矿山动力灾害预报论文参考文献

预测预报技术概述

我国的矿产资源十分丰富，在地下资源开采过程中经常发生重大的动力灾害事故，有煤与瓦斯突出冲击矿压（岩爆、矿震）等，而且该问题随着采掘深度的不断延伸和开采规模的不断扩大日益严重，造成了大量的人员伤亡和财产损失，严重威胁着矿井安全生产。由于煤与瓦斯突出或冲击矿压能在一瞬间向采掘工作面空间喷出巨量煤与瓦斯流，不仅严重地摧毁巷道设施，毁坏通风系统，而且使附近区域的井巷全部充满瓦斯与煤粉，造成瓦斯窒息以至煤流埋人，甚至还会造成煤尘与瓦斯爆炸等严重后果，因此，致力于煤与瓦斯突出等煤岩灾害动力现象产生的机制、预测预报以及预处理的理论和方法的研究（特别是预测预报的研究）就十分重要了。

据统计，在全国595处国有重点煤矿中，有高瓦斯突出矿井347处，冲击矿压矿井120余处。针对我国严重的含瓦斯煤岩动力灾害，我们应该结合前人研究成果和其他动力灾害预测的新理论、新方法深入研究煤岩动力灾害的预测预报新技术和方法。

煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害预测的目的和意义在于：为采取合理有效的防突措施提供科学依据，减少防突工程量与时间，保证采掘生产的正常进行，保障井下生命和财产安全。煤与瓦斯突出预测的基础是人们对突出过程及其影响因素的认识。在对煤与瓦斯突出进行研究的一个多世纪中，各国的研究者经过不懈的努力，提出了各种各样的突出预测方法。从突出预测的范围与时间上来分，大致可分为两类：区域预测和局部预测。区域预测又称为长期预测，任务是确定矿井、煤层以及煤层区域的危险性；后者的任务是在前者的基础上，及时预测局部地点即采掘工作面的突出危险性，这种预测又可称为日常预测或工作面预测。根据突出预测过程及其连续性日常预测又可分为钻孔指标法和连续动态两类预测方法。

下面主要对煤与瓦斯突出、冲击矿压等矿山煤岩动力灾害预测预报技术进行介绍。

（1）指标（静态）预测法［26～27］

指标预测是通过钻孔获得一些反映工作面前方瓦斯突出危险性的量化指标来预测突出的危险性。预测时主要考察其中的单个或多个指标是否超过临界值。目前较多采用的指标有钻屑量S，钻孔瓦斯涌出初速度q，钻屑瓦斯解吸指标K1和Δh2，或这些指标的组合。通常，它们是通过钻孔获得的，具有分散和不连续的特点。

钻屑量是反应地应力大小的一个有效指标，首先由德国学者Noack等（1983）提出并得到了广泛的应用。在采掘工作面打预测钻孔，每钻进1 m测量钻屑量，其最大值超过临界值时具有突出危险性。煤炭科学研究总院重庆分院在南桐和梅田对煤巷进行了试验，认为钻粉量为正常量的3倍时最易倾出或压出，如果瓦斯压力大就会发生较大的突出。

钻孔瓦斯涌出初速度法是前苏联运用最广泛的日常预测法，已被列入前苏联的相关著作《煤、岩石和瓦斯有突出倾向煤层安全采掘规程》中。钻孔瓦斯涌出初速度被认为是一个反映煤体物理力学性质、煤层瓦斯和煤层应力状态的综合指标，已被列入我国防治煤与瓦斯突出细则。

当前所采用的钻孔（指标）预测方法都是通过钻孔来实现的，是目前我国采用的主要预测方法，对煤与瓦斯突出预测做出了重要的贡献。但是，该方法存在以下缺点：①打钻以及参数测定操作时间长；②工程量通常很大；③预测时间长；④对生产会造成一定影响；⑤费用高；⑥在钻孔附近取得的预测结果仅仅是局部的，并不能完全代表整个预测步长范围内的突出危险性，在预测时刻取得的结果也只是分散的、不连续的，并不能完全代表煤体稳定前整个时期的突出危险性，因为煤体处于动态变化之中，延期突出就是例证。

