层次分析法和客观权重法的综合赋值方法对深竖井施工突水风险进行初次评估、二次评估和动态评估，确定相关影响因素权重。

通过数理统计方法分析国内外典型竖井突水事例得到各因素客观权重。具体途径是收集相关文献资料、询问有施工经验的工作人员、高校相应领域专家获取竖井突水历史资料，对造成突水灾害的主要影响因素进行统计分析，最终得到各因素权重。

通过层次分析法获得主观权重。首先构建深竖井突水因素权值分析层次结构模型，采用1-9标度法对影响因素两两比较获得判断矩阵Rn×n，然后利用特征根法求出向量的最大特征值λmax，进而求出矩阵特征向量ω，特征向量即为每一影响因素权重值，最后求出随机一致性比率CR对判断矩阵进行一致性检验。具体求解见式(1)～(5)。

(1)

CI=λmax-n/n-1(4)

CR=CI/RI(5)

式中，RI为同阶平均随机一致性指标，其值见表1。

表1 平均随机一致性指标

当CR<0.10时认为判断矩阵达到一致性要求；当CR≥0.10时，需要重新调整判断矩阵，直至满足一致性要求为止。

综合赋权法即综合主观赋权法和客观赋权法的优化方法，既考虑客观事实的统计信息强调了客观性又根据专家经验对特定施工现场进行适量调整强调了主观能动性，具体赋值过程由式(6)确定。

ω=a×ω客+b×ω层(6)

式中：ω客和ω层分为客观权向量和主观权向量；a和b为分配系数，a+b=1，由专家信心指数得到。

通过竖井施工突水风险的理论研究，总结造成竖井突水事故的主要影响因素，结合深竖井突水风险的特点，建立了深竖井突水风险影响因素层次结构模型，见图1。

图1 深竖井突水风险因素权值分析层次结构模型

本文采用三阶段评估模型对深竖井突水风险进行评估，包括初次评估、二次评估和动态反馈评估。

初次评估是开挖施工前在工程地质勘测的基础上针对即将施工区域水文与工程地质资料进行风险评价的基础性工作，初步掌握未开挖段地质状况，确定其风险等级。初次评估是对孕险环境潜在风险概率和损失的评估，为施工组织设计提供可靠依据。主要影响因素包括：地下水、不良地质、岩层产状、隔水层厚度、围岩级别、断裂破碎带、应力水平、导水通道。

二次评估是对施工组织设计的评价，综合考虑水文与工程地质资料(孕险环境)和施工过程(致灾因子)，根据评估结果判断施工组织设计的合理性，根据评价结果调整施工方案。主要影响因素包括水文与工程地质条件和施工过程，其中施工过程主要考虑的因素包括超前地质勘查、开挖支护、监控测量、管理水平四个方面。

动态评估是综合孕险环境、致灾因子和动态反馈信息对突水灾害进行评估的方法，即在二次评估的基础上考虑监控量测动态反馈信息的评估。主要影响因素是水文与工程地质资料、施工过程和动态反馈信息；其中动态反馈信息包括宏观征兆和微观征兆两方面，宏观征兆主要由建井过程淋水量、湿度、温度、工人经验直接反映，微观征兆可以通过埋设的传感器获得井壁应力、位移参数变化以及其他变量参数间接反映。

2 影响因素与权值分析

造成深竖井突水风险影响因素众多且机理复杂，初次评估是施工前的准备工作，目的是确定施工地段风险等级，是风险评估的基础。二次评估是对施工组织设计合理性的定量化表示，动态评估是对施工效果的检验与反馈。

二次评估组成的判断矩阵见式(7)。

(7)

求得λmax=2，ωA2nd-B=[0.75,0.25]。

动态评估组成的判断矩阵见式(8)。

(8)

求得λmax=3.0385，ωA3rd-B=[0.637,0.258,0.105]，CI=0.019，CR=0.037<0.1,满足一致性假定。

二次评估中水文与工程地质因素权值为0.75，施工因素权值为0.25，充分表明孕险环境的基础性作用。动态评估中水文与工程地质因素权重为0.637，施工因素权重0.258，动态反馈信息权重为0.105，考虑动态反馈因素时水文与工程地质权重值下降了0.113，施工因素权重基本不变，表明动态反馈信息主要影响水文与工程地质因素权重。

2.1 水文与工程地质条件

2.1.1 不良地质

深竖井开挖穿越大型断层、褶皱发育、强风化带等不良地质区域，容易造成井筒突水事故。不良地质是井筒发生突水事故的重要条件之一，按照致灾性强弱可以分为四个等级，见表2。

