突水特征 篇1
矿井突水是煤矿重大灾害之一,严重威胁煤矿生产安全。据统计,中国现有煤矿中半数以上有突水危险,并且随着开采深度的不断增加,地质条件越来越复杂,突水危险越来越大。很多学者对矿井突水机理进行了研究,提出很多具有参考价值的矿井突水理论及突水防治方法[1,2,3,4,5]。但煤矿地质水文条件复杂,为矿井突水防治工作带来很大困难,因此有必要研究矿井突水监测方法。
一些发达国家煤层赋存条件相比中国好很多, 且其对地下水保护比较严格,一旦发生矿井突水,大多会停止开采,甚至直接关闭矿井以保护水资源,因此,发达国家对矿井水害的防治技术研究较少。中国工程应用中对水害大多采用静态或半动态监测方法[6,7,8],在矿井突水监测及预测准确率与实时监测方面有待深入研究。近年来,电磁辐射、声发射和表面电位探测技术逐渐被引进且应用到矿井煤岩动力灾害的预测预报中,如参考文献[9-11]提出的电磁辐射技术已广泛应用于煤岩动力灾害预测。矿井突水灾害也是一种煤岩动力灾害,是掘进或采矿过程中当巷道揭穿导水断裂带、富水溶洞、积水老空,大量地下水突然涌入井巷的现象。突水过程中伴随着煤岩体的破裂与地下水的流动,会产生电磁辐射、声发射与表面电位信号变化。深入研究这些信号的变化规律,对揭示矿井突水机理、监测预警突水灾害具有理论与实际意义。
本文在前人研究基础上,建立矿井突水相似模型,研究突水演化过程中的电磁辐射、声发射和表面电位信号变化特征,揭示矿井突水过程中的电磁辐射、声发射和表面电位信号的前兆规律,以促进矿井突水监测预警技术的发展。
1实验设备与模型
矿井突水相似模拟实验系统由加载系统、声电采集系统、数据处理系统及电磁屏蔽系统组成,如图1所示。加载系统采用新SANS伺服实验机。声电采集系统采用AE-04声发射系统、AE-WIN电磁辐射采集系统和LB-Ⅳ型多通道电位数据采集系统。数据处理系统采用AEwin for PCI-2软件进行声电信号处理。电磁屏蔽系统采用AFGP-II型电磁屏蔽室。
实验系统中,试样模型尺寸为18cm×25cm× 30cm。试样模型共5层 ,每层均按 照相似理 论[12]浇制而成,从上到下依次表示砂岩、泥岩、煤层、砂质泥岩、粉砂岩,如图2所示。模型制作材料为细砂、 石灰、石膏,岩层参数及材料配比见表1。
1-加载系统;2-绝缘垫块;3-电磁辐射圆筒天线;4-试样; 5-电位片;6-声发射接收器;7-屏蔽网;8-前置放大器; 9-声电采集系统;10-导水管;11-水泵
1-砂岩;2-泥岩;3-煤层;4-砂质泥岩;5-粉砂岩;6-导水管
模型建立后,在煤层中施工1个直径约4cm的直墙半圆拱形孔洞,贯穿整层,模拟煤层中的巷道。 在模型底部中心位置 打孔,孔深约10cm,直径为0.5cm,将注水管埋入孔内,并用强力防水胶封孔。
2实验结果与分析
首先对相似模 型采用力 控加载,加载速度 为3.5kPa/s,加载至3.5 MPa时保持压力恒定,用以模拟地应力。然后利用智能加压水泵施加水压,水压加载速度为10kPa/s,直到模型被压裂(此时水压约为2.8MPa),发生突水。实验过程中记录电磁辐射、声发射与表面电位信号,之后对信号特征进行分析。
2.1电磁辐射信号特征
突水演化过程中,电磁辐射信号变化如图3所示。可看出电磁辐射信号总体呈现初期平稳、中期增大、后期迅速 降低的变 化特征。从实验开 始到205s,电磁辐射信号较小,这与岩石损伤程度较低有关。205s时,电磁辐射信号突然增加到1 200aJ左右,表明岩层 产生了破 裂,微裂缝开 始扩展。 205~260s,电磁辐射信号缓慢增大,最终到达峰值1 800aJ。此时模拟地应力保持不变,表明电磁辐射信号的产生来源于裂纹扩展过程。260~280s,电磁辐射信号有所减小,表明煤岩体内电磁辐射信号的传播受到了水的影响。电磁辐射信号在260s时开始减小,这出现在煤层突水之前。从280s开始, 煤岩体导水通道形成,开始大规模突水,电磁辐射信号迅速减小,330s后稳定到50aJ左右。
