重点推广项目编号：AQT-3-17
主要完成单位：华北科技学院
立项背景：
岩溶陷落柱是北方型石炭二迭纪煤田的一种特殊岩溶塌陷，广泛分布在我国北方山西高原、太行山、吕梁山以及晋陕蒙、冀、鲁、豫、苏、皖等地近20个煤田45个煤矿区，总数超过3000个(Li Jinkai等1988年统计为2875个)，其中尤以山西太原西山及汾河沿岸煤田、太行山中段更为普遍。岩溶陷落柱属于隐伏垂向构造，其导致的突水具有隐蔽性、突发性且与岩溶水的天然联系等特点，对煤矿安全生产及当地人民生活危害极大。1984年6月2日，开滦范各庄矿2171综采工作面发生世界采矿史上罕见的岩溶陷落柱透水灾害，最大涌水量2053
m3/min，该矿及三个临近矿井被淹，直接经济损失数亿元；徐州张集煤矿、安阳铜冶一矿、皖北任楼矿、徐州青山泉一号井等也发生过较大陷落柱突水事故，均造成巨大经济损失和不良后果。随着开采深度和强度的增加，开采环境日趋复杂，水压、地应力和瓦斯不断增大，陷落柱导致的水害问题更加突出，其预测预防任务将更加紧迫、艰巨。
陷落柱的自身特征及受控机制是突水研究的基础。国内外学者对其成因的研究主要借鉴岩溶塌陷及采空区冒落的机理和方法，但均不能完全从力学上解释陷落柱的成因机制。“安全水头”、相似材料模拟、数值模拟以及突水系数、“三带”理论、关键层理论等在不同阶段促进了学科的发展，目前学界对宏观突水影响因素的研究取得了较为一致的认识，而突水模式的研究基本上归结为构造突水和完整岩层突水两种模式，构造突水则主要集中在断层（带）突水的研究上，陷落柱突水模式的研究很少，且理论基础是梁、薄板理论。众所周知，梁、薄板理论有其适用范围，如薄板理论要求板的厚度与宽度之比小于1/5～1/7。突（涌）水量预测经历了由解析方法向数值模拟的转变，但是其中的概念以及地质体与数学模型的脱节等问题始终困扰水文地质学家。因此构建‘多种突水模式—分别对应的力学模型—相应的突水机理解释—突水与否判别—突（涌）水量预测’一套较为完整系统的基本理论体系以及完善体系中悬而未决的关键技术，具有重要的理论意义和实用价值。
项目内容：
本研究成果属于矿山工程技术中的矿山地质学学科，主要应用于矿井安全及矿井防治水中的矿井突水以及突（涌）水量预测。运用现代岩体力学和岩体水力学理论，在陷落柱力学成因机制解释的基础上，通过陷落柱突水模式的分类及力学模型的建立，构建了陷落柱突水灾害致因理论，完善了包括陷落柱介质在内的广义三重介质的应力场—渗流场耦合模型进行突水量预测的理论，初步形成了陷落柱突水与否与突水量大小预测的基本理论体系，总体处于国际先进水平。
1、总体思路
陷落柱力学形成机制—多种突水模式—分别对应的力学模型—相应的突水机理解释—突水与否判别—突（涌）水量预测。由于突水与突水量的研究分别属于岩体力学和岩体水力学两个相对独立的学科，二者的统一是系统研究的关键技术，陷落柱力学成因、突水模式及其力学模型、突水机理、突水判据、广义三重介质的应力场—渗流场耦合模型是各部分研究的关键技术。具体来说，应用系统论、控制论、信息论的思想方法，从自组织思想和本质安全化认识观点出发，以岩体结构控制论为基础，将岩体结构、地下水、地质工程纳入到突水系统的范畴进行统一研究，实现了现代岩体力学和岩体水力学的统一；将突水视为多种因素共同作用下的岩体失稳过程，采用计算机模拟、实验模拟和现场试验模拟相结合的技术手段，通过信息的采集、分析、提取和升华，完成了陷落柱力学成因的解释，概化了陷落柱突水模式，针对不同的模式揭示了突水机理，用确定性方法和非确定性方法分析突水发生的影响因素，建立了突水充要条件和理论判据，用于实践进行判别预测突水的发生与位置；在地应力场控制下的介质富水性研究的基础上，建立广义三重介质的应力场—渗流场耦合模型模拟矿井地下水子系统，实现了较为准确的突（涌）水量预测。