基于结构水文地质学的采掘诱发高势能突水溃砂主动防控*

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)

0 引言

谷德振先生在《岩体工程地质力学》中将水文地质结构定义为岩性、构造和地下水的共同构成体，对水文地质结构及其应用进行了详细的阐明(谷德振， 1979， 1994)。建造过程中，地质构造控制着古地貌形态和含水层的沉积特征； 改造过程中，构造运动又控制着水文地质结构系统的演化(Avias， 1992)。“构造控水”理论是中国学者的重要贡献，例如，新构造控水理论(肖楠森， 1981)、基于地质力学的地下水网络理论(胡海涛等， 1980)、基岩蓄水构造理论(刘光亚， 1978)和地下水层控理论等。

“自然水文系统”(Dooge， 1967)和“地下水系统”(Domenico et al.，1973； Schwartz et al.，1973)是较早地从系统论观点对水文和水文地质的认识，并发展为广泛采用的地下水系统分析研究(Senhan et al.，1985)。“水文地质结构系统”包括“水文地质系统”、“水文地质结构系统”、“地下水系统”3个基本要素。水文地质结构系统和地下水系统是相互联系相互作用又不可分割的一个有机系统，在建立“水文地质系统模型”时，又将两者合二为一(张寿全等， 1992，1993)。

张寿全等(1993)将构造控水机制和地下水系统有关研究称为“构造水文地质”； Pino(2012)的论文使用了术语“构造水文地质学”(Structural hydrogeology)，研究了加拿大魁北克Kenogami高地的节理裂隙系统对岩体渗透性的影响，并基于构造地质和水文地质信息建立了水文地质模型。

矿山水文地质结构的理念已经在矿山水害防治和地下水环境治理中得到应用，并取得积极进展(刘鸿泉等， 2004； 隋旺华， 2017； 隋旺华等， 2019b)。但是，在理论和实践中仍然存在不少挑战。例如，在充水条件分析时主要考虑含水层和隔水层，对构造影响考虑不够； 在进行涌水量计算时以均质含水层理论为主，缺乏考虑水文地质结构的井流理论和方法； 在超前区域治理设计时，由于缺乏理论指导，基本上是依靠经验均匀布置工程； 在矿山水文地质条件分析中，考虑动态变化和动态辨识不够； 在矿山地下水环境治理中，没有很好地利用有利的水文地质结构，有的还倾向于成本高的末端治理，可控性差，为数不多的前端防控也缺乏理论指导等。

新世纪以来，我国矿山安全地质、工程地质、水文地质和防治水工程的大量实践表明，传统的理论在指导新的实践活动中遇到很大的挑战，亟需建立和创新符合矿山水害防控新的实践要求的水文地质理论。在谷德振先生岩体结构力学学术思想指引下，从矿山水文地质结构概念出发，建立矿山水文地质结构系统模型，研究和揭示其对采掘工程活动的动态响应，可以较好地指导矿山水文地质工作和矿山水害防治(隋旺华等， 2019b)。结合国内外水文地质工程地质、安全地质、防治水技术的发展趋势，在矿山水文地质结构概念的研究和应用基础上，进一步扩展其理论内涵和应用外延，本文提出建立结构水文地质学的设想，并以矿山采掘扰动诱发的高势能突水溃砂防控为例阐述其应用前景。

1 结构水文地质学

结构水文地质学是着重从地质构造储水控水、水文地质结构系统与地下水系统相互作用，以及人类工程活动系统与水文地质结构系统相互作用和相互制约的规律出发，提出改善水文地质条件、防治水害发生、治理水害事故的一般原理的一门应用性学科。在对水文地质结构系统、地下水系统、赋存环境和人类工程活动系统研究的基础上，建立水文地质结构系统模型，作为下一步应用的基础和桥梁。图 1给出了结构水文地质学的内容框架及其在矿山水害防控中的应用途径。

图 1 结构水文地质学内容框架及在矿山的应用Fig. 1 Framework of Structural Hydrogeology and its application in mines

