矿山突水灾害影响因素分析及防治措施研究

王建军，周英烈，饶斌，马强，陈顺满

(1.中铁隧道局集团有限公司 北京分公司， 北京 100020；2.石家庄铁道大学 土木工程学院， 河北 石家庄 050043)

矿井突水灾害是指矿山在生产过程中，由于巷道开挖、含水层、采动影响及钻探等导致地下水突然大量涌出，引起矿井全部或局部被淹没的矿井涌水事故，严重影响矿井的安全生产，易产生经济损失和安全损失[1]。

随着社会的快速发展，人们对矿产资源的需求急剧增加，越来越多的矿山由露天开采逐渐转化为地下开采，浅部开采矿山逐渐向深部开采过渡[2]。在深部开采中，通常会面临“高地温、高地压和高水压”等问题，由于地下水的存在，特别是存在含水层的矿山，易导致采场突水和底板突水等事故，对井下人员和设备构成巨大的威胁[3]；另外，由于井下突水事故的发生，还容易对矿山的生态环境产生一定的影响。因此，亟需对矿山突水主要影响因素进行分析，并制定有针对性的矿井突水防治措施，以保证矿山的安全生产[4]。

1 矿井突水影响因素

为了提高矿山的安全性，防止井下发生突水灾害事故，需对矿井突水灾害事故的影响因素进行分析，本研究在总结国内外各突水矿山的地质构造、水文特征以及开采状况等情况的基础上，分析这些矿山的突水原因及其存在的安全隐患，综合研究分析认为矿山突水原因主要有以下5个方面[5-11]。

1.1 矿井突水水源

矿井突水事故发生的根源是由于地下水的存在，在外界环境的刺激下，导致地下水渗透到井下采空区或巷道等，从而导致矿山发生井下突水事故[1,6,10,12]，因此，首先需掌握矿井发生突水事故的根源，即明确矿井突水的水源分布。结合国内外各突水矿山的典型事故，可将影响矿井突水事故发生的水源特征归纳为以下几类：大气降水、孔隙水、地表水、裂隙水和地下含水层等，下面主要对大气降水、地表及采空区积水、地下含水层的特征进行研究。

1.1.1 大气降水

大气降水主要是由于降雨而产生的水[13]，其水量的大小与地区、降雨量等因素有关，特别是有些地方降雨量较大，比如中国南方地区降雨次数多、降雨量较大，而在中国北方则降雨次数相对较少，且大气降水是造成井下发生突水事故的重要水源之一。在井下开采中，由于地质构造等不同的影响，岩石或土体均含有一定的孔隙和裂隙等，在大气降水的作用下，地表水会沿着岩体中的孔隙或裂隙逐渐渗透至井下，当涌水量达到一定程度时，可能会引起矿井发生突水灾害事故。

1.1.2 地表及采空区积水

造成矿井发生突水事故的另一个较为重要的水源为地表及采空区积水。对于有些矿山而言，在地表分布有零星的池塘和河流等，且在井下残留有采空区等，这些区域均是储存地下水的主要通道[9,14]。一方面，由于岩体为天然的裂隙或孔隙岩体，地表水易通过岩体中的裂隙或孔隙渗透到井下；另一方面，随着开采的进行，会产生爆破震动等动荷载作用，导致岩体中的裂隙逐渐增加，或者由于地质构造的存在，使得地表水通过断层等构造与井下采场进行贯通；最后，在老的采空区中也可能存在一定的积水，这些因素均会导致矿井发生突水灾害事故。因此，矿山在开采过程中要高度重视井下水灾的防治，无论是掘进巷道还是开挖采场，均需提前做好补充勘探和探水工作，掌握矿区的水文地质条件，完善井下采空区和积水区等相关资料，为井下防治水害提供坚实的基础。

1.1.3 地下含水层

地下含水层是矿井发生突水事故最为重要的水源之一[10]，特别是存在较大含水层的矿山。含水层含水量的大小与含水层的厚度、含水层距离采场的距离等因素有关，由于井下采场的开采，含水层附近的岩石层在动荷载扰动作用下易产生裂隙，从而给地下含水层提供渗流通道，一旦含水层中的水源渗流到采场，易导致淹井事故的发生。在地下开采中，首先，需探明含水层的厚度及含水层距离矿体的厚度；然后，结合矿山开采技术条件和水文地质条件，确定合理的采矿方法等，特别是有些采空区的顶层和底板没有隔水层时，一旦发生矿井涌水事故，其产生的后果会极其严重，因此，在矿山开采过程中需打探水孔提前探水，做好井下水预防工作。

1.2 矿井充水通道

矿井突水水源是导致矿井发生突水事故的首要条件，而水源到达采场必须具备相应的渗水通道[1,6,15]，国内外典型矿山的突水事故表明，裂隙、断层、顶板冒落带、钻孔、井筒、采空区、岩溶和孔隙等均是矿井发生突水事故的重要通道，其中导水裂隙带和垮落带为最主要的通道，一般会对矿井突水灾害产生较为严重的影响。