按照上述思路，初步形成了陷落柱突水与否与突水量大小预测的基本理论体系，并在陷落柱力学成因解释、陷落柱突水模式的力学判据和广义三重介质的应力场—渗流场耦合模型改进和应用等方面有创新，达到国际先进水平。
2、技术方案
本次研究的技术方案及流程：信息→岩体结构子系统→地下工程子系统+岩体结构子系统→岩体结构子系统（应力场）+地下水子系统。具体内容如下：
1）用信息论的观点和方法，按照突水系统的研究目标和内容采集信息，将其用现代科学手段分析、提取和升华；
2）按照系统论的观点，系统研究突水系统各子系统及其相互作用，重点研究地下工程子系统+岩体结构子系统（应力场）+地下水子系统；
3）以地质控制论为基础理论，研究突水系统各个子系统各自本身的运动规律和相互作用：
① 用岩体力学分析原理及方法建立地质体的本构模型，采取力学分析和数值模拟方法探讨系统的整体功能，概化突水模式，揭示突水机理，判别突水可能性；
② 用岩体水力学的分析原理与方法建立地下水运动系统模型，应用耦合技术，建立流（地下水）—固耦合突水系统模型，预测突（涌）水量。
3、研究内容
按照上述目标和研究思路方法，实施了以下几方面内容的研究工作：
1）采集大量有关宏观基础信息，如地质、采矿、物探、构造，水文、气象、自然地理、工程地质、人文环境、地貌、交通位置等，进行多阶段多源信息综合集成处理；以突水为总体目标，有针对性设计研究方案，用野外调查和室内实验的方法研究岩体结构特性、地下水运动规律、原岩应力状态及变形特征；
2）总结陷落柱的外部形态和内部物质结构、分布发育规律、与构造的伴生关系、影响因素及分类、水文地质特征、岩溶陷落柱发育基本条件等，形成具有较强说服力的陷落柱力学成因理论；
3）根据陷落柱与煤层的相对位置进行陷落柱模式概化并进行突水子模式分类，分别导出各子模式突水的力学判据，并以陷落柱突水实例分析计算验证上述突水模型的正确性和实际应用的可能性；
4）以力学分析为基础，数值模拟为依据，总结采动影响下的岩体应力场及变形特征和破坏形式，分别针对不同突水子模式分析相应的突水力学机理，改变前人用一种统一突水机理涵盖解释所有不同形式的陷落柱突水；
5）按照系统论的观点，岩溶陷落柱作为矿井地下水广义三重介质渗流系统的一类介质，自身又构成了独特的岩溶陷落柱水文地质子系统，其中灰岩地下水是其补给源，柱体本身是径流通道，井巷或采煤工作面是其排泄点。通过导水性分类概化陷落柱为垂向管道、主干裂隙或垂向越流介质、隔水体或对含水层无扰动介质，建立水文地质模型及其数学模型；
6）裂隙和岩溶岩体是煤系含水层的主要含水介质，为充分体现矿井裂隙水系统的强烈非均质性和不连续特征，主干裂隙控水且主干裂隙水流服从水流三次方定律，陷落柱等同水流管道，裂隙岩块等效多孔介质渗流介质，用水量交换耦合组成广义三重介质渗流模型；用有效应力原理反映岩体应力与岩体裂隙网络中渗透水压力之间的相互作用，将应力场和渗流场耦合，形成广义三重介质应力—渗流模型，描述在应力场作用下矿井水的运动特征、渗流场变化引起的围岩应力场变化规律，矿井地下水水量模拟与预测更符合实际。
4、研究成果
实施上述研究内容后，攻克了以下关键技术并在技术上和理论上均有所创新：
1）
