科Ｉ技ｆ论ｌ坛 科 地下矿突水仿真研究综述 王鹏 （西安建筑科技大学管理学院２００７级采矿工程，陕西西安７１００５５） 摘要：为了研究地下矿突水沿巷道的蔓延范围和行为特征，遏制矿井突水事故的发生，提升矿井突水事故安全管理的工作，本文介绍了突水 仿真的研究现状，并提出进一步分析研究的问题和方向。 关键词：地下矿突水；计算机仿真：研究综述 １概述 或突水过程的渗流一损伤耦合行为Ⅲ。 是根据工作面的地质水文地质条件，预测工作 矿井突水是指地下矿进行开拓和开采时， 应用传统的弹塑性理论和有限元方法，一 面有无突水发生的可能，为超前疏放水提供依 岩（煤）层上覆含水层或底板含水层的水，在水 般是分析计算弹性和塑性区，建立塑性变形和 据。这种预测通常是分采区或采场工作面进行 压、矿压等因素作用下，克服岩 某）层和含水层 渗透率的关系方程来解释渗流一应力的演化机 的，侧重于定性分析；后者在不同程度上具有定 间相对隔水层的岩体强度及断层、节理等结构 制 。上述模型通过判断塑性区或变形引起的渗 量的特点，可以预测整个矿井存在突水的地点。 面的阻力，以突然方式涌人矿井的现象。广义的 透性的改变来定义突水通道，对于破坏后水压 模型拟合法又可以分为统计模型、ＧＩＳ模型、模 矿井突水情况可归纳为两种：一种是突水量小 力的导升传递作用机制没有进行深入讨论。 糊综合评判模型等。如模糊数学方法（王树元）、 于地下矿的最大排水能力，地下水形成稳定的 基于断裂力学理论的数值分析中，一般基 灰色理论方法（钱家忠、朱学愚）、神经元网络方 降水漏斗，迫使地下矿长期大量排水；另一种是 于线弹性或非线性的断裂力学理论１３１，这种方法 法（张璨等、王连国）。此外，在突水预测预报中， 突水量超过地下矿的最大排水能力，造成矿井 假设材料是连续的，预测裂纹萌生的基础在于 还采用了“专家系统”、“神经网络”和“非线性理 淹没。矿井突水事故理解为地下矿充水水源通 将计算出的应力强度因子与岩石的断裂韧度作 论”等方法 。 过适当的导水通道，在未能预见的情况下突然 比较。它的缺点是不能预测裂纹的萌生，同时对 ３结论 涌人矿井所产生的出水事故，称为矿井突水。 于某些假定的初始裂纹、裂纹本身ｌ临界尺寸（包 目前关于突水的渗流规律、突水灾害机制 矿井突水是采矿生产中的重大灾害之一。 括过程区）、本构关系（应力与裂纹张开位移之间 仿真的仿真研究，多采用商业程序ＦＬＡＣ， 突水事故给采矿行业带来的人身伤亡和经济损 的关系）需要人为确定。目前已建立的基于断裂 ＵＤＥＣ进行仿真研究和分析。有必要使用新的 失极为惨重。在我国采矿行业重特大事故中，突 力学的数值模型有分离裂缝模￣３（ｄｉｓｅｒｅｔｅ ｃｒａｃｋ 模型与方法来从不同的角度去仿真和模拟。例 水事故在死亡人数上和发生次数上，仅次于瓦 ｍｏｄｅ１）、分布裂缝模型（ｓｍｅａｒｅｄ ｃｒａｃｋ ｍｏｄａ）和 如采用元胞自动机或者ＬＢＭ等方法，从而获得 斯事故，给国家造成的直接经济损失一直名列 内嵌单元裂缝法（ｅｌｅｍｅｎｔ—ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｃｒａｃｋ印～ 更加有效的系统参数分析数据，遏制矿井突水 首位。据统计，在过去的２Ｏ多年里，有２５０多个 ｐｒｏａｅｈ）。黄润秋等、朱珍德和胡定等、ｃ．Ｗｏｌｋ～ 事故的发生，提升矿井突水事故安全管理水平。 矿井因突水而淹没，经济损失高达３５０多亿元 ｅｒｓｄｏｆｆｅｒ和Ｒ．Ｂｏｗｅｌｌ、Ｋ．Ｎｏｇｈａｂａｉ应用断裂力学 参考文献 人民币。同时，也对矿区水资源与环境也造成巨 方法或数值模型研究隧道开挖、矿山开采、带孔 ［１］Ｑ，ＷＡＮＧ Ｍ，ｗｕ Ｘ． Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓ ｏｆ 大的破坏。特别是２０００年以来，矿井突水事故 的圆环油压胀裂等水力劈裂现象，探讨水压力 ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｂｕｒｓｔｉｎｇ ｉｎｔｏ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｓｅａＩｎ 又呈上升趋势。据不完全的资料统计显示， 对裂纹扩展的力学机制。 ｌｆｏｏｒｓ ｆｒｏｍ ｆａｕｌｔ ｚｏｎｅｓ ｆＪ１．