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[摘 要]水害是煤矿五大灾害之一，通过对宝鼎矿区矿井充水因素研究分析，建立上覆岩破坏区的力学判据和上覆岩体渗流失稳判据的FLAC数学模型；以透水因子作为判定保护煤柱是否发生透水的判定准则，结合室内渗流试验的数据分析，分析总结出宝鼎矿区煤层透水机理，用以指导安全生产。
[关键词]水害；机理；判据；准则
中图分类号：TV45.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）27-0021-01
1、宝鼎矿区水害状况
宝鼎矿区属于水文地质条件中等的矿井，但建矿至今，据不完全统计，共发生水害事故16起，死亡18人，受伤45人，直接积极损失达数亿元，给家庭、社会造成巨大损失。
2、宝鼎矿区水害分析
2.1 矿区充水水源
宝鼎矿区的充水水源主要来自大气降水、地表水与老空区积水，各充水含水层虽然富水性与补给条件有限，但在采动影响下，与其它水源发生水力联系，也会对矿井生产构成威胁。攀枝花地区大气降水集中，是矿井充水的主要因素之一。
2.2 矿区充水通道
（1）人为形成的裂隙或勘探通道；（2）采空区；（3）构造通道。
2.3 矿区水害特征
根据对宝鼎矿区范围内水害事故的分析，并结合矿井具体的充水因素分析，矿井水害事故以老空区透水为主，16起有记录的水害事故中，与老空水有关的占14起。但大气降水、地表水、顶板裂隙带以及构造破碎等均有可能引发透水事故。
3、矿区水害发生机理
3.1 矿区煤层顶板透水机理分析
由于开采，煤层顶板原来的平衡状态被破坏。含水层中水压的作用，使得顶板发生弯曲变形，造成部分区域材料破裂和破碎。破裂区和破碎区的隔水性能远比弹性区和塑性区差。随着时间的推移，破碎区和（或）破裂区向上发展，最终发展到含水层，形成导水通道。这样，含水层中的水涌入采空区，可能引发透水灾害。
运用时变边界系统动力学的观点，对顶板透水机理可做如下解释：
煤层开采使得顶板产生自由边界，从而使得顶板原有平衡遭到破坏。由于顶板变形-渗流耦合作用，在煤层顶板先后出现塑性区、破裂区和破碎区，并且弹性区、塑性区、破裂区和破碎区之间的界面随时间变化。当破碎区发展到含水层时，形成导水通道，水将从含水层涌向采空区，引发透水灾害。
3.2 覆岩破坏区的力学判据
岩石材料中包含有大量的微裂纹和微孔洞。其破坏主要是由于这些微裂纹或孔洞在局部拉应力作用下产生扩展、联合的结果。
煤层开采后，上覆岩层自上而下可以分为5个区：（1）弹性区；（2）塑性变形区；（3）拉张裂隙区；（4）拉张破坏区；（5）局部拉张区。
3.3 上覆层状岩体渗流失稳判据
为解释煤矿围岩透水机理，国内学者提出了许多理论和模型，具有代表性的理论有“零位破坏与原位张裂”理论、“强渗通道”理论、“巖-水应力关系”理论、“三下带”理论、关键层理论；具有代表性的模型有基于物探的底板透水模型、基于GIS的透水模型、底板损伤透水模型、尖点突变模型和层状岩体非稳态非Darcy渗流模型。
层状岩体非稳态非Darcy渗流模型认为岩层的渗透特性随岩层应变而变化，当渗透特性变化到一定程度时，渗流系统可能失稳而引发透水。
3.4 老空区隔离煤柱透水因子识别
将老空区隔离煤柱看成是由水平煤层组成，通过FLAC有限元数值计算模型可以看出，三个隔离煤柱均可看作由4个水平煤层组成，由数值计算的结果，可以提取出隔离煤柱在不同水平的应力大小σx与σy，结合室内煤岩渗透特性试验得到的关于煤岩非Darcy流特性相关参数，计算煤层（岩层）的透水因子来判断该煤层（岩层）透水的可能性。