（2）动态（连续）预测法［28～38］

由于指标（静态）方法的一系列缺点，因此，动态连续预测的研究正日益引起人们的重视。目前，突出的连续预测有以下几种方法：①声发射监测技术；②利用环境监测系统连续监测工作面的瓦斯涌出变化特征，通过分析涌出与突出的关系来预测突出；③目前正在广泛开展的电磁辐射预测方法。

根据瓦斯涌出量预测突出的指标有德国学者提出的V30指标。V30是掘进工作面放炮后30 min内瓦斯涌出量与落煤量的比值。苏文叔根据国内外的研究，综合分析认为，V30与瓦斯涌出变动系数Kv两指标分别反映了工作面单位落煤量、瓦斯涌出量的上升幅值和工作面瓦斯涌出量增大、减小的变化幅度，它们与工作面前方的突出危险性密切相关，可作为瓦斯涌出动态预测法的两项主要指标，用Kv预测延期突出将是一个有希望的技术途径。刘明举则根据工作面瓦斯涌出特征，利用模式识别技术对基于环境监测系统的突出预测系统进行了初步研究，认为，在现有环境监测系统的基础上考虑工作面瓦斯涌出特征，利用计算模式识别技术研究非接触式煤与瓦斯突出预测系统是可行的。

煤岩变形破坏就是煤岩内部裂隙的产生、发展以及汇合贯通的结果。因此，从煤岩受力破坏的物理力学过程出发，研究煤岩变形破坏这一不可逆的能量耗散过程，以便进一步认识动力灾害发生机理，从而出现了可以表征煤岩动态破坏的综合指标方法——地球物理方法，如声发射和电磁辐射方法就是两种有效的地球物理方法。

在国外，利用声发射对前苏联顿巴斯煤田、英国的南威尔士煤矿以及德国、日本和波兰等国家的煤与瓦斯突出预测进行了许多研究。前苏联用记录声噪脉冲数的方法预报煤与瓦斯突出并在顿巴斯煤田进行了推广应用。研究表明，裂隙的产生和扩展都将以弹性波的形式产生能量辐射——声发射。早在20世纪40年代初，美国就利用声发射技术监测金属矿井的岩爆。加拿大研究人员研究了多种声发射监测系统，用于岩爆预测。

在我国，此方面的研究起步较晚。王建军就岩石声发射活动kaiser效应的影响因素及其在地应力测量中的应用进行了研究，以及张宝生就煤岩破裂声发射的特性进行了研究。万志军及周楚良将岩石裂纹产生时的声发射源简化为振弦的振动，得到了声发射频率与裂纹长度、声发射振幅与裂纹宽度之间的关系。我国平顶山矿务局从俄罗斯引进了声发射监测系统，并用于煤与瓦斯突出预报试验研究。声发射方法虽然能够较连续有效地评估煤层边缘的突出危险性，但也存在以下问题：一是仪器结构复杂，信号接收和转换也较复杂；二是压电传感器必须与煤岩壁面良好耦合，这在实际操作过程中是很难控制的。随着突出机理的深入研究，大容量、高速度计算机系统的引入和声接收技术的发展，用声发射技术进行突出预测可望获得突破。

此外，利用神经网络技术以及动力灾害过程中的热效应来进行预测等方面的研究也取得了一定的进展。

煤岩动力灾害电磁辐射预测技术［39～53］

与声发射法相比，利用煤岩变形及破裂过程中产生的电磁辐射预测煤与瓦斯突出等动力灾害现象的电磁辐射法有许多优点：可实现真正的无接触，有效信息的接收、传输等比较简单，且易于实现定向接收；信息较声发射丰富，即使在煤体流变过程（缓慢变形过程）中也有信号产生；大大减少了工作量，不受人工等外界干扰（对于井下机电设备等电磁干扰，则可采取屏蔽或定向接收来排除），可实现连续监测及预报，又能检验防突措施的效果。

