隋旺華

(中國礦業(yè)大學(xué)， 資源與地球科學(xué)學(xué)院， 礦山水害技術(shù)基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)室， 徐州 221116， 中國)

0 引言

谷德振先生在《巖體工程地質(zhì)力學(xué)》中將水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)定義為巖性、構(gòu)造和地下水的共同構(gòu)成體，對水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的闡明(谷德振， 1979， 1994)。建造過程中，地質(zhì)構(gòu)造控制著古地貌形態(tài)和含水層的沉積特征； 改造過程中，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)又控制著水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的演化(Avias， 1992)?！皹?gòu)造控水”理論是中國學(xué)者的重要貢獻(xiàn)，例如，新構(gòu)造控水理論(肖楠森， 1981)、基于地質(zhì)力學(xué)的地下水網(wǎng)絡(luò)理論(胡海濤等， 1980)、基巖蓄水構(gòu)造理論(劉光亞， 1978)和地下水層控理論等。

“自然水文系統(tǒng)”(Dooge， 1967)和“地下水系統(tǒng)”(Domenico et al.，1973； Schwartz et al.，1973)是較早地從系統(tǒng)論觀點(diǎn)對水文和水文地質(zhì)的認(rèn)識，并發(fā)展為廣泛采用的地下水系統(tǒng)分析研究(Senhan et al.，1985)?！八牡刭|(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)”包括“水文地質(zhì)系統(tǒng)”、“水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)”、“地下水系統(tǒng)”3個(gè)基本要素。水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和地下水系統(tǒng)是相互聯(lián)系相互作用又不可分割的一個(gè)有機(jī)系統(tǒng)，在建立“水文地質(zhì)系統(tǒng)模型”時(shí)，又將兩者合二為一(張壽全等， 1992，1993)。

張壽全等(1993)將構(gòu)造控水機(jī)制和地下水系統(tǒng)有關(guān)研究稱為“構(gòu)造水文地質(zhì)”； Pino(2012)的論文使用了術(shù)語“構(gòu)造水文地質(zhì)學(xué)”(Structural hydrogeology)，研究了加拿大魁北克Kenogami高地的節(jié)理裂隙系統(tǒng)對巖體滲透性的影響，并基于構(gòu)造地質(zhì)和水文地質(zhì)信息建立了水文地質(zhì)模型。

礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的理念已經(jīng)在礦山水害防治和地下水環(huán)境治理中得到應(yīng)用，并取得積極進(jìn)展(劉鴻泉等， 2004； 隋旺華， 2017； 隋旺華等， 2019b)。但是，在理論和實(shí)踐中仍然存在不少挑戰(zhàn)。例如，在充水條件分析時(shí)主要考慮含水層和隔水層，對構(gòu)造影響考慮不夠； 在進(jìn)行涌水量計(jì)算時(shí)以均質(zhì)含水層理論為主，缺乏考慮水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的井流理論和方法； 在超前區(qū)域治理設(shè)計(jì)時(shí)，由于缺乏理論指導(dǎo)，基本上是依靠經(jīng)驗(yàn)均勻布置工程； 在礦山水文地質(zhì)條件分析中，考慮動(dòng)態(tài)變化和動(dòng)態(tài)辨識不夠； 在礦山地下水環(huán)境治理中，沒有很好地利用有利的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，有的還傾向于成本高的末端治理，可控性差，為數(shù)不多的前端防控也缺乏理論指導(dǎo)等。