把结构水文地质学的基本原理应用于矿山水害防控中，可以体现以下特色内容：矿山水文地质单元、水文地质结构与储水地质构造、地下水系统及其补给径流排泄； 水文地质结构的采动效应、基于结构的矿井水文地质勘探类型与矿井水文地质类型、矿井充水条件、矿山水文地质结构系统模型及其可视化表达； 矿井地下水化学及微生物； 基于结构的矿井涌水量预测方法，例如考虑断层影响的水平钻孔、巷道等地下水井流理论与方法； 基于结构(物质组成、结构再造、环境改变)的矿山水害防控综合技术； 基于水文地质结构采动演化的突水危险性动态评价； 基于水文地质结构重建的废弃矿井地下水污染治理与环境修复等。

2 方法论

矿山结构水文地质学可以作为矿山安全地质学(隋旺华， 2021)的一个分支，安全地质学方法论的基本前提同样适用于结构水文地质学，即：(1)在天然赋存环境下，水文地质结构系统和地下水系统赋存在一定的地质环境和能量状态中，在一定的温度、压力、化学场等多场条件下保持着动态平衡； (2)矿山采掘工程活动将打破地下水的动态平衡(例如疏或堵造成流体压力增大或减少)，表现出能量释放、流体释放或者压力变化、结构改组重构等，以达到新的平衡，在这个过程中或其后果可能酿成水害事故发生； (3)如果采用被动防控措施留设足够的防水煤岩柱，使得水压不突破天然阻隔(例如隔水层)，或者采用主动防控措施(例如注浆改造、疏降水等)抑制灾变的发生，使得水压无法突破人工阻隔(例如注浆帷幕)，或者在促成新的平衡状态下，水压释放不能造成破坏，就能做到对灾害的有效防控。以下4个简单的表达式简明地反映了矿山结构水文地质学的研究思路：

水文地质结构=地质构造+岩土体结构+含(隔)水单元+地下水； 矿山水文地质结构=水文地质结构+矿体+赋存地质环境和能量状态； 矿山水文地质结构采动效应=矿山水文地质结构+采掘工程扰动； 矿山水文地质结构系统模型=水文地质结构系统模型+地下水系统模型+采掘工程活动系统+赋存地质环境系统。

具体研究方法包括系统分析方法、成因演化分析方法、结构分析方法、观测、试验、监测和预警方法等，在安全地质学一文中有结合矿山水害防治的论述(隋旺华， 2021)，此处不再赘述。

3 采掘诱发高势能突水溃砂主动防控

高势能突水溃砂是指由于矿山采掘诱发的垮落带和裂隙带等通道沟通了上覆具有较高水压(一般200m水头以上)的松散承压含水砂层，而导致含砂量较高(一般50%以上)的水砂混合流体溃入采掘工作面，造成财产损失甚至人员伤亡的一种矿井地质灾害，具有突发性、灌顶式、流速高、破坏强、难处置等特点。我国煤矿区 90%以上的面积被新近系和(或)第四系松散含水层所覆盖，形成了松散层-基岩“二元”地质结构。近松散含水层的矿山采掘诱发的突水溃砂灾害严重威胁着生产和矿工生命安全(隋旺华等， 2008，2019a； 范立民等， 2015； 隋旺华， 2017)，是国家矿山安监局近期重点检查的事故隐患之一(国家矿山安全监督局， 2021)。近期发生的湖南耒阳突水事故(2020年11月29日， 13人遇难)、新疆呼图壁丰源煤矿突水事故(2021年4月10日， 21人遇难)、山西忻州大红才铁矿斜井突水事故(2021年6月10日， 13人遇难)、陕西榆林郝家梁煤矿30108综采工作面顶板突水溃砂事故(2021年7月5日， 5人遇难)、青海柴达尔煤矿突水溃砂(2021年8月14日， 20人遇难)，教训极为惨痛。因此，高势能突水溃砂的灾变机理和防控方法研究，具有十分重要的意义。从对已有的水文地质结构充分利用和采取主动工程措施防控的角度，可以将突水溃砂防控方法分为两种，即被动防控和主动防控。