煤层底板突水是底板在承压水与采动应力影响下,水在裂隙中流动,最终形成导水通道的过程。电磁辐射信号的产生主要受压电效应与煤岩体微元摩擦错动的影响,水的电阻率比岩层低得多,电磁辐射信号在水中传播时,受其影响而强度减弱。岩体的损伤破裂能增大电磁辐射信号,而水会影响电磁辐射信号的传播,水量越多,对电磁辐射信号传播的影响越大。随着裂纹的扩展,进入煤岩体内部的水量逐渐增加,水对电磁辐射信号传播的影响增强,使电磁辐射信号增大的速度逐渐降低。突水演化过程中电磁辐射信号变化规律表明,电磁辐射信号的突然减小可看作煤层突水的一个征兆。
2.2声发射信号特征
突水演化过程中声发射信号变化如图4所示。 可看出声发射信号总体呈现初期平稳、中期缓慢上升、后期快速升高 的趋势。在205s之前,水压不足,声发射信号比较稳定。205s时,声发射信号幅值突然增大至55dB,然后快速降至43dB,表明此时岩体内部出现一次较大破裂,可能是岩石的非均质性造成的。此后约40s内声发射信号有小幅波动,表明煤岩体内部裂隙在缓慢扩展。260~335s, 声发射信号总体呈增大趋势,表明裂缝在形成与扩展。280s时,声发射信号突然增大,此时突水通道贯通,开始突水。335s左右,声发射信号达到最大值73dB。335s以后,岩体破裂减少,声发射信号逐渐减小,最后趋于稳定,保持在44dB左右。
声发射是材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象。煤岩体破裂会释放能量,所以能够产生声发射信号。声发射信号随煤岩体变形破裂程度的增加而增大,并且受到水流的影响,使得突水发生时,声发射信号达到最大值。声发射信号可以表征煤岩体受承压水作用破裂的程度,其突然增大也可作为煤层底板突水的前兆。
2.3表面电位信号特征
突水演化过程中表面电位信号变化如图5所示。可看出表面电位信号总体呈现初期平稳、中期开始波动、后期剧烈 波动的趋 势。从实验开 始到205s,表面电位信号一直在-3~3mV之间波动。 205s时,表面电位信号突然增大到28mV。此后, 表面电位信号开始不断波动,波动幅度有所增加,并在280s时达到最大值-35~50mV,这与水压最大值对应较好,表明煤岩体破裂与导水通道的形成和表面电位信号有较好的正相关关系。280s后,表面电位信号波动程度呈下降趋势并逐渐恢复平稳,波动幅度为-5~5mV。整个实验过程中,表面电位信号有2次突然增大的情况:一次在205s,表明此时底板发生破裂;一次在280s,表明此时导水通道形成。
表面电位是煤岩体微元错动、摩擦时累积的自由电荷在试样表面不同位置形成的电势差,同时水在煤岩体内的流动也会引起流动表面电位。在突水演化过程中,煤岩体微元摩擦、错动激发表面电位信号与导水通道中水渗流引起的流动电位叠加,使表面电位信号在煤层突水时表现出剧烈波动,因此,煤岩表面电位信号的突然增大也可作为底板突水的前兆。
3声电信号对比分析
对比电磁辐射、声发射、表面电位信号变化过程可看出,煤岩体内部裂纹形成之前,电磁辐射、声发射及表面电位信号都保持相对稳定;当煤岩体内部发生破裂时,3种信号均有一定的响应,如205s左右电磁辐射信号突然从550aJ增大到1 200aJ,声发射信号从45dB增大到55dB,表面电位信号从2mV突然增大到28mV,这些变化表明煤岩体内部一个较大裂纹的产生。在裂纹扩展阶段,3种信号都有所增大,如电磁辐射、声发射、表面电位信号分别在260,335,280s时达到峰值。突水发生之后, 电磁辐射、声发射和表面电位信号逐渐减小,最后趋于稳定。