新世紀(jì)以來，我國礦山安全地質(zhì)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)和防治水工程的大量實(shí)踐表明，傳統(tǒng)的理論在指導(dǎo)新的實(shí)踐活動(dòng)中遇到很大的挑戰(zhàn)，亟需建立和創(chuàng)新符合礦山水害防控新的實(shí)踐要求的水文地質(zhì)理論。在谷德振先生巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)學(xué)術(shù)思想指引下，從礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)概念出發(fā)，建立礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模型，研究和揭示其對采掘工程活動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，可以較好地指導(dǎo)礦山水文地質(zhì)工作和礦山水害防治(隋旺華等， 2019b)。結(jié)合國內(nèi)外水文地質(zhì)工程地質(zhì)、安全地質(zhì)、防治水技術(shù)的發(fā)展趨勢，在礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)概念的研究和應(yīng)用基礎(chǔ)上，進(jìn)一步擴(kuò)展其理論內(nèi)涵和應(yīng)用外延，本文提出建立結(jié)構(gòu)水文地質(zhì)學(xué)的設(shè)想，并以礦山采掘擾動(dòng)誘發(fā)的高勢能突水潰砂防控為例闡述其應(yīng)用前景。

1 結(jié)構(gòu)水文地質(zhì)學(xué)

結(jié)構(gòu)水文地質(zhì)學(xué)是著重從地質(zhì)構(gòu)造儲(chǔ)水控水、水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與地下水系統(tǒng)相互作用，以及人類工程活動(dòng)系統(tǒng)與水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)相互作用和相互制約的規(guī)律出發(fā)，提出改善水文地質(zhì)條件、防治水害發(fā)生、治理水害事故的一般原理的一門應(yīng)用性學(xué)科。在對水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、地下水系統(tǒng)、賦存環(huán)境和人類工程活動(dòng)系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，建立水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模型，作為下一步應(yīng)用的基礎(chǔ)和橋梁。圖 1給出了結(jié)構(gòu)水文地質(zhì)學(xué)的內(nèi)容框架及其在礦山水害防控中的應(yīng)用途徑。

圖 1 結(jié)構(gòu)水文地質(zhì)學(xué)內(nèi)容框架及在礦山的應(yīng)用Fig. 1 Framework of Structural Hydrogeology and its application in mines

把結(jié)構(gòu)水文地質(zhì)學(xué)的基本原理應(yīng)用于礦山水害防控中，可以體現(xiàn)以下特色內(nèi)容：礦山水文地質(zhì)單元、水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)與儲(chǔ)水地質(zhì)構(gòu)造、地下水系統(tǒng)及其補(bǔ)給徑流排泄； 水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的采動(dòng)效應(yīng)、基于結(jié)構(gòu)的礦井水文地質(zhì)勘探類型與礦井水文地質(zhì)類型、礦井充水條件、礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模型及其可視化表達(dá)； 礦井地下水化學(xué)及微生物； 基于結(jié)構(gòu)的礦井涌水量預(yù)測方法，例如考慮斷層影響的水平鉆孔、巷道等地下水井流理論與方法； 基于結(jié)構(gòu)(物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)再造、環(huán)境改變)的礦山水害防控綜合技術(shù)； 基于水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)采動(dòng)演化的突水危險(xiǎn)性動(dòng)態(tài)評價(jià)； 基于水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)重建的廢棄礦井地下水污染治理與環(huán)境修復(fù)等。

2 方法論

礦山結(jié)構(gòu)水文地質(zhì)學(xué)可以作為礦山安全地質(zhì)學(xué)(隋旺華， 2021)的一個(gè)分支，安全地質(zhì)學(xué)方法論的基本前提同樣適用于結(jié)構(gòu)水文地質(zhì)學(xué)，即：(1)在天然賦存環(huán)境下，水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和地下水系統(tǒng)賦存在一定的地質(zhì)環(huán)境和能量狀態(tài)中，在一定的溫度、壓力、化學(xué)場等多場條件下保持著動(dòng)態(tài)平衡； (2)礦山采掘工程活動(dòng)將打破地下水的動(dòng)態(tài)平衡(例如疏或堵造成流體壓力增大或減少)，表現(xiàn)出能量釋放、流體釋放或者壓力變化、結(jié)構(gòu)改組重構(gòu)等，以達(dá)到新的平衡，在這個(gè)過程中或其后果可能釀成水害事故發(fā)生； (3)如果采用被動(dòng)防控措施留設(shè)足夠的防水煤巖柱，使得水壓不突破天然阻隔(例如隔水層)，或者采用主動(dòng)防控措施(例如注漿改造、疏降水等)抑制災(zāi)變的發(fā)生，使得水壓無法突破人工阻隔(例如注漿帷幕)，或者在促成新的平衡狀態(tài)下，水壓釋放不能造成破壞，就能做到對災(zāi)害的有效防控。以下4個(gè)簡單的表達(dá)式簡明地反映了礦山結(jié)構(gòu)水文地質(zhì)學(xué)的研究思路：

