技术领域
[0001] 本
发明涉及矿山开采工程地下突水灾害防治领域，特别涉及复杂富水矿区侧向围岩突水的疏、堵、探与监测相结合的动态综合治理方法。
背景技术
[0002] 我国已勘探查明的矿床中有较大储量因受突水灾害的威胁而难于开采，据统计，约有150亿吨储量的
煤炭矿床和8亿吨储量的
铁矿床受突水灾害威胁。在复杂富水矿山的建设和开采过程中，时常伴随着相互关联的复杂水文地质条件等不利因素造成的突水
风险，开采活动稍有不慎，就会诱发突水事故，造成重大的突水灾害与生命财产损失。近30年来，我国仅煤矿突水灾害就发生百余起，造成经济损失高达27亿元，突水灾害的科学防治问题亟待解决。
[0003] 目前，国内外突水灾害防治方法主要有四类：(1)排水疏干方法，此法适用于水量较小，水压
力不大，涌水量预计不超出技术和经济的允许范围，并且矿床
底板为岩溶裂隙水为主。(2)
预防为主的治水方法，此法在水量大、水压大时采用，在矿井底板相对隔水层厚度大于l m/atm，其岩体结构、力学指标较清楚，留有足够的
断层、裂隙带矿柱，主要巷道中装有防
水闸门，采区有独立排水系统等条件下采用。(3)强排降压方法，此法主要用于水量大、水压大、
煤层底板大多没有隔水层或隔水层较薄及治水机械化程度较高的矿区，对环境造成的不利影响较大。(4)注浆堵水方法，用注浆设备通过管道将
水泥浆或化学浆压入井下岩层裂隙或巷道中，使岩层具有较高的强度、密实性和不透水性，达到封堵截断补给水源和加固
地层的作用。该技术适用导水通道与裂隙非常准确清楚条件下的矿山，但通常水泥消耗量大，防治水成本较高。
[0004] 上述方法对矿山突水灾害的防治起到了一定的积极作用，但每种治水方法主要是针对具体特定的水文地质条件进行的，存在着诸多局限性，而且由于矿山与区域
地下水存在着密切水力联系，在矿区水文地质条件和突水通道复杂、矿床突水类型多变及突水水量较大的情况下，运用单一排水或封堵治理方案通常很难达到防治突水的预期效果，并且对技术条件和经济成本要求较高。因此，在传统突水灾害防治方法的
基础上，深入研究和分析突水灾害形成的原因与机理，研究和建立一种具有普遍应用价值的疏、堵、探与监测相结合的突水综合治理方法，对科学而有效防治矿山突水灾害，保障矿山工程的安全建设和矿产资源的安全开采，具有重要的科学意义和实用价值。
发明内容
[0005] 本发明的技术效果能够克服上述
缺陷，提供一种矿山突水综合治理方法，其针对传统矿山突水治理方法的不足，基于矿山地下水系统渗流场运移规律和矿山侧向围岩突水灾害形成机理与规律，特提出疏、堵、探与监测相结合的地下突水综合治理方法，对于存在突水威胁的矿井和地下工程，因地制宜地采取疏、堵、探与监测相结合的措施进行综合防治，以达到防灾减灾的目的，为矿山开采工程矿区外围突水灾害的科学防治提供科学与有效的防治方法。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：其包括如下步骤：
[0007] 步骤一，矿山水文地质观测网点的设定；
[0008] 步骤二，矿区地下水补给区、排泄区与径流区的测定；
[0009] 步骤三，矿区补给区导水通道与裂隙的勘探与测定；
[0010] 步骤四，矿区补给区注浆帷幕堵水方案的确定与实施；
[0011] 步骤五，矿区排泄区疏排水治理方案设计与实施，在矿区补给区注浆帷幕堵水方案实施完成后，在矿区排泄区进行地下水疏排水治理；