目前国内外用电磁辐射方法预测预报矿山煤岩动力灾害现象的研究掀起了高潮。Airuni等研究了煤在外力作用下会伴随有电磁辐射产生。Poturayev等描述了岩石受压下电磁辐射和声发射的研究，它们的联合使用提供了煤岩应力状态的定量测定，使研究地球力学过程和提高岩石监测成为可能；测定和记录了煤、粘土岩、砂岩、花岗岩、石英岩和石灰岩等岩石变形和裂隙扩展形成的电磁辐射和声发射，结果显示利用声发射和电磁辐射的联合特征来监测邻近工作面易突出煤层的应力状态是可能的。Afanasenko等测定了盐矿开采期间天然和工业产生的电磁场，结果表明，从盐层产生的电磁辐射可以用来评价冲击灾害现象。Frid等则在现场研究了煤的物理力学状态（水分含量、孔结构等）、瓦斯对工作面电磁辐射强度的影响，还用谐振频率为100 kHz的天线测定了例如在各种采煤工作面条件下的天然电磁辐射，并用电磁辐射脉冲数指标确定了工作面前方岩石突出的危险程度。中国矿业大学利用电磁辐射监测技术对煤与瓦斯突出、冲击矿压等煤岩动力灾害现象进行预测预报研究已步入国际先进行列。如何学秋等分析了煤与瓦斯突出过程中的能量耗散，提出了电磁辐射是很有前途的非接触预测方法，还研究了煤岩破裂过程中电磁辐射信号的时间序列符合赫斯特统计规律，说明受载煤岩在变形破裂过程中，电磁辐射信号基本呈现逐渐增加的趋势，这对于预测预报煤岩动力灾害现象具有重要意义。何学秋、王恩元等还分析了煤岩体破裂过程中电磁辐射的特征，并列举分析了电磁辐射方法预测预报煤岩动力灾害现象的原理和技术。何学秋、王恩元、窦林名、聂百胜等利用电磁辐射技术对巷道稳定性进行了监测和评价，显示了电磁辐射监测技术在隧道稳定性监测方面的应用前景。

电磁辐射技术还可以对混凝土、岩石材料的变形破裂过程进行识别和监测，对于研究材料的断裂机理具有重要意义。电磁辐射监测技术是一种真正的非接触方法，随着电磁辐射动力灾害的判别方法及技术的日益完善和发展，必将显示出巨大的科学价值和应用前景。

但是，非接触连续预测煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害现象的研究还是很初步的，试验数据还不多，需要做更进一步的研究。

深埋隧道工程的灾害地质问题论文

摘要 ：在进行深埋隧道工程施工过程中，由于洞程较长，洞深埋设较大，地质条件较复杂，在施工时，如果处理措施不当会出现高地温、岩爆、高压涌水等问题。鉴于此，以实际工程为例，对深埋隧道工程主要存在的灾害地质问题进行了分析和探讨，保证了施工的顺利进行，以期为类似工程提供参考与借鉴。

关键词 ：深埋隧道工程；灾害地质；高压涌水

1工程概况

太行山高速公路邯郸东坡隧道位于武安市岭底村南、七水岭村东、涉县东坡村东北处。隧道为分离式特长隧道，隧道工程总施工长度为3134m。左幅为ZK38+624~ZK41+740，长3116；右幅为K38+642~K41+776。最大埋深为176m。本文以此工程为例，对深埋隧道工程主要灾害地质问题进行分析和探讨。

2深埋隧道中的高地温难题

深埋地下隧道的工程中，地质问题是需要进行探索和研究的关键领域，最先要通过预测天然地温，一旦地温超过30℃一般将其称之为高地温。高地温不仅会恶化深埋隧道作业的环境，还会严重降低工人的劳动生产率，甚至会对现场施工人员的生命造成极大危害。此外，对深埋隧道施工材料选取的难度也相应增加[1]。然而，地温值是随着地下工程埋深在不断变化的，但地下工程的最大埋深和地温值的增加关系不是呈线性的，因为造成这种深埋隧道中的高地温问题的原因主要是地下水活动以及近期岩浆活动中放射性生热元素含量较高等。