水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)=地質(zhì)構(gòu)造+巖土體結(jié)構(gòu)+含(隔)水單元+地下水； 礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)=水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)+礦體+賦存地質(zhì)環(huán)境和能量狀態(tài)； 礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)采動(dòng)效應(yīng)=礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)+采掘工程擾動(dòng)； 礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模型=水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模型+地下水系統(tǒng)模型+采掘工程活動(dòng)系統(tǒng)+賦存地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)。

具體研究方法包括系統(tǒng)分析方法、成因演化分析方法、結(jié)構(gòu)分析方法、觀測、試驗(yàn)、監(jiān)測和預(yù)警方法等，在安全地質(zhì)學(xué)一文中有結(jié)合礦山水害防治的論述(隋旺華， 2021)，此處不再贅述。

3 采掘誘發(fā)高勢能突水潰砂主動(dòng)防控

高勢能突水潰砂是指由于礦山采掘誘發(fā)的垮落帶和裂隙帶等通道溝通了上覆具有較高水壓(一般200m水頭以上)的松散承壓含水砂層，而導(dǎo)致含砂量較高(一般50%以上)的水砂混合流體潰入采掘工作面，造成財(cái)產(chǎn)損失甚至人員傷亡的一種礦井地質(zhì)災(zāi)害，具有突發(fā)性、灌頂式、流速高、破壞強(qiáng)、難處置等特點(diǎn)。我國煤礦區(qū) 90%以上的面積被新近系和(或)第四系松散含水層所覆蓋，形成了松散層-基巖“二元”地質(zhì)結(jié)構(gòu)。近松散含水層的礦山采掘誘發(fā)的突水潰砂災(zāi)害嚴(yán)重威脅著生產(chǎn)和礦工生命安全(隋旺華等， 2008，2019a； 范立民等， 2015； 隋旺華， 2017)，是國家礦山安監(jiān)局近期重點(diǎn)檢查的事故隱患之一(國家礦山安全監(jiān)督局， 2021)。近期發(fā)生的湖南耒陽突水事故(2020年11月29日， 13人遇難)、新疆呼圖壁豐源煤礦突水事故(2021年4月10日， 21人遇難)、山西忻州大紅才鐵礦斜井突水事故(2021年6月10日， 13人遇難)、陜西榆林郝家梁煤礦30108綜采工作面頂板突水潰砂事故(2021年7月5日， 5人遇難)、青海柴達(dá)爾煤礦突水潰砂(2021年8月14日， 20人遇難)，教訓(xùn)極為慘痛。因此，高勢能突水潰砂的災(zāi)變機(jī)理和防控方法研究，具有十分重要的意義。從對已有的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)充分利用和采取主動(dòng)工程措施防控的角度，可以將突水潰砂防控方法分為兩種，即被動(dòng)防控和主動(dòng)防控。

3.1 被動(dòng)防控與主動(dòng)防控的含義

被動(dòng)防控是指目前有關(guān)規(guī)程或者規(guī)范中推薦的水體下(包括含水層下)開采留設(shè)安全煤巖柱的基本方法，其原理是基于對水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件的掌握以及采動(dòng)覆巖破壞高度的預(yù)判，留設(shè)不同類型的安全煤巖柱，主要包括不同尺寸的防水、防砂或者防塌煤巖柱，保障水體下(含水層下)開采的安全。其前提是對地質(zhì)環(huán)境和采掘破壞的準(zhǔn)確判斷，如果對地質(zhì)條件出現(xiàn)誤判或者與勘探相比變化較大，很可能釀成災(zāi)害，因而，一定條件下，仍然存在突水潰砂的風(fēng)險(xiǎn)。另外，煤巖柱內(nèi)的煤炭資源作為防護(hù)巖體結(jié)構(gòu)將被遺留而無法回收(丁甲等， 2021)。