[0012] 步骤六，矿区地下水位动态监测与信息化疏堵治水方案实施，在矿区排泄区进行地下水疏排水治理过程中，在矿区径流区对地下水位进行动态监测，并运用水位动态监测结果检验疏堵治水方案实施效果和调整优化疏堵治水方案，以此完成信息化疏堵治水方案实施。
[0013] 本发明基本原理如下：
[0014] 本发明基于矿区地下水系统渗流演化规律，分析矿山突水灾害形成原因和机理，首先在矿区补给区进行注浆帷幕堵水治理，控制并减少区域地下水补给区对采矿区的充水；在矿区补给区注浆帷幕堵水治理完成后，在矿区排泄区进行疏排水治理，对进入矿区和
矿体内部的地下水进行疏导排出；在矿区排泄区进行疏排水治理过程中，同时在矿区径流区对其地下水位进行动态监测，并运用水位动态监测结果检验疏堵治水方案实施效果和调整优化疏堵治水方案，以此完成信息化疏堵治水方案实施。
[0015] 本发明的具体步骤如下：
[0016] 第一步：矿山水文地质观测网点的设定
[0017] 根据《地下水动态长期观测技术规范》(MT/T 633—1996)，结合本发明具体实施特点，矿山地下水动态参数的观测步骤如下：
[0018] 1、收集矿区有关水文、地质资料，查明矿区水文地质条件与类型，确定地表水与岩层含水层的分布特征，确定水文观测区域。
[0019] 2、在矿区内自然排泄点(地表自然泉)或人工排泄点(人工排水井)，以排泄点为中心布置两条互相垂直的观测线，观测线平行于水平面。
[0020] 3、观测网由观测点、线组成，观测点应统一编号，水文观测孔孔径：120～150mm，孔深至最低水位以下2米；相邻观测线间距500～800m，每条观测线上相邻观测点间距100～200m，观测网
覆盖整个矿区地下水系统。
[0021] 4、地下水与地表水联系的观测点，应垂直于地表水流向布置的观测线；在河流流入和流出矿区的地段，亦应布置垂直于河流的观测线；线上各观测点应分别控制不同的
地貌和水文地质单元，并在不同单元的交界处,同一条观测线上相邻观测点间距调整为50～100m；
[0022] 5、监测设备的选取与安装
[0023] 本发明使用的设备包括地下水参数测试仪、和无线
数据采集装置。在矿区监测网点布设地下水参数测试仪；监测数据采用无线数据采集装置收集并传输至
数据处理中心。
[0024] 第二步：矿区地下水补给区、排泄区与径流区的测定
[0025] 1、应用地下水参数测试仪每2天观测一次地下水水位与水压，并记录各个监测点
地下水流向，将各个监测点的地下水参数统一
整理制作成数据表格。
[0026] 2、先以比例尺为1:10000的地形图作底图，然后按照2m的水位间隔、水位值从低到高h0-hn，将水位相同的各监测点连接绘制水位等值线，形成等水位线图。
[0027] 3、根据各监测点地下水流向确定地下水渗流方向和趋势，确定各区域地下水与地表水之间的补给关系，以及区域地下水的水力联系，进而绘制矿区地下水流场图。
[0028] 4、将等水位线的水位值由低到高h0～hn三等分，中间值分别为hi和hj(hi＜hj)。将水位值为h0～hi等水位线的分布区域确定为排泄区；将水位值为hi～hj等水位线分布区域确定为径流区；将水位值为hj～hn等水位线分别区域定义为补给区，以此确定矿区地下水的补给区、排泄区与径流区。
[0029] 第三步：矿区补给区导水通道与裂隙的勘探与测定
[0030] 依据矿区水文地质工程地质勘探规范(GB12719—1991)，结合本发明具体的实施特点，补给区导水通道与裂隙的测定方法如下：