在陷落柱的外部形态和内部物质结构、分布发育规律、与构造的伴生关系、影响因素及分类、水文地质特征、岩溶陷落柱发育基本条件等研究的基础上，提出了陷落柱力学成因理论，并对陷落柱主要发育在小型向斜轴部和转折端附近，陷落柱围岩小断层发育的原因做出了合理力学解释；
2）
按照系统论的观点，岩溶陷落柱作为矿井地下水广义三重介质渗流系统的一类介质，自身又构成了独特的岩溶陷落柱水文地质子系统，建立了其数学模型；
3）
根据陷落柱与煤层的相对位置总结形成薄板理论子模式、剪切破坏理论子模式、厚壁筒突水子模式和压裂突水子模式等四种不同突水子模式，分别导出各子模式突水的力学判据，并以陷落柱突水实例分析计算验证上述突水模型的正确性；
4）
以力学分析为基础，数值模拟为依据，总结采动影响下的岩体应力场及变形特征和破坏形式，提出四种不同突水子模式相应的四种突水力学机理：薄板理论的弯张破断、厚板的剪切破坏、厚壁筒的屈服破坏、水压裂破坏；
5）
在地应力场控制下的介质渗透性室内实验和野外研究的基础上，建立了广义三重介质的应力场—渗流场耦合模型模拟矿井地下水子系统，并以具体矿井为例进行了预测突（涌）水量，预测结果与矿井实际情况相当吻合。
创新点：
初步形成了陷落柱突水与否与突水量大小预测的基本理论体系，总体处于国际先进水平，成果的先进性、创新和创造性主要体现在以下几方面：
1、前人对突水研究多集中在断裂等构造突水上，其理论基础是梁或薄板理论，而本研究主要针对陷落柱突水的特殊性，以厚壁筒为其理论基础，两种机制并不矛盾互为补充，只是适用条件不同而已，是对陷落柱突水理论的发展与完善；
2、按照系统论的观点，将岩体结构、地下水、地质工程纳入到突水系统的范畴进行统一研究，系统研究突水系统各子系统及其相互作用，建立了陷落柱突水判别的力学模型与突水量预测的数学模型，在预测的量化上有所创新；
3、以陷落柱和厚壁筒完全吻合为基础，数值模拟为依据，分别针对不同情况提出不同的突水力学机理，完全不同于目前多数学者将所有陷落柱突水归纳为统一一种突水机理，对于断层或者其他构造的突水机理研究具有重要的指导示范作用；
4、宏观尺度下应力场与富水性、渗透方向性的一致性，微观地质小尺度下岩石三重孔隙介质（基质孔隙、裂缝孔隙和管道状孔隙）的孔隙度和渗透率是有效应力的函数，这些结论对广义三重孔隙介质渗流—应力耦合模型参数的量化极其重要，但前人研究深度不够。
应用情况：
在煤矿的几大主要灾害中，矿井水害是经济损失最大的灾害之一。陷落柱属于隐伏垂向构造，广泛分布于华北型煤田，其导致的突水具有隐蔽性、突发性且导通丰富岩溶地下水等特点，解放后由陷落柱引起的矿井突水淹井重大事故8起，小型突水几百起，均造成较大经济损失和人员伤亡。随着开采深度和强度的增加，陷落柱导致的水害问题更加突出。因此建立灾害致因理论、突水模式及力学模型、突水量预测理论和模型的基本理论体系对于预测陷落柱突水与否、突水量大小具有一定的理论意义和实际价值。
目前开滦、晋城、郑州等矿区已经应用本研究成果，实现产值近两亿元，人员伤亡以及国家财产损失减少所带来的经济效益和社会价值更是无法用金钱衡量的。本项目虽然是以华北型煤田为研究对象，但是对条件类似的其他煤田也有一定的借鉴作用。只要条件稍加修正，本项目的思想方法和理论即可在华南或者其他煤田、冶金矿山、交通、建筑等行业的地下工程中。在目前已有研究的基础上，如果能够加强理论与实践的结合，使理论在实践中不断完善，实践在理论指导下行之有效，那么项目成果的理论价值和应用前景将更大。