3.1 被动防控与主动防控的含义

被动防控是指目前有关规程或者规范中推荐的水体下(包括含水层下)开采留设安全煤岩柱的基本方法，其原理是基于对水文地质工程地质条件的掌握以及采动覆岩破坏高度的预判，留设不同类型的安全煤岩柱，主要包括不同尺寸的防水、防砂或者防塌煤岩柱，保障水体下(含水层下)开采的安全。其前提是对地质环境和采掘破坏的准确判断，如果对地质条件出现误判或者与勘探相比变化较大，很可能酿成灾害，因而，一定条件下，仍然存在突水溃砂的风险。另外，煤岩柱内的煤炭资源作为防护岩体结构将被遗留而无法回收(丁甲等， 2021)。

主动防控则是在已经留设防水或者防砂煤岩柱的情况下，经过勘探或者评价，存在不可承受的突水溃砂风险，或者为了回收特定区域的煤炭资源，在开采前，采用区域疏放水改造含水层的富水性使其降为弱富水性含水层或者进行疏干，要么采取超前注浆等地质工程措施，对特定含水层富水性、隔水层的强度或者可能的导水边界、通道进行改造或者封堵，使其能够满足安全开采的条件。在经济、技术、环保和安全效益可行的前提下，主动防控措施对于提高资源回收率、保障安全生产具有重要的实际价值。

3.2 被动防控突水溃砂机理

被动防控虽然是按照有关规范和矿区经验进行，从统计学的角度，一般能够保证开采安全，但是，也曾经发生了重大事故(图 2)。主要有以下情况。

留设防砂煤岩柱溃砂，即在留设规定的安全防砂煤岩柱条件下出现溃砂事故。例如，山东横河煤矿，第四系底部松散含水层为弱富水性，单位涌水量为0.01～0.03L·(s·m)-1，厚度为21.97～38.86m。符合留设防砂煤岩柱开采条件。在安全回采多个工作面之后， 2002年10月31日，在1931W采煤工作面推进8m后上隅角溃砂，约1时许，溃砂将通往-258m水平的通道堵住，估算溃砂量为3800m3，两名矿工被困，后经努力营救脱险。该工作面长40～90m，斜长310m，开采山西组3煤层，采高2.0m，倾斜长壁俯斜开采，炮采工艺，全垮落法管理顶板。后经打钻证实，该处最小煤岩柱14.4m，小于最小煤岩柱15.2m的要求，且第四系底部黏土层在该处缺失。对于马家楼之二断层和发育的小分支断层，未能按照要求留设断层煤柱，造成覆岩垮落沟通了第四系松散砂层，产生溃砂事故(高兴栋， 2016； 张文泉等， 2017)。另外，在留设防砂煤岩柱的条件下，导水裂隙带将沟通上覆松散含水层，如若形成的水力坡度超过砂层抗渗临界水力坡度，便会形成渗透破坏溃砂(隋旺华等， 2007， 2008)。