3深埋隧道与岩爆的高地应力问题

在深埋地下隧道的工程中，其中一个突出的地质难题就是岩爆问题。地下隧道工程埋得越深，其地应力就会越高。深埋隧道工程和近地表工程的不同之处除了具有较高的水平构造应力外，最主要取决于围岩出现的高地应力。它不仅在硐侧壁引起高压应力，还导致硐顶部出现高拉应力，这样会导致硐室围岩不稳定，埋下隐患。由于高地应力的存在，一些黏性土含量较高，而硬岩含量较低的围岩就会产生被塑性挤出的可能。高地应力不断释放，地下隧洞就会发生变形，往往会出现隧洞短时间内突然变小的异常现象。就好比从掌子面距离正洞30m开始，洞身变形的长度有40m，起初的支架保护结构破坏就会非常严重，通过测量计算，隧洞拱顶的下沉在10~20cm之间，隧洞的拱脚和边墙也出现不同程度的挤压和移位，甚至还有混凝土开裂的情况[2]。这时就需设计一套科学有效、刚柔结合、综合治理的施工方案。为克制高地应力，考虑使用约1万根超长锚杆，要求总长超过11×104m，把地下隧洞中的断面改成环形成拱，做到先柔后刚、先放后抗的设计要求。岩爆受影响的原因有地震爆破，也有相邻岩爆或机械等外因动力的振动，但其中影响岩爆的最基本原因是岩石的结构特征。经过大量的数据分析发现，岩石颗粒排列呈定向排列还是随机排列，岩石是胶结连接还是结晶连接，是钙质胶结还是硅质胶结，这最终关系着岩爆烈度的强弱。例如：（1）随机排列的花岗岩、闪长岩等岩石的岩爆烈度，会比片麻岩、花岗片麻岩、糜棱岩等具有定向排列的围岩颗粒更强一些；（2）结晶连接的深层岩浆岩石中的岩爆烈度比胶结连接的沉积岩强；（3）具有硅质胶结岩石的天生桥二级水电站引水隧洞比关村坝的隧道中钙质胶结岩石的爆烈度强。

4深埋隧道中的高压涌水难题

深埋地下隧道的施工过程中，除了高地温以外，涌水问题也成为隧道运营中亟待解决的又一难题。由于地质条件复杂，隧道通过的地段会挖掘出很多水流量大的地质单元，一般就会出现涌水量大或水头压力高的情况。地下水水压在深部岩体中极高时，就会导致岩体水力劈裂。这就说明在高水头压力的作用下，在岩体的突水点附近，岩体断续裂隙、裂缝是朝着某个方向的，受网状交织的构造裂隙影响，经过融合后发生扩展的裂隙、空隙最终张裂开来。随着隧道深部岩体涌水量越来越大，地下水水压越来越高，会导致深埋隧道工程围岩水力劈裂。一旦出现水力劈裂的情况，就会迅速连通裂隙，空隙的张裂程度就会越来越大，涌水的渗透力会越来越强。再加上动水压力的影响，裂隙会再扩展，而使在裂隙面上的充填物发生剪切变形和位移。不论是在深埋隧道工程中还是在浅埋隧道中，容易发生的地质灾害主要表现为断层破碎带，岩体不整合接触面和结构不利组合段造成的塌方、地震，还有瓦斯爆炸、有害气体以及溶岩塌陷、泥屑流等[3]。其中，瓦斯爆炸主要指甲烷CH4在相对封闭的煤系构造地层中，由冲击波的产生、剧烈的氧化作用而导致的爆破，其灾害性极强。