主動(dòng)防控則是在已經(jīng)留設(shè)防水或者防砂煤巖柱的情況下，經(jīng)過勘探或者評價(jià)，存在不可承受的突水潰砂風(fēng)險(xiǎn)，或者為了回收特定區(qū)域的煤炭資源，在開采前，采用區(qū)域疏放水改造含水層的富水性使其降為弱富水性含水層或者進(jìn)行疏干，要么采取超前注漿等地質(zhì)工程措施，對特定含水層富水性、隔水層的強(qiáng)度或者可能的導(dǎo)水邊界、通道進(jìn)行改造或者封堵，使其能夠滿足安全開采的條件。在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)保和安全效益可行的前提下，主動(dòng)防控措施對于提高資源回收率、保障安全生產(chǎn)具有重要的實(shí)際價(jià)值。

3.2 被動(dòng)防控突水潰砂機(jī)理

被動(dòng)防控雖然是按照有關(guān)規(guī)范和礦區(qū)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度，一般能夠保證開采安全，但是，也曾經(jīng)發(fā)生了重大事故(圖 2)。主要有以下情況。

留設(shè)防砂煤巖柱潰砂，即在留設(shè)規(guī)定的安全防砂煤巖柱條件下出現(xiàn)潰砂事故。例如，山東橫河煤礦，第四系底部松散含水層為弱富水性，單位涌水量為0.01～0.03L·(s·m)-1，厚度為21.97～38.86m。符合留設(shè)防砂煤巖柱開采條件。在安全回采多個(gè)工作面之后， 2002年10月31日，在1931W采煤工作面推進(jìn)8m后上隅角潰砂，約1時(shí)許，潰砂將通往-258m水平的通道堵住，估算潰砂量為3800m3，兩名礦工被困，后經(jīng)努力營救脫險(xiǎn)。該工作面長40～90m，斜長310m，開采山西組3煤層，采高2.0m，傾斜長壁俯斜開采，炮采工藝，全垮落法管理頂板。后經(jīng)打鉆證實(shí)，該處最小煤巖柱14.4m，小于最小煤巖柱15.2m的要求，且第四系底部黏土層在該處缺失。對于馬家樓之二斷層和發(fā)育的小分支斷層，未能按照要求留設(shè)斷層煤柱，造成覆巖垮落溝通了第四系松散砂層，產(chǎn)生潰砂事故(高興棟， 2016； 張文泉等， 2017)。另外，在留設(shè)防砂煤巖柱的條件下，導(dǎo)水裂隙帶將溝通上覆松散含水層，如若形成的水力坡度超過砂層抗?jié)B臨界水力坡度，便會(huì)形成滲透破壞潰砂(隋旺華等， 2007， 2008)。