[0031] 1、根据矿区水文地质条件与类型，沿垂直于矿区补给区
流线方向布置勘探线与N个探测钻孔，并根据层状裂隙水的埋藏深度和构造富水带发育程度确定孔深H，钻孔垂直勘探深度一般大于或等于矿区含水层底板，勘探孔直径d≥91mm，勘探孔间距L≤30m；形成3～5个水文地质剖面，每个剖面探测钻孔不少于3个(N≥3)。
[0032] 2、采用钻孔
电磁波CT物探技术或跨孔
声波探测技术等进行探测，并结合钻探
岩心及矿区地质条件分析，综合查明和确定矿区岩溶溶洞、断层
破碎带及节理裂隙密集区等地下水通道富集区的大小、形状特征及空间分布规律。
[0033] 第四步：矿区补给区注浆帷幕堵水方案的确定与实施
[0034] 1、根据矿区补给区导水通道、导水裂隙和导水断层的空间分布特征，沿垂直于导水通道、导水裂隙和导水断层走向布设注浆孔，进行注浆封堵，形成厚度为T、长度为L的环形防水帷幕，封堵矿区外围的高水位补给区的过水途径。
[0035] 2、钻孔间距设计公式为： 其中d为孔距，T为帷幕厚度，r为
浆液扩散半径；帷幕长度L应覆盖主要过水途径，钻孔深度至导水通道、导水裂隙和导水断层中间部位。
[0036] 3、以高压力注浆的方法将注浆液压至岩层的裂隙中去，裂隙岩体注浆压力按经验公式：pe＝pw+γ·H+m(H1-H)-(H1·γG-S·γw)，其中pw为地下水静水压力，γ为注浆段以上
覆盖层的重度，γG为注浆液
密度，γw为地下水的重度，H为止浆塞以上地层厚度，H1为注浆段总深度，m为注浆段止浆塞以下地层的重度、S为地下水位埋深至注浆段底部距离。
[0037] 第五步：矿区排泄区疏排水治理方案设计与实施
[0038] 在矿区补给区注浆帷幕堵水方案实施完成后，在矿区排泄区进行地下水疏排水治理，其排泄区疏排水治理方法如下：
[0039] 1、对通过未封堵的导水通道进入矿区的地下水和矿体内部水，采取疏干排水的方案，采矿区留有的排水设防能力应高于进入采矿区的最大涌水量，保证疏排水系统畅通能正常工作。
[0040] 2、根据矿区最大突水涌水量计算，在矿山地下水低水位排泄区，由疏到密均匀布置M个梅花形排水孔，孔深至采掘面以下，孔径Φ75-110mm。
[0041] 3、运用排水孔对矿区的地下水进行疏排水治理，并依据矿区地下水位动态监测结果调整总体疏排水量的大小，排水孔数量M应满足 wi为单孔排水量，W为进入矿区的最大涌水量。
[0042] 第六步：矿区地下水位动态监测与信息化疏堵治水方案实施
[0043] 在矿区排泄区进行地下水疏排水治理过程中，在矿区径流区对地下水位进行动态监测，并运用水位动态监测结果检验疏堵治水方案实施效果和调整优化疏堵治水方案，以此完成信息化疏堵治水方案实施。其基本步骤如下：
[0044] 1、在径流区选取k个水文观测孔，在地下水疏排水治理过程中对矿区地下水位变化、水质、水量等进行监测。
[0045] 2、根据矿区地下水位动态监测结果，调整优化疏堵治水方案，即如果疏堵治水方案能保证矿区地下水位下降至采掘面以下且满足生产需求，则达到突水治理预期目标；如果采矿区地下水位无明显下降，或下降缓慢不能满足生产需求，则需继续增加疏排水量，直至达到突水治理预期目标；
[0046] 3、如果疏排水量达到了矿区极限排水能力还不能达到突水治理的预期水位目标，则需在矿区补给区重新布设勘探线与探测钻孔，并继续实施本发明第三、四步和第五步，直至达到治理突水的预期水位目标。