由此可看出电磁辐射、声发射和表面电位信号变化特征在突水演化过程中基本相似,但并不完全同步。电磁辐射信号在底板岩层破裂时快速增大,但当水通过底板岩层导水通道接近或即将突入巷道时,电磁辐射信号传播受到水的影响,在突水发生前,其从峰值1 800aJ快速减小,最后稳定 在50aJ左右;声发射信号在突水后才达到峰值,之后逐渐趋于稳定;表面电位信号受底板岩层破坏和水的影响,在突水时达到峰值。因此电磁辐射、声发射与表面电位信号的快速增大可看作煤岩体受承压水作用发生破裂的前兆,而电磁辐射信号增大后突然减小可看作突水即将发生的征兆。
4结论
(1)建立了矿井突水相似模拟实验系统,研究了矿井突水演化过程中电磁辐射、声发射和表面电位信号变化特征,并分析了其变化机理。
(2)基于声电信号变化特征,电磁辐射、声发射与表面电位信号随岩层破裂的产生而产生,其强度也随着破裂强度的增加而增大,3种信号的快速增大可看作煤岩体受承压水作用破裂的前兆,而电磁辐射信号增大后突然减小是突水即将发生的征兆。
突水特征 篇2
1 矿井基本概况
1.1 地理位置
金鼎煤业位于河南省汝阳县城西, 行政隶属汝阳县城关镇、上店镇和柏树乡管辖。东起汝阳县城, 西至华沟, 北自五里厂, 南到下店, 东西长5.39km, 南北宽3.23km, 面积17.41km2。地理坐标范围:东经112°24′00″~112°27′30″, 北纬34°07′45″~34°09′30″。
1.2 地形
本区属丘陵地区。总体地势西北高东南低, 海拨高度310~454m, 相对高差约144m。西北部由古近系、白垩系受冲刷切割形成低缓山丘, 东北部和南部为汝河河床及其形成的冲积平地。区内近南北向冲沟发育, 利于降水排泄。
1.3 井田构造
该井田位于汝阳断陷盆地的北东部, 整体为一走向近东西、倾向南的单斜构造。含煤地层整体倾向170°~200°, 倾角5°~35°;西缓东陡, 南缓北陡, 北部地层翘起明显;F3断层以南地层产状平缓, 倾角0°~10°。煤系盖层产状总体倾向南, 倾角一般8°~30°。区内与含煤地层关系密切的有4条断层, 即F4逆断层、F3正断层、F7正断层和F5正断层。区内无岩浆岩。
1.4 井田水文地质概况
井田位于汝阳盆地的北部, 盆地四周为海拔400~800m的陡峭山岭, 多由元古界、下古生界的石英砂岩、安山岩和碳酸盐岩组成。向盆地中部逐渐过渡为低山丘陵和汝河谷地, 海拔标高为270~400m, 相对高差50~80m, 由第四系、古近系和白垩系地层组成。在盆地中部的F33断层以北为一承压斜地。其西、北部以标高大于400m的低山丘陵的山脊分水岭为界, 东部和南部以断层F33、F11为界, 基底岩层大致向南倾斜, 地下水由北向南径流, 基本构成了一个完整的水文地质单元。井田位于承压斜地的中东部, 最低侵蚀基准面标高为310m。大气降水是区域地下水的主要补给来源, 区域内出露和分布有碎屑岩类孔隙裂隙含水层、碳酸盐岩类岩溶裂隙含水层和松散层岩类孔隙含水层, 主要隔水层有白垩系隔水层、二1煤层底板泥岩隔水层及石炭系本溪组铝土岩隔水层。
2 突水机理分析
2.1 突水过程
2011年12月16日约16:00, 金鼎煤业-328轨道大巷距掘进头后方16~36m处, 首先发生底鼓。19日约10:00, -328皮带大巷距掘进头后方40m处底板快速底鼓并向外少量渗水;10:35巷道左边开始出水, 涌水量达到20m3/h;11:35涌水量达到150m3/h, 随后出水量快速增大, 已经超过井底临时排水系统的排水能力;12:18涌水量达到500m3/h;13:40实测涌水量超过3 000m3/h;16:20涌水量达到峰值5 820m3/h;18:00井底车场全部淹没, 主副井之间不通风。至21日8:00, 矿井水位已上升至距井口26.03m;22日2:05, 水位稳定在距井口下25.49m处 (标高313.01m) , 累计出水量达7.3万m3, 导致全矿井被淹。