留设防水煤岩柱突水，即在留设规定的安全防水煤岩柱条件下出现突水事故。例如，淮北矿区祁东煤矿首采3222 工作面，采用倾斜长壁综采，全垮落法管理顶板，开采32煤层，工作面长度为150m，煤层倾角约13°，煤层平均厚度约2.5m。原设计防水煤柱垂高60m，符合有关规程要求。底部含水层(称为“四含”)厚度42m，富水性中等，水压3.6MPa，具有形成高势能突水溃砂的条件和风险。在首采面最小防水煤岩柱尺寸63m回采时， 2001年12月24日推进至开切眼42m时，顶板周期来压，松散含水层发生突水，“四含”水位下降超过40m，涌水量增至1520m3·h-1，造成淹井。附近工作面3221在最小防水煤柱尺寸88m情况下回采时，也出现了第四系松散含水层水涌入井下。说明在这种情况下留设的防水煤岩柱没有起到防水的作用，采动诱发的导水裂隙带之上存在着原生的导水通道，例如，风化带裂隙网络或者构造断裂带(杨本水等， 2004)。抢险救灾的注浆孔观测到的导水裂隙带高度最高达到65m，超过了留设的安全防水煤岩柱高度。采前钻孔冲洗液消耗量和钻孔电视观察证实了覆岩岩体中原生高角度裂隙发育(檀双英等， 2006)。采取留设防水煤岩柱这种被动防护措施在含水层下开采时，经常遇到这种风险，为了增加安全性，不得不加大保护层的厚度以增加防水煤岩柱的尺寸(赵开全等， 2004)。在与祁东矿邻近的祁南煤矿，由于“四含”底部隔水层的存在，实测的导水裂隙带高度仅为祁东矿的一半左右，这也说明了底部隔水层存在与否造成的水文地质结构变化对覆岩破坏和渗透性变化具有重要影响。

覆岩崩解泥化突水溃砂，即上覆软弱泥质胶结的砂岩、泥岩等易崩解泥化岩层，在采动和高水压联合作用下崩解泥化并发生突水溃砂。例如，鄂尔多斯盆地西缘某矿开采侏罗系延安组8煤某工作面推采诱发的顶板突水溃砂和压架事故，瞬时水砂量最大达1500m3·h-1，淤积巷道约1km，溃砂量大于20000m3(周振方等， 2018)。

被动防控发生的大量突水溃砂事故充分说明了被动防控实施之前，对水文地质工程地质条件的正确认识和对采掘扰动覆岩破坏的准确预测非常关键。

图 2 被动防控方法形成突水溃砂事故示意图Fig. 2 Schematic diagram of the formation of water-sand mixture inrush accident from passive prevention and control methodsa. 断层导通含水层； b. 保护层内存在通道； c. 导水裂隙带内渗透破坏； d. 软弱覆岩崩解泥化

3.3 主动防控方法

如果工作面形成后发现条件与勘探阶段有较大变化，仍旧采用被动防控不能保障回采安全时，就应该采取主动防控措施进行改造，保障回采安全。

依据结构水文地质学方法论提出的4个表达式，考虑到治理对象和目的可以将主动防控方法分为：地质材料性质改造、结构隔水性能重构、赋存水动力环境改造和减轻采掘诱发覆岩破坏等几类(图3)。

3.3.1 地质材料性质改造

随着开采上限接近松散含水层，覆岩主要由煤系风化带破碎岩体组成，分带性质虽然有所差异，但是整体性差，易于垮落甚或抽冒； 风化带之上的松散含水层，几乎没有抗垮落能力，如果下部岩体垮落，就会跟随发生抽冒； 有时抽冒甚至发展到地面，例如，郝家梁煤矿30108综采工作面抽冒使得地面植被和积水溃入到井下。如果初始水头高于防溃砂安全水头高度，即使不发生抽冒，由于开采造成的水动力场变化产生的水力坡度大于砂层的临界水力坡度，也会发生渗透破坏，在高的承压水头下，形成高势能突水溃砂(隋旺华， 2008； 隋旺华等， 2019a)。

地质材料性质改造的原理，就是通过注浆，将胶结材料(水泥+粉煤灰或者水泥+黏土等)通过高压注入到基岩风化带或者上覆松散砂层中，增加风化带岩体的整体性，增大风化带和松散砂层的抗渗水力坡度，起到从整体上防治突水溃砂的作用。避免发生类似上述横河煤矿1931W工作面溃砂事故。例如，某矿一工作面，煤层采高4.2m，煤层倾角3°～15°。基岩风化带厚度5～20m，上覆松散层含水层“四含”是直接充水含水层，厚度20.1～26.0m，单位涌水量0.019L·(s·m)-1，属于富水性弱的含水层。根据预计所留煤岩柱高度已经小于防砂安全煤岩柱高度，决定对“四含”20m范围和风化带进行注浆改造，共施工地面钻孔42个，注浆后抽水试验表明“四含”的单位涌水量降至0.0000075L·(s·m)-1，压水试验吸水率由注浆前的21.43～22.68Lu降至注浆后的0.27～1.06Lu。

