如何实现矿山突水的预测与防治？

编者按：“钢铁工业协同创新关键共性技术丛书”由东北大学钢铁共性技术协同创新中心主任王国栋院士担任主编，业内多位院士担任顾问，联合钢铁行业各领域的权威专家、学者共同撰写，凝炼出涵盖整个钢铁制造全流程（选矿-冶炼-热轧-冷轧-产品-服务）的关键共性技术，包含国际原创性工艺思想和生产装备技术，可供钢铁企业及广大科技工作者了解新技术、应用新技术，帮助企业开阔视野、正确决策，促进钢铁行业高质量绿色发展。

矿山采动岩体

非线性渗流试验、模型与工程应用

1 技术背景

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当前，高强度、大深部的开采方式已成为矿产资源开发的大趋势。深部开采的水害问题日益严重且机理更加复杂，国际公认我国矿井水文地质条件最复杂。

现有试验条件制约矿山采动岩体突水中地下水渗流、颗粒迁移、介质结构演化相互作用机理的深入研究。现有模型没有全面考虑突水三要素（含水层水源的达西流、突水通道的非达西流和开采扰动作用），难以对矿山采动岩体突水发生、发展全过程的非线性渗流进行数值再现。因此，针对矿山采动岩体渗流突水三要素特征，自主研发一维水沙高速渗流试验系统、平面水力输沙试验系统及试验设备的关键技术——水沙分相测量装置，开展破碎岩石非达西渗流试验，建立耦合Darcy方程、Forchheimer方程、Navier-Stokes方程和应力与非Darcy渗流参数关系方程的数值模型，是揭示采动条件下破碎岩体非达西渗流演化规律的关键。

采动裂隙的动态表征对于标定突水通道、揭示成灾机理及灾变防控至关重要。当前研究，主要以裂隙和构造的“静态”探测为主，缺乏对突水通道演化的“动态”评估，灾变演化过程不明。微震监测虽已写入《煤矿防治水细则》，但其研究导水通道形成机理，缺乏完善的理论体系和方法，灾变演化机理不清。利用突水响应表观数据进行预警，阈值不充分，缺乏对导水通道及其渗透性演化这一关键参量的有效表征，预警阈值不充分。因此，发展以裂隙通道实测识别为核心、以非线性渗流力学机理解译为本质的突水灾害综合预测预警方法，实现跟踪渗流导水通道的形成过程，探明形成机制，是突水灾害的预测与防治的关键。

2 技术优势

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2.1矿山非线性渗流突水模式及类型

基于全国煤矿水害现状、突水案例，建立相应的煤矿水害模型，提出了适合不同水害模式下的“探-疏-排-降-堵”协同防治方法，构建了全国与典型地区老空水害数据案例库及3D GIS信息化平台，基于WebGIS、超图（SuperMap）软件和网页代码（HTML、CSS、JavaScript）为矿山企业的安全生产提供坚实的基础，研究成果达到国际先进水平。

2.2非线性渗流试验装置、方法及失稳判据

提出一种能够在实验室内进行高速水流裹挟大量细颗粒材料的液、固混合流体通过多孔介质（不动的多孔固体骨架）流动的试验方法。按照该方法研制的试验装置能以较高精度控制试验条件，实时测量渗流过程中的各种流动参数，还能在该装置上模拟突水溃沙，对破碎岩体（断层、陷落柱、导水裂隙带）突水、管涌、变质量流和泥沙起动等类似研究具有一定的借鉴参考意义，能够揭示渗流灾变机理，提出失稳判据（图1）。

2.3非线性渗流数值模拟技术

模型全面考虑了突水三要素特征，实现了矿山采动岩体突水发生、发展动态全过程的高效模拟再现，充分反映了突水过程中地下水渗流、颗粒运移、骨架介质演化的相互作用，适用于采动作用诱发的地下矿井含水层、老空水等突水灾害分析、突水安全评价和涌水量预测等，解决了矿山采动岩体突水发生、发展瞬态流动全过程精细化、定量化和可视化分析难题（图2）。

2.4基于微震数据反演的突水导水通道识别及预测预警技术

导水通道贯通是突水预测预报的充分必要条件，其他水量、水压指标参数不是突水预报的充分条件。以西曲矿为实践基地，全方位联动观测覆岩破断-裂隙发育-地表裂缝分布的全过程。提出了以微震监测为主、多手段协同监测岩层渗透性和导水通道形成的动态测试技术。借助矩张量理论和图论法，提出一套突水通道贯通过程动态判别方法，实现动态构建裂隙通道及动态评估主渗流通道的目的，解决了采动岩体失稳灾害孕育过程中的裂隙贯通动态识别和前兆指标及智能预警两个核心问题，为突水灾害的预测预警提供重要科学依据（图3）。