1.3 矿井的地质因素

一般情况下，开采矿区的地质条件相对比较复杂，除了由于本身的开采规模和施工方式等会对突水产生比较重大的影响以外，一个很重要的影响因素就是与矿体本身所赋存的岩性有关[16]。从地下工程突水的发生条件来看，施工干扰是诱发突水的关键因素，水文地质条件才是突水的主要影响因素，而水文地质条件主要是受采矿区域的地形地貌条件、地层岩性、地质构造和岩溶水动力分带条件等因素所影响，因此在矿山开采之前，需做大量的地质勘探工作，掌握矿区的地质情况，以指导矿山进行安全生产。

1.4 工程因素

除了矿井突水水源、充水通道和地质因素外，影响矿井突水灾害事故的另一个重要因素为工程因素[17]，工程因素主要包括地下水压力、隔水层厚度、地质构造、采动矿压、爆破震动和开挖扰动等因素，在存在矿井突水水源的基础上，由于地质因素和充水通道的影响，受工程因素的作用，会诱发充水通道进一步发展，在多因素综合作用下导致矿井突水事故。工程实践表明，采矿工艺、施工方法和管理等均会导致井下突水灾害事故的发生，且大多数突水事故均是发生在施工爆破开挖后，因此，井下爆破扰动是影响矿井发生突水灾害事故工程因素中最为重要的因素之一。

1.5 人为因素

造成矿井突水事故的影响因素较多，在明确了造成矿井突水事故的水源及充水通道的基础上，除了一些本身的工程地质条件和工程因素会直接造成矿井的突水事故外，人为因素也是造成矿井发生突水事故的主要影响因素之一[18]，这主要是由于有些现场作业人员缺乏安全意识，或者未按照标准和规范进行现场施工。

一般情况下，矿井发生突水事故都会有一定的征兆，比如矿岩壁出现渗水和挂汗现象等。首先，由于矿山未按照要求对现场工作人员进行安全教育培训，造成现场工作人员安全意识淡薄，对矿井突水灾害事故出现的前兆了解不够，当矿井突水灾害事故征兆出现时，现场工作人员可能未及时发现，或未及时将现场情况上报给领导并采取相应的措施，从而导致矿井突水灾害事故的发生。其次，现场工作人员对现场工程地质条件掌握程度不够，盲目进行开采和掘进，未及时进行超前探水，也可能造成矿井突水灾害事故。最后，在矿山进行防治水工作过程中，由于人为因素影响，可能会出现擅自更改设计或偷工减料等情况，造成现场防治水措施不到位，进而引起矿井突水灾害事故。

2 矿井突水防治措施

为了保证矿山的安全生产，提高矿山的安全效益和经济效益，减少矿井工作人员和设备的安全隐患，在矿山开采前期，必须对矿山水文地质资料进行详细勘察，制定合理的矿井突水防治措施，并严格按照这些要求执行，最大限度地降低矿山发生突水事故的可能性。结合国内外矿山进行井下防治水的成功案例，矿井防治水必须坚持的原则为：预防为主，防治结合。矿井防治水的措施主要包括如下几个方面：加强矿区监测[19]、井下防水[20]、充填开采[21]、建立矿山突水信息化系统[22]和完善救灾体系[23]等。

2.1 加强矿区监测

在矿体开采前，首先，需要对矿区附近的水文地质条件进行详细勘察，预测该矿区容易发生突水的部位，结合矿山水文分布、地质构造及观测孔的数据，预测不同区域发生突水事故的级别[8-10]；其次，在矿山开采过程中，应布置一系列的涌水量、渗透系数等监测点，定期对相关的监测数据进行分析，为矿山进行突水事故预防提供基础数据，指导矿山进行突水事故预防。

2.1.1 开采前的突水监测

在矿山开采前，首先，需打地质钻孔，借助相关的仪器设备，对矿区周围的水文地质条件进行勘测，结合矿区水文地质条件和构造地质条件，在典型部位开展放水试验等，并布置观测孔，明确不同区域富水程度分布情况，划分出矿区突水灾害事故可能发生的危险区；其次，采用放射性探测或物理探测的方法对整个矿区可能发生突水事故的位置进行探测，并布置相关监测点，预测矿区突水事故发生的可能性。

2.1.2 开采过程突水监测

在矿山开采过程中，应在可能发生突水事故的部位布置涌水量监测点，并采用放射性探测或物理探测的方法对突水易发地段进行监测，实时了解矿山开采过程中可能发生突水事故的可能性。

2.2 井下防水

由于水文条件和岩石地质条件的影响，在矿体开采过程中，岩体应力场会发生重新分布，特别是在爆破震动和地下水等多因素综合作用下，岩体的裂隙会逐渐扩展，使岩体内部产生更多的裂纹，导致岩体的强度降低；其次，由于爆破震动等因素产生的岩体裂隙，为地下水的渗流提供了优势通道，使得地下水沿着薄弱地段向井下采空区渗入，因此，需要在井下设置一系列涌水量观测点等，并采取系列措施减少地下水的威胁。根据矿井突水水源的分布，可将井下防水分为地表水的防治和地下水的防治。