表2 不良地质分级表

2.1.2 地下水

施工揭露含水层时极易造成突水事故，丰富的地下水是造成深竖井施工突水风险的前提，突水水源主要包括裂隙水、松散层水、老空水、岩溶水、大气降水等。深部施工面临高水压问题，水的软化作用造成岩体强度降低，变形增大，渗透性增加，发生突水事故的概率也随之增大。水压、地下储水量、与井筒的相对位置关系是造成突水灾害的关键。

2.1.3 岩层产状

地下岩层渗透性具有明显的各向异性，岩层渗透性由地下水与层面的相对位置关系决定。当地下水沿层间裂隙发育的层面时，导水能力强；垂直层面时由于岩体渗透性明显低于层间裂隙，导水性较弱。岩层产状同时影响着地下水的补给来源、排水能力、汇聚水平、入渗条件及动力学条件。

2.1.4 隔水层厚度

隔水层厚度是阻水能力的重要组成部分，决定了地下水涌入井筒的难易程度，是影响深竖井突水风险的重要因素之一。隔水层厚度越大，地下水涌入井筒遭遇阻力越大，形成突水灾害越困难；隔水层厚度越小，地下水冲破隔水层的可能性越大，越容易形成突水灾害。隔水层厚度同时影响水的动力特性。

2.1.5 围岩级别

围岩力学性质是影响深竖井施工突水风险的重要影响因素。揭露岩体及围岩强度高、完整性好、质量高，开挖造成围岩变形小，采用简单的支护方式可以保证围岩稳定性，难以形成贯通的导水通道。反之如果围岩质量差，特别是在穿越断层破碎带、大型构造地质区域，简单支护已经不能满足围岩稳定性的要求，造成围岩大变形，甚至整体突出或失稳，施工过程容易造成突水。根据围岩完整性可以将深竖井突水灾害分为四个水平等级，见表3。

表3 围岩质量分级表

2.1.6 断裂破碎带

断裂破碎带包括地质破碎带和人工扰动带，是造成竖井突水灾害的关键影响因素。破碎带围岩质量差，裂隙面发育，开挖造成围岩变形量大、围岩整体失稳且支护困难，阻水能力变弱，导水性增强，容易造成严重的突水事故。

2.1.7 应力水平

应力水平与井筒埋深和大型地质构造相关，岩体开挖实际是应力卸荷的过程，随着开挖深度的增加临空面将面临较高地应力，较高应力作用下容易产生岩爆灾害导致大面积围岩的突出，破坏支护结构和岩体完整性。

2.1.8 导水通道

导水通道是地下水运移的主要路径，决定了地下水运移的速度和流量，是突水灾害发生的基本条件。导水通道主要包括构造断裂带、导水裂隙带、人工导水通道和其他导水通道四个方面，其中构造断裂带和导水裂隙带主要由工程地质决定，人工导水通道是施工过程中开挖造成围岩破坏、支护不及时产成的。

水文与工程地质因素进行两两比较得到判断矩阵见式(9)。

RB1-C=

求得λmax=8.052，ωB1-C层=[0.167,0.253,0.053,0.035,0.103,0.171,0.046,0.172]，CI=0.0745，CR=0.053<0.1，满足一致性条件。

根据统计资料得到深竖井施工突水客观权重为：ωB1-C客=[0.150,0.280,0.040,0.050,0.150,0.120,0.050,0.160]。取a=0.3，b=0.7，得：ωB1-C=[0.162,0.261,0.049,0.039,0.117,0.156,0.047,0.169]。水文与工程地质影响因素权重排序为ωC2>ωC8>ωC1>ωC5>ωC6>ωC3>ωC7>ωC4。

不良地质、地下水、围岩级别、断裂破碎带、导水通道所占权重为0.824，是影响突水的主要因素，根据最大隶属度原则，地下水赋存情况是影响突水的主要影响因素，所占权重值为0.261，岩层产状、隔水层厚度、应力水平所占权重值为0.176。

2.2 施工因素

施工因素是造成深竖井施工突水灾害的致险因子，施工因素可以分为超前地质勘查、开挖支护、监控量测和管理水平四个方面，包含施工前期准备、支护方式、信息反馈以及施工队伍质量。

施工过程未按照设计方案盲目开挖，未及时进行超前地质勘测、超前勘测不精确，开挖速度过快，支护不及时、支护强度不够，未及时进行有效的监控量测，对反馈数据不重视、辨识能量不够，设备老化，施工人员水平较低，组织管理不到位、缺乏相关施工经验等都是造成突水灾害的致险因子。

进行施工因素风险评价得到判断矩阵见式(10)。

(10)

求得λmax=4.0566，ωB2-C层=[0.5498,0.2143,0.1417,0.0942]，CI=0.019，CR=0.021<0.1，满足一致性要求。