老空区底板隔离煤柱高度均为12m，根据FLAC2D建立的数值计算模型，该隔离煤柱的网格划分，1#、3#和5#煤层均由四个水平的煤层组成，各个煤层的应力及应变由数值计算结果，，结合室内渗流试验的结果即可得到的渗透特性参数，得出各煤层应力与相应的渗透特性参数见表1。
1）隔离煤柱透水因子计算及分析
通过进行老空区底板各个隔离煤柱的透水因子的计算，得到：1#、3#和5#煤层隔离煤柱的透水因子分别为1.50、1.24和0.92，则可判定1#和3#煤层隔离煤柱渗流均不稳定的，发生透水的可能性较大，而5#煤层隔离煤柱的透水因子为0.92，因此，5#煤层隔离煤柱较1#和3#煤层隔水煤柱稳定。5#煤层隔离煤柱渗流均基本稳定，发生透水的可能性较小。
2）小结
通过对煤层顶板的透水机理研究，结合室内渗流试验，以透水因子作为判定保护煤柱是否发生透水的判定准则，现得出以下结论：
（1）从FLAC数值计算结果中的塑性区分布情况来看，1#、3#和5#煤层隔离煤柱在各煤层回采过程中，整体都处于拉伸破坏和剪切破坏状态下，由此可以判断各煤层的隔离煤柱均发生破坏。
（2）1#、3#煤层隔离煤柱的透水因子分别为1.50、1.24，说明1#、3#煤层隔离煤柱渗流均不稳定，发生透水的可能性较大。5#煤层隔离煤柱的透水因子为0.92<1，5#煤层隔离煤柱渗流均基本稳定，发生透水的可能性较小。
4、结论
（1）宝鼎矿区以上小煤矿（老窑）易成为降水及地表水透（溃、突）入下部国有大矿的进水部位和过水通道，小窑隐患明显，水患危险性较大。
（2）宝鼎矿区地质构造复杂程度属中等～复杂类型。在矿区内仅在向斜转折端褶曲发育部位及断层带附近裂隙相对发育，易形成地下水的富集。矿区主要充水水源为大气降水、地表水、含水层水和老空区积水，通过各种成因裂隙形成的通道进入矿井。小宝鼎煤矿水文地质类型为简单，花山煤矿、太平煤矿和大宝顶煤矿水文地质类型为中等。
（3）小煤矿采空区积水主要来自大气降水或煤层顶板含水层水，补给通道主要是煤层采后形成的顶板裂隙带，断层构造或背斜（向斜）轴部的裂隙也可能成为充水通道。
[关键词]水害；机理；判据；准则
中图分类号：TV45.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）27-0021-01
1、宝鼎矿区水害状况
宝鼎矿区属于水文地质条件中等的矿井，但建矿至今，据不完全统计，共发生水害事故16起，死亡18人，受伤45人，直接积极损失达数亿元，给家庭、社会造成巨大损失。
2、宝鼎矿区水害分析
2.1 矿区充水水源
宝鼎矿区的充水水源主要来自大气降水、地表水与老空区积水，各充水含水层虽然富水性与补给条件有限，但在采动影响下，与其它水源发生水力联系，也会对矿井生产构成威胁。攀枝花地区大气降水集中，是矿井充水的主要因素之一。
2.2 矿区充水通道
（1）人为形成的裂隙或勘探通道；（2）采空区；（3）构造通道。
2.3 矿区水害特征
根据对宝鼎矿区范围内水害事故的分析，并结合矿井具体的充水因素分析，矿井水害事故以老空区透水为主，16起有记录的水害事故中，与老空水有关的占14起。但大气降水、地表水、顶板裂隙带以及构造破碎等均有可能引发透水事故。
3、矿区水害发生机理
3.1 矿区煤层顶板透水机理分析
由于开采，煤层顶板原来的平衡状态被破坏。含水层中水压的作用，使得顶板发生弯曲变形，造成部分区域材料破裂和破碎。破裂区和破碎区的隔水性能远比弹性区和塑性区差。随着时间的推移，破碎区和（或）破裂区向上发展，最终发展到含水层，形成导水通道。这样，含水层中的水涌入采空区，可能引发透水灾害。
运用时变边界系统动力学的观点，对顶板透水机理可做如下解释：