覆岩和松散砂层的注浆改造，为把开采上限从留设防砂安全煤岩柱提高到留设防塌安全煤岩柱开采创造了条件。

3.3.2 结构隔水性能重构

在安全防水煤岩柱尺寸满足有关规范要求条件下，如果上覆岩体内存在着原生的导水通道，就会造成开采形成的导水裂隙带与上覆松散含水层的贯通，形成高势能突水溃砂。

结构隔水性能重构的原理，就是通过注浆，封堵上覆岩层中的原生导水通道，或者对采掘扰动形成的导水裂隙带连通部位预先注浆补强，使得上覆岩体中的隔水性能得到重构，同时，还要尽量减小开采扰动对保护层的抗渗透性能的减损，避免类似上述祁东矿首采面开采突水事故的发生。例如，某矿一工作面，拟开采二叠系下石盒子组5煤，采高5.8m，煤层倾角0°～15°。上覆新生界“四含”厚度63.1～100.5m，平均81.7m，其上隔水层“三隔”厚度136.7～151.3m，对“四含”起到了很好的阻隔。“四含”单位涌水量0.095～0.64L·(s·m)-1，富水性中等，水位标高+0.5～2m，与拟开采煤层间形成7～8MPa的水头差，极易造成高势能突水溃砂。基岩含水层中井下探测孔单孔涌水量较大且含砂，和“四含”之间存在明显水力联系，对安全开采威胁很大。因此，回采前拟采用超前区域探查和注浆治理措施，封堵基岩和“四含”之间的垂直通道，注浆改造的位置选择在11煤底板附近岩层，同时从侧向封堵9煤顶底板砂岩的补给。目前工程正在进行中。

通过注浆封堵，重构采动影响导水裂隙带以上覆岩的隔水性能，可以有效封堵导水溃砂通道，避免高势能突水溃砂事故。

3.3.3 赋存水动力环境改造

对于渗透破坏型突水溃砂，一个重要的原因就是导水裂隙带沟通上覆松散含水层瞬间，开口处水头压力陡降至0，水力坡度激增，导致突水溃砂。水力坡度的大小和初始水头大小密切相关，我们把不至于发生突水溃砂的初始水头称为防溃砂安全水头(隋旺华， 2008)。

赋存水动力环境改造的原理，就是在开采前降低松散含水层的初始水头，从而降低覆岩破坏带沟通后的实际水力坡度，使其不超过砂层溃砂的临界水力坡度，避免突水溃砂事故的发生。例如，山东太平煤矿8309工作面，开采二叠系山西组3煤，采高2.2m，第四系“底含”厚度27.6～45.98m，富水性中等。通过临界水力坡度评价方法，预测“底含”的防溃砂安全水头应该降低到32m以下。在开采前和开采过程中，对第四系“底含”通过地面和井下钻孔联合疏放水，在疏降开采范围内，将“底含”水位降低到距离基岩面4～26m，实现了该工作面安全回采。

近年来，在安徽淮北矿区等地，大型帷幕注浆工程被用于封堵松散含水层的水源补给，再对帷幕内的含水层水位进行疏降或者疏干，使得地下水动力环境大大改善，为安全开采创造了条件。另外，铺设双抗网可以大大增加风化带和垮落带破碎岩体的抗渗透变形能力，对于防止溃砂有很好的效果(Sui et al.，2009)。