[0047] 本发明的矿山突水综合治理方法，运用单一排水或封堵治理方案很难达到防治水目的，因为矿山区域地下水的密切水力联系决定了不可能用单一排水方案将地下突水排干，矿床复杂水文地质条件及错综复杂，在有限的技术条件与治理资金条件下难以彻底查清所有导水通道及其连通关系，也不可能将导水通道进行彻底封堵。采用疏、堵、探与监测结合的方案更切合实际，该方案融合了疏水、堵水、探水和监测方案的优点，完善并建立了一种动态信息化的疏、堵、探与监测相结合的突水综合治理方法，该方法对大水量且突水通道复杂的矿山突水灾害防治具有重要的实用价值。
附图说明
[0048] 图1为疏、堵、探与监测结合的动态优化治理突水
流程图；
[0049] 图2为矿山水文地质观测网点布置示意图；
[0050] 图4为矿区堵水、疏水治理突水示意图；
[0051] 图3为矿山地下水等水位线及渗流规律示意图；
[0052] 图5为矿区地下水动态监测网点布置示意图；
[0053] 图6为某矿区各月份9#和10#观测孔水位；
[0054] 图7为某矿区各月份排水量。
具体实施方式
[0055] 下面参照附图，结合
实施例，对本发明提供的一种疏、堵、探与监测相结合的地下突水动态综合治理方法进行说明：
[0056] 以某复杂富水矿区，副井-245m水平掘进2#穿至8#穿运输巷时，发生突水，造成淹井事故，直接经济损失达500多万元，而且处理事故花费了18个月的建设时间。针对该复杂富水矿区突水问题的治理过程对本发明的具体实施方式进行说明，本发明的疏、堵、探与监测相结合的地下突水动态综合治理方法流程如图1所示，具体实施步骤如下：
[0057] 第一步：矿山水文地质观测网点的设定
[0058] 根据《地下水动态长期观测技术规范》(MT/T 633—1996)，结合本发明具体实施特点，矿山地下水动态参数的观测步骤如下：
[0059] 1、收集矿山有关水文、地质资料，查明矿区水文地质条件与类型，确定地表水与岩层含水层的地理分布及其水文特征，规划水文观测区域。
[0060] 2、在矿区内自然或人工排泄点，应以排泄点为中心布置2条互相垂直的观测线。
[0061] 3、观测网由观测点、线组成，观测点应统一编号，水文观测孔孔径：120～150mm，孔深至最低水位以下2米；观测线间距500～800m，每条观测线上布置3～5水文地质观测点，观测网应覆盖整个矿区地下水系统。
[0062] 4、地下水与地表水联系的观测点，应垂直于地表水流向布置观测线；在河流流入和流出矿区的地段，布置垂直于河流的观测线。线上各观测点应分别控制不同的地貌和水文地质单元，并在不同单元的交界处适当加密观测点距。
[0063] 5、安装监测设备
[0064] 在矿区监测网点的监测孔安装地下水参数测试仪SDC-250；监测数据采用无线数据采集装置收集并传输至数据处理中心。
[0065] 第二步：矿区地下水补给区、排泄区与径流区的测定
[0066] 1、应用地下水参数测试仪每2天观测一次地下水水位与水压，并记录各个监测点地下水流向。将各个监测点的地下水参数统一整理制作成数据表格。
[0067] 2、根据各监测点地下水流向确定地下水渗流方向和趋势，确定各区域地下水与地表水之间的补给关系，以及区域地下水的水力联系，进而绘制矿区地下水流场图。
[0068] 3、先以比例尺为1:10000的地形图作底图，然后按照2m的水位间隔、水位值从低到高，将水位相同的各监测点连接绘制水位等值线，形成等水位线图；将等水位线的水位值由低到高三等分，水位值由低到高划分为矿区地下水的排泄区、径流区、补给区。