煤层开采使得顶板产生自由边界，从而使得顶板原有平衡遭到破坏。由于顶板变形-渗流耦合作用，在煤层顶板先后出现塑性区、破裂区和破碎区，并且弹性区、塑性区、破裂区和破碎区之间的界面随时间变化。当破碎区发展到含水层时，形成导水通道，水将从含水层涌向采空区，引发透水灾害。
3.2 覆岩破坏区的力学判据
岩石材料中包含有大量的微裂纹和微孔洞。其破坏主要是由于这些微裂纹或孔洞在局部拉应力作用下产生扩展、联合的结果。
煤层开采后，上覆岩层自上而下可以分为5个区：（1）弹性区；（2）塑性变形区；（3）拉张裂隙区；（4）拉张破坏区；（5）局部拉张区。
3.3 上覆层状岩体渗流失稳判据
为解释煤矿围岩透水机理，国内学者提出了许多理论和模型，具有代表性的理论有“零位破坏与原位张裂”理论、“强渗通道”理论、“巖-水应力关系”理论、“三下带”理论、关键层理论；具有代表性的模型有基于物探的底板透水模型、基于GIS的透水模型、底板损伤透水模型、尖点突变模型和层状岩体非稳态非Darcy渗流模型。
层状岩体非稳态非Darcy渗流模型认为岩层的渗透特性随岩层应变而变化，当渗透特性变化到一定程度时，渗流系统可能失稳而引发透水。
3.4 老空区隔离煤柱透水因子识别
将老空区隔离煤柱看成是由水平煤层组成，通过FLAC有限元数值计算模型可以看出，三个隔离煤柱均可看作由4个水平煤层组成，由数值计算的结果，可以提取出隔离煤柱在不同水平的应力大小σx与σy，结合室内煤岩渗透特性试验得到的关于煤岩非Darcy流特性相关参数，计算煤层（岩层）的透水因子来判断该煤层（岩层）透水的可能性。
老空区底板隔离煤柱高度均为12m，根据FLAC2D建立的数值计算模型，该隔离煤柱的网格划分，1#、3#和5#煤层均由四个水平的煤层组成，各个煤层的应力及应变由数值计算结果，，结合室内渗流试验的结果即可得到的渗透特性参数，得出各煤层应力与相应的渗透特性参数见表1。
1）隔离煤柱透水因子计算及分析
通过进行老空区底板各个隔离煤柱的透水因子的计算，得到：1#、3#和5#煤层隔离煤柱的透水因子分别为1.50、1.24和0.92，则可判定1#和3#煤层隔离煤柱渗流均不稳定的，发生透水的可能性较大，而5#煤层隔离煤柱的透水因子为0.92，因此，5#煤层隔离煤柱较1#和3#煤层隔水煤柱稳定。5#煤层隔离煤柱渗流均基本稳定，发生透水的可能性较小。
2）小结
通过对煤层顶板的透水机理研究，结合室内渗流试验，以透水因子作为判定保护煤柱是否发生透水的判定准则，现得出以下结论：
（1）从FLAC数值计算结果中的塑性区分布情况来看，1#、3#和5#煤层隔离煤柱在各煤层回采过程中，整体都处于拉伸破坏和剪切破坏状态下，由此可以判断各煤层的隔离煤柱均发生破坏。
（2）1#、3#煤层隔离煤柱的透水因子分别为1.50、1.24，说明1#、3#煤层隔离煤柱渗流均不稳定，发生透水的可能性较大。5#煤层隔离煤柱的透水因子为0.92<1，5#煤层隔离煤柱渗流均基本稳定，发生透水的可能性较小。
4、结论
（1）宝鼎矿区以上小煤矿（老窑）易成为降水及地表水透（溃、突）入下部国有大矿的进水部位和过水通道，小窑隐患明显，水患危险性较大。
（2）宝鼎矿区地质构造复杂程度属中等～复杂类型。在矿区内仅在向斜转折端褶曲发育部位及断层带附近裂隙相对发育，易形成地下水的富集。矿区主要充水水源为大气降水、地表水、含水层水和老空区积水，通过各种成因裂隙形成的通道进入矿井。小宝鼎煤矿水文地质类型为简单，花山煤矿、太平煤矿和大宝顶煤矿水文地质类型为中等。
（3）小煤矿采空区积水主要来自大气降水或煤层顶板含水层水，补给通道主要是煤层采后形成的顶板裂隙带，断层构造或背斜（向斜）轴部的裂隙也可能成为充水通道。