3.3.4 减轻采掘诱发覆岩破坏

采掘造成的覆岩破坏是引起突水溃砂的根本诱因，因此，采取适当的开采措施，减轻采掘诱发的覆岩破坏程度，减少垮落带和导水裂隙带的影响范围，也是重要的突水溃砂主动防控措施。例如，采用充填开采方法可以减轻或消除垮落带，并且大幅度地降低导水裂隙带高度； 充填开采还可以减轻对耕地和地面建构筑物的损坏，又有较好的环境效益。限制采高可以减轻对覆岩的破坏，以保留合理尺寸的保护层，防止突水溃砂。分层开采、预采顶分层后网下开采等，都是经过实践证明行之有效的减轻覆岩破坏的措施。

4 讨 论

矿山突水溃砂防控研究涉及到水文地质学、工程地质学、构造地质学、采矿科学、安全科学等学科的交叉领域。Bense et al. (2013)提出断层带水文地质学，指出需要培养构造地质学和水文地质学跨学科科学家联合研究解决断层带水文地质问题。张咸恭(1993)在工程地质学报创刊号提出建立“工程水文地质学”，专门解决工程建设和环境地质中地下水作用引起的各类工程地质问题和水文地质问题，并将矿坑突水和竖井破坏列于其中。深部开采突水防控问题的难度和复杂程度，需要多学科共同应对这一挑战(Sui et al.， 2014)。本文提出的结构水文地质学，可以结合水文地质、工程地质、构造地质等学科的研究，为高势能突水溃砂防控提供了一种新的思路。但是，研究刚刚起步，许多问题还在探索之中。例如，改造前后水文地质结构的采掘动态演化； 赋存环境在改造前后的变化及采掘影响； 注浆改造前后松散含水砂层的富水性探测和评价方法及标准； 风化带破碎岩体注浆后的韧性评价指标及评价方法； 开采对注浆改造后的覆岩(土)层扰动破坏、矿压显现规律及裂隙带、垮落带发育变化特点； 改造前后突水溃砂危险源和风险的动态评价等，都是新的挑战。

5 结 论

本文在谷德振先生“水文地质结构”学术思想指引下，在“矿山水文地质结构”研究基础上，结合“水文地质结构系统”学术理念，提出了建立结构水文地质学的设想，并将其应用于高势能突水溃砂灾害的防控研究。主要结论有：

(1)结构水文地质学的基础理论包括水文地质结构系统、地下水系统、赋存环境系统和人类工程活动系统研究等； 水文地质结构系统模型可以作为学科走向应用的桥梁，据此提出了矿山结构水文地质学应用的路径。

(2)从方法论的角度提出了采用主动地质工程措施，改变水文地质结构的物质组成(改造含水层)、结构特性(通道封堵)、能量状态(水压疏降)，就可以达到主动防控水害的目的。

(3)松散含水层下开采的被动防控措施，在留设煤岩柱尺寸较小或者遇到不利水文地质结构条件下，可能诱发高势能突水溃砂灾害，主要包括松散含水层下，断层导通松散含水层、基岩保护层内存在导水通道、导水裂隙带内渗透破坏和软弱覆岩崩解泥化等几种成因机制。

(4)高势能突水溃砂的主动防控的地质工程措施主要包括：地质材料性质改造、结构隔水性能重构、赋存水动力环境改造和减轻采掘诱发覆岩破坏等。

致谢及后记中国矿业大学沈文教授、狄乾生教授等在20世纪80年代初创办我国矿业类高校第一个水文地质工程地质专业前，曾经向谷德振先生请教开办新专业的有关问题，谷先生指出，煤矿有自己的特殊工程地质问题，不能直接从其他工程(例如水利工程)照搬，应该从煤矿建设和生产实际出发，吸收其他行业工程地质工作的理论和经验，实实在在地做出煤矿工程地质自己的东西。狄乾生教授创立了煤矿工程地质学学科，并带领中国矿业大学开辟了新的研究领域，培养了一批煤矿水文地质工程地质专业人才，在国家矿山安全地质领域发挥着重要的作用。感谢皖北煤电集团、中煤新集能源股份有限公司等单位提供有关资料。感谢中国矿业大学研究生陈嘉兴、梁晋熙和孟祥东提供的编辑帮助。