留設(shè)防水煤巖柱突水，即在留設(shè)規(guī)定的安全防水煤巖柱條件下出現(xiàn)突水事故。例如，淮北礦區(qū)祁東煤礦首采3222 工作面，采用傾斜長壁綜采，全垮落法管理頂板，開采32煤層，工作面長度為150m，煤層傾角約13°，煤層平均厚度約2.5m。原設(shè)計(jì)防水煤柱垂高60m，符合有關(guān)規(guī)程要求。底部含水層(稱為“四含”)厚度42m，富水性中等，水壓3.6MPa，具有形成高勢能突水潰砂的條件和風(fēng)險(xiǎn)。在首采面最小防水煤巖柱尺寸63m回采時(shí)， 2001年12月24日推進(jìn)至開切眼42m時(shí)，頂板周期來壓，松散含水層發(fā)生突水，“四含”水位下降超過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情況下回采時(shí)，也出現(xiàn)了第四系松散含水層水涌入井下。說明在這種情況下留設(shè)的防水煤巖柱沒有起到防水的作用，采動(dòng)誘發(fā)的導(dǎo)水裂隙帶之上存在著原生的導(dǎo)水通道，例如，風(fēng)化帶裂隙網(wǎng)絡(luò)或者構(gòu)造斷裂帶(楊本水等， 2004)。搶險(xiǎn)救災(zāi)的注漿孔觀測到的導(dǎo)水裂隙帶高度最高達(dá)到65m，超過了留設(shè)的安全防水煤巖柱高度。采前鉆孔沖洗液消耗量和鉆孔電視觀察證實(shí)了覆巖巖體中原生高角度裂隙發(fā)育(檀雙英等， 2006)。采取留設(shè)防水煤巖柱這種被動(dòng)防護(hù)措施在含水層下開采時(shí)，經(jīng)常遇到這種風(fēng)險(xiǎn)，為了增加安全性，不得不加大保護(hù)層的厚度以增加防水煤巖柱的尺寸(趙開全等， 2004)。在與祁東礦鄰近的祁南煤礦，由于“四含”底部隔水層的存在，實(shí)測的導(dǎo)水裂隙帶高度僅為祁東礦的一半左右，這也說明了底部隔水層存在與否造成的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化對覆巖破壞和滲透性變化具有重要影響。

覆巖崩解泥化突水潰砂，即上覆軟弱泥質(zhì)膠結(jié)的砂巖、泥巖等易崩解泥化巖層，在采動(dòng)和高水壓聯(lián)合作用下崩解泥化并發(fā)生突水潰砂。例如，鄂爾多斯盆地西緣某礦開采侏羅系延安組8煤某工作面推采誘發(fā)的頂板突水潰砂和壓架事故，瞬時(shí)水砂量最大達(dá)1500m3·h-1，淤積巷道約1km，潰砂量大于20000m3(周振方等， 2018)。

被動(dòng)防控發(fā)生的大量突水潰砂事故充分說明了被動(dòng)防控實(shí)施之前，對水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件的正確認(rèn)識和對采掘擾動(dòng)覆巖破壞的準(zhǔn)確預(yù)測非常關(guān)鍵。

圖 2 被動(dòng)防控方法形成突水潰砂事故示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the formation of water-sand mixture inrush accident from passive prevention and control methodsa. 斷層導(dǎo)通含水層； b. 保護(hù)層內(nèi)存在通道； c. 導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)滲透破壞； d. 軟弱覆巖崩解泥化

3.3 主動(dòng)防控方法

如果工作面形成后發(fā)現(xiàn)條件與勘探階段有較大變化，仍舊采用被動(dòng)防控不能保障回采安全時(shí)，就應(yīng)該采取主動(dòng)防控措施進(jìn)行改造，保障回采安全。

依據(jù)結(jié)構(gòu)水文地質(zhì)學(xué)方法論提出的4個(gè)表達(dá)式，考慮到治理對象和目的可以將主動(dòng)防控方法分為：地質(zhì)材料性質(zhì)改造、結(jié)構(gòu)隔水性能重構(gòu)、賦存水動(dòng)力環(huán)境改造和減輕采掘誘發(fā)覆巖破壞等幾類(圖3)。

3.3.1 地質(zhì)材料性質(zhì)改造

隨著開采上限接近松散含水層，覆巖主要由煤系風(fēng)化帶破碎巖體組成，分帶性質(zhì)雖然有所差異，但是整體性差，易于垮落甚或抽冒； 風(fēng)化帶之上的松散含水層，幾乎沒有抗垮落能力，如果下部巖體垮落，就會(huì)跟隨發(fā)生抽冒； 有時(shí)抽冒甚至發(fā)展到地面，例如，郝家梁煤礦30108綜采工作面抽冒使得地面植被和積水潰入到井下。如果初始水頭高于防潰砂安全水頭高度，即使不發(fā)生抽冒，由于開采造成的水動(dòng)力場變化產(chǎn)生的水力坡度大于砂層的臨界水力坡度，也會(huì)發(fā)生滲透破壞，在高的承壓水頭下，形成高勢能突水潰砂(隋旺華， 2008； 隋旺華等， 2019a)。