[0069] 第三步：矿区补给区导水通道与裂隙的勘探与测定
[0070] 1、沿垂直于矿区补给区流线方向布置勘探线与探测钻孔，并根据层状裂隙水的埋藏深度和构造富水带发育程度确定孔深，钻孔垂直勘探深度一般大于或等于矿区含水层底板，勘探孔直径d≥91mm；形成3～5个水文地质剖面，每个剖面探测钻孔不少于3个，在近排泄区应加密布设勘探孔，钻孔深度从补给区到排泄区逐渐加大。
[0071] 2、采用钻孔电磁波CT物探技术进行勘探，使用JW-5Q型地下电磁波仪进行数据采集，观测方式为双孔观测中的定点发射方式，在一个钻孔内放置发射机，另一个钻孔内放置接收机，发射机每隔1m固定发射时，接收机以1m的间隔从上到下(从下到上)观测数据。
[0072] 3、查明和确定矿区岩溶溶洞、断层破碎带及节理裂隙密集区等地下水通道富集区的大小、形状特征及空间分布规律。
[0073] 第四步：矿区补给区注浆帷幕堵水方案的确定与实施
[0074] 1、垂直于导水通道、导水裂隙和导水断层走向布设注浆孔，进行注浆封堵，形成防水帷幕，封堵矿区外围的高水位补给区、径流区
水体进入开采区的过水途径。
[0075] 2、在本矿山堵水治理方案中的注浆设计以扩散半径r＝1.75m，孔距l＝3.0m时，即帷幕厚度为T＝1.8m。由于在巷道之间存在着距离远近问题，如以扩散半径r＝2.80m，孔距l＝5.0m，即帷幕厚度为T＝2.5m。通过上述公式计算的基础上再加经验值确定了在钻孔注浆终端喷射扩散半径r定为1.75m～2.50m。以高压力注浆的方法将注浆液压至岩层的裂隙中。
[0076] 第五步：矿区排泄区疏排水治理方案设计与实施
[0077] 1、对通过未封堵的导水通道进入矿区的地下水和矿体内部水，采取疏干排水的方案，采矿区留有的排水设防能力应高于进入采矿区的最大涌水量，保证疏排水系统畅通能正常工作。
[0078] 2、根据矿区最大突水涌水量计算，在矿山地下水低水位排泄区，由疏到密均匀布置梅花形排水孔，孔深至采掘面以下，孔径Φ75-110mm。
[0079] 3、运用排水孔对矿区的地下水进行疏排水治理，并依据矿区地下水位动态监测结果调整疏排水量的大小。
[0080] 第六步：矿区地下水位动态监测与信息化疏堵治水方案实施
[0081] 矿区范围内已布设12个监测孔布置水文观测孔，监测水位变化、水质、水量及水温。利用“上部单管、下部双管的栓塞分层止水法”实现对第四系和基岩两个含水层的动态观测。
[0082] 由图4可以看出，1月至6月底矿区地下水位由-275m左右缓慢下降至-278m左右，7月至8月注浆封堵期间矿区地下水位有小幅度的回升。9月矿区注浆封堵工程和排水工程施工结束以后，矿区地下水位有显著下降，由治理前的-278m左右下降至目前的-286m水平，使矿区地下水位降至矿床回采水平以下。
[0083] 由图5可以看出，在1月至8月注浆封堵前，月排水量维持在150000m3-180000m3之间。帷幕注浆工程施工完成以后，月排水总量由8月的160000m3左右迅速下降至9月份的30000m3左右。
[0084] 经过疏、堵、探与监测相结合综合治水方案的实施，采矿区地下水位降低到了-285m水平以下，日均排水量降低到1000m3/d以下，远远超过了排水量达到矿床开采的临界日排水量(≤3000m3/d)的目标，解除了所有矿体的地下水压威胁，实现了矿床无水条件下的开采，并大大节省了排水
费用，保证了安全正常生产。