2.2 突水水源
-328大巷出水水量增长比较快, 短时间内能达到3 000m3/h;突水水量较大, 约7.3万m3, 而且衰减趋势不明显, 其他含水层 (顶板砂岩裂隙及砾石孔隙含水层) 无如此大的突水能力;井田范围内及周边不存在小窑老空水;水质化验结果显示, 水质类型为重碳酸钙镁型, 表现为寒灰水特征, 可以确定此次突水水源为寒武系白云岩岩溶裂隙水[1]。
2.3 导水通道
石炭系太原组灰岩及寒武系白云岩岩溶裂隙含水层为二1煤层底板直接和间接充水含水层。下伏于石炭系灰岩之下的寒武系白云岩, 中间有本溪组隔水层相隔, 井田内ZK303孔在穿见该层时发生涌水, 自流高度35m, 水位标高381.88m, 自流量5.26m3/h, 说明该含水层静水压力水头很高。二1煤底板寒武系白云岩岩溶裂隙含水层的富水性具有明显的不均匀性和各向异性。寒灰水在高水压作用下在底板隔水层中具有一定的原始导升高度。在巷道掘进后地应力作用下, 诱发了采动裂隙与下部原始导水裂隙贯通, 导致出水, 出水后在地应力和高水压联合作用下进一步撕裂和扩展裂隙通道, 导致突水量进一步增大。分析认为寒灰水涌向上部地层的导水通道可为垂向通道, 也可为层内及层间的水平通道[2]。
据地面注浆堵水工程注5孔资料, 钻进至737.65m全漏, 738.05~738.75m掉钻, 738.95~739.75m掉钻, 共计掉钻1.5m, 准确打中岩溶裂隙导水通道。另据突水前皮带巷和轨道巷掘进头附近均发生底鼓, 并有少量渗水, 导水通道很有可能沿注5孔-皮带巷底鼓区-轨道巷底鼓区条带附近, 北西向展布。
2.4 突水动力条件
突水点标高为-323.80m, 水位稳定在井口下25.49m处 (标高313.01m) , 水压大于6MPa。本区缺失奥陶系地层, 石炭系地层直接和寒武系灰岩不整合接触, 石炭系地层平均厚度约为28m。据突水系数公式[3]:
式 (1) 中:T为突水系数, MPa/m;P为底板隔水层承受的水压, MPa;M为底板隔水层厚度, m。
据式 (1) 计算得突水系数T=0.227MPa/m, 参考全国经验值, 底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06MPa/m, 正常块段不大于0.10MPa/m, 否则存在底板突水危险。所以, 高水压和底板有效隔水层厚度小是导致本次突水的动力条件, 亦是本次地面钻探注浆堵水工程的难点。
3 结论与建议
1寒武系灰岩含水层为二1煤底板间接充水含水层, 亦为本次突水水源, 其富水性强、水压大、静储量大、底板隔水层薄, 对矿井生产威胁很大, 必须重点防范。
2建议矿方在采掘过程中, 严格执行“预测预报, 有掘必探, 先探后掘, 先治后采”的防治水十六字原则和“防、堵、疏、排、截”五项综合治理措施。成立专门的探放水队伍, 配备满足安全生产需要的探放水设备及物探设备[4]。
3 随着矿井开采的深入, 矿井水压越来越大, 要从人力、物力、财力上给予矿井防治水工作大力支持, 保证矿井安全生产, 防止类似事故发生。
摘要：通过对井田水文地质特征, 地下水的补给、径流、排泄条件, 矿井充水水源及突水资料的整理分析, 查清矿井发生突水的突水水源与导水通道, 确定矿井发生突水的动力条件及突水机理, 为矿井堵水提供科学的理论依据。
关键词：矿井,动力条件,突水机理
参考文献
[1]张渊.带压开采底板突水破坏规律与突变模型研究[M].太原:太原理工大学出版社, 2002.