地質(zhì)材料性質(zhì)改造的原理，就是通過注漿，將膠結(jié)材料(水泥+粉煤灰或者水泥+黏土等)通過高壓注入到基巖風(fēng)化帶或者上覆松散砂層中，增加風(fēng)化帶巖體的整體性，增大風(fēng)化帶和松散砂層的抗?jié)B水力坡度，起到從整體上防治突水潰砂的作用。避免發(fā)生類似上述橫河煤礦1931W工作面潰砂事故。例如，某礦一工作面，煤層采高4.2m，煤層傾角3°～15°?；鶐r風(fēng)化帶厚度5～20m，上覆松散層含水層“四含”是直接充水含水層，厚度20.1～26.0m，單位涌水量0.019L·(s·m)-1，屬于富水性弱的含水層。根據(jù)預(yù)計(jì)所留煤巖柱高度已經(jīng)小于防砂安全煤巖柱高度，決定對“四含”20m范圍和風(fēng)化帶進(jìn)行注漿改造，共施工地面鉆孔42個(gè)，注漿后抽水試驗(yàn)表明“四含”的單位涌水量降至0.0000075L·(s·m)-1，壓水試驗(yàn)吸水率由注漿前的21.43～22.68Lu降至注漿后的0.27～1.06Lu。

覆巖和松散砂層的注漿改造，為把開采上限從留設(shè)防砂安全煤巖柱提高到留設(shè)防塌安全煤巖柱開采創(chuàng)造了條件。

3.3.2 結(jié)構(gòu)隔水性能重構(gòu)

在安全防水煤巖柱尺寸滿足有關(guān)規(guī)范要求條件下，如果上覆巖體內(nèi)存在著原生的導(dǎo)水通道，就會(huì)造成開采形成的導(dǎo)水裂隙帶與上覆松散含水層的貫通，形成高勢能突水潰砂。

結(jié)構(gòu)隔水性能重構(gòu)的原理，就是通過注漿，封堵上覆巖層中的原生導(dǎo)水通道，或者對采掘擾動(dòng)形成的導(dǎo)水裂隙帶連通部位預(yù)先注漿補(bǔ)強(qiáng)，使得上覆巖體中的隔水性能得到重構(gòu)，同時(shí)，還要盡量減小開采擾動(dòng)對保護(hù)層的抗?jié)B透性能的減損，避免類似上述祁東礦首采面開采突水事故的發(fā)生。例如，某礦一工作面，擬開采二疊系下石盒子組5煤，采高5.8m，煤層傾角0°～15°。上覆新生界“四含”厚度63.1～100.5m，平均81.7m，其上隔水層“三隔”厚度136.7～151.3m，對“四含”起到了很好的阻隔?！八暮眴挝挥克?.095～0.64L·(s·m)-1，富水性中等，水位標(biāo)高+0.5～2m，與擬開采煤層間形成7～8MPa的水頭差，極易造成高勢能突水潰砂?；鶐r含水層中井下探測孔單孔涌水量較大且含砂，和“四含”之間存在明顯水力聯(lián)系，對安全開采威脅很大。因此，回采前擬采用超前區(qū)域探查和注漿治理措施，封堵基巖和“四含”之間的垂直通道，注漿改造的位置選擇在11煤底板附近巖層，同時(shí)從側(cè)向封堵9煤頂?shù)装迳皫r的補(bǔ)給。目前工程正在進(jìn)行中。