3 关键技术理论研究进展

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（1）通过最新煤矿水害事故统计分析，构建了全国煤矿水害案例库和典型地区老空水害案例库，以导水通道形成机理和突水水源空间展布为依据，提出了各类矿山水害的非线性渗流突水模式及类型，揭示了突水机理。

（2）水与沙的彻底分离是对水沙两相混合运动速度分相测量的前提。现有的各种固、液分离技术和装置都无法做到固、液彻底分离。大多数固液分离技术的目的是尽量去除固体颗粒材料中的水得到高浓度的固体物料。本书所提装置也没有提出从固相（沙颗粒）中彻底脱去液体（水）的方法。但是，提出了一种从被置换的水中彻底去除沙的方法，而另一部分水和沙为混合状态。用体积置换的方法精确测量溢出流体的流量，同时在保持水、沙混合流体总体积不变的情况下，精确测量水沙混合物质量的变化，以此实现水沙分相流速的精确测量。

（3）针对矿山突水问题，围绕矿山岩体破坏突水过程中，流体的非达西流和流场动力学统一性特征，基于流体质量守恒和压力平衡原理，以Darcy方程描述含水层渗流场，Forchheimer方程描述惯性力占主导的破碎岩体非达西高速流，Navier-Stokes不可压缩自由流动方程描述巷道内紊流，建立集含水层、矿山岩体破碎带、巷道三种流场介质、流动形态为一体的非达西流模型，将远离突水位置的远场含水层已知流量和巷道大气压力作为整个流场的外部边界条件，同时保证含水层和破碎岩体、破碎岩体与巷道连接区域交界面上流体压力和流速连续一致的内部时变边界条件，避开单独采用Forchheimer方程时流体入口和出口边界条件随时间变化无法确定的难题。基于有限元弱形式和有限体积法耦合积分方程，提出有限元和有限体积法相结合的非达西流模型数值计算方法，应用FELAC有限元软件编译FORTRAN源程序，模拟突水瞬态流动全过程，为预测和防治突水灾害提供理论依据和计算方法。

（4）通过电磁法、红外探测法、综合物探和超前钻探法等综合方法探测突水点，主要是以裂隙和构造的“静态”探测为主，缺乏对突水通道形成过程的动态监测。而利用微震监测技术，宏观总结导水通道分布及形成过程，又缺乏微震数据与裂隙演化的表征技术，监测分析与力学机理脱节。提出了以微震监测为主、多手段协同监测岩层渗透性和导水通道的动态测试技术，实现了采动围岩导水通道形成及突水危险性实时评价。

利用突水系数法（半经验和半理论）、突水三图-双预测法（综合法）、脆弱性指数法（综合法）、模糊综合评判法（数学分析法）和水量水压监测法（实测时序分析法）进行预警，阈值不充分，缺乏对导水通道及其渗透性演化这一关键参量的有效表征。因此，基于损伤力学和地震学矩张量理论，建立了微震监测及应力场分析相结合的突水灾害预测预警方法，为力学模型修正敏感的系统参数和标定模型，据此探究的突水机理更有利于揭示突水破坏力学本质。

4 问题与展望

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1）一维水沙高速渗流试验系统、平面水力输沙试验系统以及水沙分相测量装置能以较高精度控制试验条件，实时测量渗流过程中的各种流动参数，达到了预期效果。但仍可对设备进行升级改造使其功能更强大，如加装显微摄像设备，并结合数字图像识别处理技术以及颗粒运动轨迹追踪技术，实现突水溃沙、管涌等工程地质灾害的细观机理研究。

2）破碎岩体混合流体运动过程中，颗粒与颗粒之间、颗粒与骨架均会发生相互碰撞，产生沉积甚至堵塞孔隙，造成渗流减弱，颗粒在破碎岩体孔隙中和巷道中的沉积过程及其作用机理非常复杂，需要进一步开展相应的渗流试验，明确潜蚀作用下颗粒的沉积机理，进而完善模型。

3）书中非线性渗流数值模拟是基于二维模型进行的相关研究，构建三维模型并考虑破碎岩体的各向异性是未来研究的方向。

本文摘编自“钢铁工业协同创新关键共性技术丛书”之《矿山采动岩体非线性渗流试验、模型与工程应用》（杨天鸿，杨斌，徐曾和，师文豪，杨鑫著.—北京：冶金工业出版社，2021.3）