2.2.1 地表水防治

地表水主要来源于大气降雨以及地表河流、湖海中的水，是井下突水的主要来源之一，因此，为了防治矿井突水事故，首先需要控制地表水，主要防治措施是在地表构筑相关的防水工程，防止地表降水直接渗入到井下：

（1）确定合理的井筒位置及地表主要建筑物、建筑设施的位置。首先，需掌握矿区历年来最高洪水位情况，依据相关设计标准，合理设计井筒和地表主要设施的标高，保证在任何情况下矿井井口不被洪水淹没；其次，当矿区最高洪水位高于井筒及工业构筑物的标高时，必须修筑相应的防水设施。

（2）在地表修建排水沟等防洪设施。在矿区附近或者可能发生突水区段的上游，应当设置防洪排水沟，防止地表水流入到矿井区域内；其次，部分矿山设置排水沟相对困难时，可以设置截水沟截断水源。

（3）修建人工河床。很多矿区地表存在大的河流，而河流底部可能存在直接贯通到井下的渗流通道，因此，应尽可能将河流进行改道，如果无法改道，可对河床底部进行人工处理，铺设人工河床，防止河流水直接渗入到井下。

2.2.2 地下水防治

在矿体开采过程中会破坏天然的岩石层，使天然的岩体强度大大降低，含水层的水将会侵入井下，因此，在矿体开采过程中，需要采取一系列的措施减小水害发生的可能性，综合分析认为主要的地下水防治措施有以下几点。

（1）超前探测。超前探测就是在矿山进行开采前，采用物理探测或者放射性探测等手段对采场的顶板和底板进行探测，并对开挖巷道的周围进行探测，以探明水源分布状况，掌握矿区水文和地质构造情况，防止地下水和地质构造等可能造成的矿井突水事故。

（2）带压开采。一般情况下矿体底板和含水层之间会存在一个隔水层，在矿体开采过程中，无法对含水层的水直接进行疏干，为了保证矿山的安全，首先应探明隔水层的厚度，采取合理的采矿方法，实现带压开采。

（3）井下截堵水。对于地下水较大的矿体，可在井下留设防水矿柱，或者修建防水闸门、防水闸墙等设施，阻断水源，使地下水不威胁整个矿区。

（4）注浆堵水。采用水泥浆或化学注浆的方式改善岩体结构，充填和胶结裂隙岩体，使岩体更加致密，提高围岩的强度和致密性，从而增加围岩的阻水能力，实现堵水的目的。

（5）疏水降压。探明地下水的补给、径流和排泄条件，结合矿山水文情况和地质条件，根据选用的采矿方法，可采取优化采场回采顺序或打卸压孔等方式进行疏水降压开采，减小底板承压水对矿井安全的威胁。

2.3 充填开采

为了限制矿井充水的通道，可将充填采矿方法应用于矿山开采中[21]。研究表明，充填采矿方法不仅可处置地表尾砂，还可对井下采空区进行充填，显著降低采场围岩破坏程度，改善井下采场作业安全条件，因此，充填采矿方法可有效防治突水灾害事故。

2.4 建立矿山突水信息化系统

随着现代信息技术的发展，计算机现代化水平和电子信息技术均得到了快速发展，其应用越来越广泛，因此，在矿山开采过程中，可在现场采取监测化信息系统对矿井地下水进行监测，前期需对矿山水文地质条件进行详细勘探，并掌握采矿技术、安全技术、地理信息技术、专家系统理论、数据库和计算机等相关技术和知识，从而提高矿井防治水的信息化水平[22]。

2.5 完善救灾体系

为了提高矿山的突水灾害事故防范能力，不仅需要对矿山突水的影响因素进行详细勘探，还需要加强矿山监测，建立矿山突水信息化系统，尽可能地减少矿井突水灾害事故的发生。但一旦发生灾害突水事故，需立即启动应急救援预案，因此，在矿山建设过程中，需考虑发生矿井突水灾害事故的可能性，配置符合要求的排水设备，预防突水事故。

如何在发生矿井突水灾害事故时快速启动应急救援设备，调动矿井突水灾害事故救灾资源，尽可能减少突水灾害事故的损失，是我国矿山企业面临的重要问题之一。在这种形势下，矿井突水救灾体系可市场化，应在全国范围内增设区域救灾中心，协调好各区域应急救灾资源，以加快救灾进度。

3 结语

我国很多矿山已逐渐进入到深部开采阶段，许多矿井经常会出现突水现象，严格制定防治水措施对保护人民的生命财产安全有重要意义。本文在总结国内外矿山突水事故的基础上，分析了矿井突水的影响因素，并从矿区突水预测、井下防水、充填开采工艺、建立矿山突水信息化系统和完善突水救灾体系等方面提出了有效防治矿山突水的措施。为了提高我国矿井突水灾害事故应急救援能力，国家应加强对矿井突水灾害事故防治的管理力度，并将该制度落实到各矿山企业。从业人员要强化安全意识，加强对现场水文地质条件的勘测，全力做好矿井突水灾害防治工作，提高矿山企业的安全水平。