通過注漿封堵，重構(gòu)采動(dòng)影響導(dǎo)水裂隙帶以上覆巖的隔水性能，可以有效封堵導(dǎo)水潰砂通道，避免高勢能突水潰砂事故。

3.3.3 賦存水動(dòng)力環(huán)境改造

對于滲透破壞型突水潰砂，一個(gè)重要的原因就是導(dǎo)水裂隙帶溝通上覆松散含水層瞬間，開口處水頭壓力陡降至0，水力坡度激增，導(dǎo)致突水潰砂。水力坡度的大小和初始水頭大小密切相關(guān)，我們把不至于發(fā)生突水潰砂的初始水頭稱為防潰砂安全水頭(隋旺華， 2008)。

賦存水動(dòng)力環(huán)境改造的原理，就是在開采前降低松散含水層的初始水頭，從而降低覆巖破壞帶溝通后的實(shí)際水力坡度，使其不超過砂層潰砂的臨界水力坡度，避免突水潰砂事故的發(fā)生。例如，山東太平煤礦8309工作面，開采二疊系山西組3煤，采高2.2m，第四系“底含”厚度27.6～45.98m，富水性中等。通過臨界水力坡度評價(jià)方法，預(yù)測“底含”的防潰砂安全水頭應(yīng)該降低到32m以下。在開采前和開采過程中，對第四系“底含”通過地面和井下鉆孔聯(lián)合疏放水，在疏降開采范圍內(nèi)，將“底含”水位降低到距離基巖面4～26m，實(shí)現(xiàn)了該工作面安全回采。

近年來，在安徽淮北礦區(qū)等地，大型帷幕注漿工程被用于封堵松散含水層的水源補(bǔ)給，再對帷幕內(nèi)的含水層水位進(jìn)行疏降或者疏干，使得地下水動(dòng)力環(huán)境大大改善，為安全開采創(chuàng)造了條件。另外，鋪設(shè)雙抗網(wǎng)可以大大增加風(fēng)化帶和垮落帶破碎巖體的抗?jié)B透變形能力，對于防止?jié)⑸坝泻芎玫男Ч?Sui et al.，2009)。

3.3.4 減輕采掘誘發(fā)覆巖破壞

采掘造成的覆巖破壞是引起突水潰砂的根本誘因，因此，采取適當(dāng)?shù)拈_采措施，減輕采掘誘發(fā)的覆巖破壞程度，減少垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶的影響范圍，也是重要的突水潰砂主動(dòng)防控措施。例如，采用充填開采方法可以減輕或消除垮落帶，并且大幅度地降低導(dǎo)水裂隙帶高度； 充填開采還可以減輕對耕地和地面建構(gòu)筑物的損壞，又有較好的環(huán)境效益。限制采高可以減輕對覆巖的破壞，以保留合理尺寸的保護(hù)層，防止突水潰砂。分層開采、預(yù)采頂分層后網(wǎng)下開采等，都是經(jīng)過實(shí)踐證明行之有效的減輕覆巖破壞的措施。

4 討 論

礦山突水潰砂防控研究涉及到水文地質(zhì)學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、采礦科學(xué)、安全科學(xué)等學(xué)科的交叉領(lǐng)域。Bense et al. (2013)提出斷層帶水文地質(zhì)學(xué)，指出需要培養(yǎng)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)和水文地質(zhì)學(xué)跨學(xué)科科學(xué)家聯(lián)合研究解決斷層帶水文地質(zhì)問題。張咸恭(1993)在工程地質(zhì)學(xué)報(bào)創(chuàng)刊號提出建立“工程水文地質(zhì)學(xué)”，專門解決工程建設(shè)和環(huán)境地質(zhì)中地下水作用引起的各類工程地質(zhì)問題和水文地質(zhì)問題，并將礦坑突水和豎井破壞列于其中。深部開采突水防控問題的難度和復(fù)雜程度，需要多學(xué)科共同應(yīng)對這一挑戰(zhàn)(Sui et al.， 2014)。本文提出的結(jié)構(gòu)水文地質(zhì)學(xué)，可以結(jié)合水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、構(gòu)造地質(zhì)等學(xué)科的研究，為高勢能突水潰砂防控提供了一種新的思路。但是，研究剛剛起步，許多問題還在探索之中。例如，改造前后水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的采掘動(dòng)態(tài)演化； 賦存環(huán)境在改造前后的變化及采掘影響； 注漿改造前后松散含水砂層的富水性探測和評價(jià)方法及標(biāo)準(zhǔn)； 風(fēng)化帶破碎巖體注漿后的韌性評價(jià)指標(biāo)及評價(jià)方法； 開采對注漿改造后的覆巖(土)層擾動(dòng)破壞、礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及裂隙帶、垮落帶發(fā)育變化特點(diǎn)； 改造前后突水潰砂危險(xiǎn)源和風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)評價(jià)等，都是新的挑戰(zhàn)。