客观权重值为ωB2-C客=[0.5,0.2,0.2,0.1]，取a=0.4，b=0.6，最后得到各影响因素权重值ωB2-C=[0.520,0.206,0.176,0.098]。

施工因素权重排序为ωC9>ωC10>ωC11>ωC12，超前地质勘查在施工因素中所占权重最大，达到了0.520，显示了施工过程中超前地质勘查的重要性，同时也反映了工程地质是影响突水灾害重要影响因素的这一特征，其次是开挖支护和监控测量因素，两者所占权重之和为0.382，管理水平所占权重最低为0.098。

2.3 动态反馈信息

动态反馈是指深竖井施工过程中通过对围岩变形、应力、支护结构受力以及开挖稳定性等进行的动态监控量测，是深竖井施工不可缺少的重要环节，根据动态反馈信息判断施工方案的合理性，根据评价结果对施工方案进行及时调整，为突水灾害发生提供重要的前兆信息。动态反馈信息包括宏观征兆和微观征兆两个方面。宏观征兆包括井壁内温度降低、井壁周围潮湿，大量出现水滴、阴冷等现象。微观征兆主要包括围岩应力变大、位移增加以及其他突水前兆。通过得到的实时数据分析围岩变形，提供及时的反馈可以及时采取措施防止灾害事故的发生，但微观征兆难以获取精确的数据且检测成本较高，相比宏观征兆实用性也稍差。由于施工过程中忽略了动态反馈信息的重要性，导致此方面统计资料匮乏，因此仅采用层次分析法确定各因素权重值。建立动态反馈信息判断矩阵见式(11)。

(11)

求得λmax=2，ωB2-C=[0.75,0.25]，满足一致性假定。

动态反馈信息权重排序ωC13>ωC14，动态反馈信息中宏观前兆信息权重为0.75，微观前兆信息权重为0.25。因此,施工过程中应加强宏观征兆方面的监测，必要时停止施工，提前做好相应的准备工作。

微观征兆可以分为应力、应变和其他三个方面，得到微观征兆判断矩阵，见式(12)。

(12)

求得λmax=3.0037，ωC14-D=[0.309,0.581,0.110]，CI=0.00185，CR=0.00356<0.1，满足一致性假定。

微观反馈信息各因素权重排序为ωD2>ωD1>ωD3，应力、位移所占权重之和达到了0.890，其他影响因素权重为0.110，通过分析位移、应力变化曲线、变化速率可以掌握围岩动态变化，为预防突水事故的发生提供数据支撑。

2.4 影响因素总排序

当C层作为最底层时得到各因素权重值为{0.103,0.166，0.031,0.025,0.075,0.099,0.030,0.107,0.134,0.053,0.046,0.025,0.079,0.026}，各因素权重排序为ωC2>ωC9>ωC8>ωC1>ωC6>ωC13>ωC5>ωC10>ωC11>ωC3>ωC7>ωC14>ωC12>ωC4。

不良地质、地下水、断裂破碎带、导水通道、超前地质勘查是影响深竖井突水风险的主要因素，所占权重之和为0.610；其次为围岩级别、开挖支护、监控量测、宏观征兆，所占权重之和为0.252；岩层产状，隔水层厚度、应力水平、管理水平和微观前兆，所占权重之和为0.138。

当D层作为最底层得到的权重值为{0.103,0.166，0.031,0.025,0.075,0.099,0.030,0.107,0.134,0.053,0.046,0.025,0.079,0.026}，各因素权重排序为：ωC2>ωC9>ωC8>ωC1>ωC6>ωC13>ωC5>ωC10>ωC11>ωC3>ωC7>ωC14>ωC12>ωC4>ωD2>ωD1>ωD3。

3 基于动态评估的施工许可机制

深竖井施工遇到复杂地质状况时，施工单位往往凭借自己的施工经验自行处理，带有强烈主观意愿，采取的治理措施有时太过冒进带来严重风险问题，有时太过保守延误工期增加成本，如何对施工组织设计进行有效地定量评估已成为深竖井快速安全施工的瓶颈问题。

针对深竖井施工突水风险随机性、不确定性和强致灾性特点，提出采用深竖井施工许可机制控制突水风险。施工许可机制是综合水文与工程地质、施工管理、开挖方法、支护方式和动态反馈信息的风险控制方法，实现了业主、施工单位和监理三方信息的实时共享，增强了有效沟通，实现了施工组织设计的动态修正，保证了深竖井施工的顺利开展。深竖井施工许可机制具体流程见图2。

针对不同深竖井采用施工许可机制可以实现数据实时共享和施工组织设计的动态修正，有利于合理、有效规避风险,有利于根据不同地质状况采用不同支护方案和风险防治措施，避免过于冒进或保守施工,有利于减少成本，加快施工进度。