5基岩裂隙水

基岩裂隙水的含义

只有储存在坚硬岩石裂隙中的非可溶性地下水，才被统一归纳在基岩裂隙水的`传统范畴中，根据含水介质的基础特征，可以将地下水分为空隙、裂隙、岩溶3种，但并非在地下水、岩石以及岩石中的空隙这3者之中产生对应关系。贮水空隙系统具有双重空隙介质，在地下水勘探中，关于贮水空隙类型还探索到了新的领域。基岩裂隙水主要存在于受符合地质构造条件的属坚硬或半坚硬的岩石所控制的以裂隙为主的贮水空间，是具有运动、富集规律的地下水。不管是溶蚀裂隙地下水在可溶性岩石中的部分，还是孔隙裂隙水中的半坚硬岩石，都属于基岩裂隙水，而它与其他类型地下水的基本区别，关键在于是不是受地质构造因素的严格控制。岩石含水的裂隙有成岩裂、构造裂和风化裂，主要是依照它的成因来划分的。如果非要与风化裂隙水和成岩裂隙水作比较，那么水源集中、水量较大的必定是构造裂隙。

基岩裂隙水的特点

由于主控因素作用，不同的蓄水构造中分布、富集基岩裂隙水的基本规律和决定主控的因素也基本相同，具有独特的分布和运动规律。我国基岩裂隙水富集的基本特色理论就是蓄水构造系统，其主要特点如下。（1）基岩裂隙水具有复杂多样的埋藏和分布形态。将储存、运移基岩裂隙水的空间和通道，叫做岩石裂隙。基岩裂隙的大小和基岩裂隙的形状，以及控制埋藏和分布裂隙发育带的产状，都是受地质构造、地层岩性、地貌条件等影响的。埋藏、分布不均匀的基岩裂隙水，大多具有不规则的含水层、多种多样形态、分布呈带状的特点[4]。比如用脆性和塑性这两种地层做比较，会产生较强的赋水性。若裂隙发育在褶皱构造中，像褶皱轴、转折、背斜倾伏等处，富水段的形成就会比较容易，而压性断裂破碎带中的赋水性是比较差的。（2）复杂的基岩裂隙水中，由于储存空间中不均匀的介质，埋深程度不同的同一含水层，其地下水的运动状态也各有不同。对于岩石中所要形成和分布的空隙，最基础的因素是地质构造，主要表现在：岩石裂隙的发育和裂隙水的储存都是受地质构造和地层岩性所影响，其中，基岩裂隙水的运动规律也被地质构造所牵制。由于地下水面的不同，即便是在基岩相同的裂缝水中，也是有时而出现无压水，时而出现承压水的情况[5]。层流、管道流、紊流、明渠流水是在岩石裂隙、溶洞的特殊形态作用下形成水运动的不同状态，因此，基岩裂隙水的不均一性以及强烈的方向感，是导致裂隙岩体的透水复杂多样、不具有规律性的根本原因。

6结论

在深埋地下隧道的工程中，比较突出的几大地质难题包括高地应力及岩爆问题、高压涌水突水问题、高地温问题等。此外，还有像地震震害、瓦斯有害气体爆炸以及涌水突泥、围岩塌方、岩溶塌陷、泥屑流等。于是，在这个复杂的、系统的深埋隧道工程中，关于灾害地质的研究，对隧道工程能否顺利开展是关键的一步，在隧道工程施工前应按照隧道工程的各方面具体情况，采取有效、有针对性的防御措施。

参考文献：

[1]重庆交通科研设计院.公路隧道设计规范：JTGD70—2004[S].北京：人民交通出版社，2004.

[2]上海市隧道工程轨道交通设计研究院，清华大学.隧道工程防水技术规范：CECS370—2014[S].北京：中国计划出版社，2014

[3]孙赤.锦屏二级深埋隧道大理岩段突水破坏机理研究[D].成都：成都理工大学，2014.

[4]王洪新.土压平衡盾构刀盘开口率选型及其对地层适应性研究[J].土木工程学报，2010（3）：88-92．

[5]武力，屈福政，孙伟，等.基于离散元的土压平衡盾构密封舱压力分析[J].岩土工程学报，2010，32（1）：18-23．