5 結(jié) 論

本文在谷德振先生“水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)”學(xué)術(shù)思想指引下，在“礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)”研究基礎(chǔ)上，結(jié)合“水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)”學(xué)術(shù)理念，提出了建立結(jié)構(gòu)水文地質(zhì)學(xué)的設(shè)想，并將其應(yīng)用于高勢能突水潰砂災(zāi)害的防控研究。主要結(jié)論有：

(1)結(jié)構(gòu)水文地質(zhì)學(xué)的基礎(chǔ)理論包括水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、地下水系統(tǒng)、賦存環(huán)境系統(tǒng)和人類工程活動(dòng)系統(tǒng)研究等； 水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模型可以作為學(xué)科走向應(yīng)用的橋梁，據(jù)此提出了礦山結(jié)構(gòu)水文地質(zhì)學(xué)應(yīng)用的路徑。

(2)從方法論的角度提出了采用主動(dòng)地質(zhì)工程措施，改變水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的物質(zhì)組成(改造含水層)、結(jié)構(gòu)特性(通道封堵)、能量狀態(tài)(水壓疏降)，就可以達(dá)到主動(dòng)防控水害的目的。

(3)松散含水層下開采的被動(dòng)防控措施，在留設(shè)煤巖柱尺寸較小或者遇到不利水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件下，可能誘發(fā)高勢能突水潰砂災(zāi)害，主要包括松散含水層下，斷層導(dǎo)通松散含水層、基巖保護(hù)層內(nèi)存在導(dǎo)水通道、導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)滲透破壞和軟弱覆巖崩解泥化等幾種成因機(jī)制。

(4)高勢能突水潰砂的主動(dòng)防控的地質(zhì)工程措施主要包括：地質(zhì)材料性質(zhì)改造、結(jié)構(gòu)隔水性能重構(gòu)、賦存水動(dòng)力環(huán)境改造和減輕采掘誘發(fā)覆巖破壞等。

致謝及后記中國礦業(yè)大學(xué)沈文教授、狄乾生教授等在20世紀(jì)80年代初創(chuàng)辦我國礦業(yè)類高校第一個(gè)水文地質(zhì)工程地質(zhì)專業(yè)前，曾經(jīng)向谷德振先生請教開辦新專業(yè)的有關(guān)問題，谷先生指出，煤礦有自己的特殊工程地質(zhì)問題，不能直接從其他工程(例如水利工程)照搬，應(yīng)該從煤礦建設(shè)和生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，吸收其他行業(yè)工程地質(zhì)工作的理論和經(jīng)驗(yàn)，實(shí)實(shí)在在地做出煤礦工程地質(zhì)自己的東西。狄乾生教授創(chuàng)立了煤礦工程地質(zhì)學(xué)學(xué)科，并帶領(lǐng)中國礦業(yè)大學(xué)開辟了新的研究領(lǐng)域，培養(yǎng)了一批煤礦水文地質(zhì)工程地質(zhì)專業(yè)人才，在國家礦山安全地質(zhì)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。感謝皖北煤電集團(tuán)、中煤新集能源股份有限公司等單位提供有關(guān)資料。感謝中國礦業(yè)大學(xué)研究生陳嘉興、梁晉熙和孟祥東提供的編輯幫助。