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ２０００—２００７年，仅煤矿行业重、特大水害事故就 连续损伤力学是研究材料的结构损伤、破 ｆｏ Ｒｏｃｋ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｍｉｎｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， 发生了４７３起，死亡２６３５人；２００８年地下矿共 坏过程机制的重要工具，在岩体力学领域得到 ２００４，４１（４）：５５７－５７１． 发生重、特大突水事故３起，死亡６０多人。 应用，显示出良好发展前景。Ｐ．Ｖａｌｋｏ和Ｍ．Ｊ．Ｅ— 【２］ＷＡＮＧ Ｊ Ａ，ＰＡＲＫ Ｈ Ｄ．Ｃｏａｌ Ｉｌｉｎｇ ａｂｏｖｅ ａ 频繁发生的矿井突水事故不仅造成地下 ｃｏｎｏｍｉｄｅ用Ｋａｃｈａｎｏｖ和Ｐｅ￣ｍｓ—Ｋｅｒｎ—Ｎｏｒｄ～ ｃｏｎｆｉｎｅｄ ａｑｕｉｆｅｒ［Ｊ１．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ 矿人员的死亡，也严重影响采矿企业的正常生 ｇｒｅｎ损伤模型模拟分析水压致裂作用下岩石的 Ｒｏｃｋ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｍｉｎｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，２００３，４０ 产。一旦发生突水事故，即使不造成淹井和伤亡 损伤和开裂过程。杨延毅和周维垣、朱珍德和孙 （４）；５３７－５５１． 事故，也可能造成井下机械设备的严重损坏，迫 钧、郑少河和朱维申建立了裂隙岩体渗流场与 【３］ＣＨＡＲＬＥＺ Ｐ Ａ． Ｒｏｃｋ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａＩ： 使停产从而造成巨大的经济损失。 损伤场耦合分析模型Ｈ，并成功应用边坡渗流破 ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ） ＩＭ】．Ｐａｒｉｓ：Ｔ￣ｈｎｉｃａｌ ２国内外研究现状 坏、矿井突水灾害机制模拟。 Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒ，１９９１． 对矿井突水事故仿真的研究，国内外的地 此外，Ｌ“等用Ｐａｒｔｉｃｌｅ模型耦合渗流匪 【４】杨延毅，周维垣．裂隙岩体的渗流一损伤耦合 质、力学、采矿等学者从各自不同的角度，在矿 力研究水压致裂过程。上述模型实际上是一种 分析模型及其工程应用［Ｊ１．水力学报，１９９１，（５）； 井突水的构造地质、水文地质特征及条件、采动 细观力学模型，该模型的主要优点是它们具有 １９－２７． 岩体裂隙演化与突水通道形成机理、采动岩体 描述细观结构微裂纹的力学特性的能力，能把 【５】王秀辉．采煤工作面底板突水预报的多参数 渗流规律与突变机理、突水预测及监测、突水控 岩石宏观力学行为和裂纹发展的微结构机制相 测试方法【ＪＪ．煤田地质与勘探，１９９８，２６（Ａ００）： 制等方面进行了有益的探索，取得了一定的进 联系。 ３６—３９ 展和成效；但在突水事故仿真与分析，矿井突水 ２．２矿井突水预测理论与方法研究 陕西省教育厅专项基金项目（编号： 的控制和预测、合理的应急策略的制定等方面 ２Ｏ世纪５Ｏ年代我国科研工作者引入了前 ０９ＪＫ５２４） 还需进一步的研究。 苏联的斯列萨烈夫理论进行突水预测；２０世纪 ２．Ｉ关于突水方面的仿真研究 ６Ｏ年代我国科研工作者们总结了大量突水案 目前多采用数值模拟方法。随着计算机技 例，提出了“突水系数”的概念；２０世纪７Ｏ年 术的发展，数值模拟方法在岩石渗流力学领域 代，煤科总院西安分院借鉴匈牙利的经验，考虑 中得到了越来越广泛的应用，由此也产生了许 了矿压对底板破坏作用，对突水系数公式进行 多数值计算方法。数值模拟方法可以综合考虑 了修正。长期以来，上述两种方法在我国的矿井 多方面因素，而且其计算 果直观、可视化。针 防治水方面发挥了重要的作用；２０世纪８Ｏ年 对突水的渗流一损伤耦合作用机制，一般需要 代以后，随着一些新理论、新观念的引入，国内 在ＦＬＡＣ，ＵＤＥＣ等商业程序或者基于弹塑性力 对突水预测预报的研究出现了异乎寻常的繁 学、断裂力学和损伤力学理论的数值模型中引 荣，许多新理论、新方法开始应用于矿井突水预 人介质断裂、损伤判断准则，嵌人描述介质破坏 测。目前应用较多的突水预测方法大体上可分 膨胀区渗透性一损伤演化方程，研究水力劈裂 为两类，即条件分析法和模型拟合法。前者主要 一３一