[2]邵爱军.煤矿地下水与底板突水[M].北京:地震出版社, 2000.
[3]施龙青, 韩进.底板突水机理及预测预报[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2004.
突水特征 篇3
关键词：底板突水；突水水源；水源识别
中图分类号：P641
文献标识码：A
文章编号：1672－1098(2009)04－0013－04
孙瞳煤矿位于皖北矿区临涣分矿区东部，矿井设计能力1.80Mt／a，主采煤层为72、82和10煤层。其中10煤底板为一套海陆交互相砂岩、泥岩及粉砂岩互层，下距太原组灰岩51.69～68.31m。由于受构造、采矿活动活动的影响，底板应力场的重新分布导致底板某些地段出现一些破碎薄弱带，造成10煤底板的砂岩、灰岩水对该煤层开采产生一定程度的威胁。矿井10煤层首采工作面1028位于矿井北翼102采区，标高－375.0～－500.0m，走向长1740m，倾斜宽180m。工作面于2008年7月25日试生产，9月2日工作面风巷推进94m、机巷推进88m时，靠近风巷处老塘底板发生出水。开展该工作面突水水源分析，对于矿井防治水方案设计和10煤层安全开采具有重要意义。
1工作面地质及水文地质条件
1.1地质条件
10煤层位于山西组中下部，平均厚度为3.40m，倾角16°～20°。根据钻探和井巷揭露资料，该区自下而上发育了两套地层系统，分别为石炭——二叠系煤系地层系统和松散层沉积系统。地层为一走向北北东，倾向南东东的单斜构造，岩层倾角10°～20°。断裂构造发育，断层均为正断层，倾向以N60°～90°w为主，大部分为落差小于5m的断层。
1.2水文地质条件
根据临涣矿区水文地质与井田钻探资料分析，对1028工作面10煤层开采充水有影响的主要含水层有：“四含”、10煤层上下砂岩裂隙含水层和“太灰”。
(1)第四含水层直接覆盖在煤系地层之上，含水层纯厚度0～18.30m，平均厚度为4.22m，岩性主要由灰绿色、棕褐色、浅黄色粘土质砂、细一粉砂、粘土夹砾石及砂质粘土等组成。采区为“四含”沉积厚度较小，分布不稳定，中部相对较厚，煤层露头较薄，出现沉积尖灭。含水层单位涌水量8.5×10-4～1.05×10-2L／s·m，渗透系数2.1×10-1～2.78×10-1m／d，水质为HCO3·SO4－Na·Mg。该含水层由于受“三隔”控制，接受其以上含水层补给量较小，以静储量为主，在进行浅部煤层开采时，可能会威胁矿井安全生产。
(2)10煤层上下砂岩裂隙含水层该含水层一般由2～4层中、细砂岩组成，厚度约15m，裂隙一般不太发育。10煤层上下砂岩抽水试验表明，单位涌水量为1.9×10-3L／s·m，渗透系数为6.56×10-3m／d，水质为HCO3·Cl—Na·K。1028工作面巷道掘进期间无较大的突水发生，仅在断层带附近有滴淋水现象，最大水量约为5m3／h，并逐渐衰减，工作面回采前总涌水量小于10m3／h，说明10煤层顶底板砂岩富水性较弱。
(3)太原组灰岩含水层太原组主要由石灰岩、泥岩、粉砂岩及薄煤层组成，井田钻孔揭露其总厚131.52m，灰岩12层，累计厚度69.53m，占太原组厚度的52.87％，灰岩单层厚度为0.15～16.85m，其中1、2、12灰厚度较大。含水层可分为上(1～4灰)、中(5～8灰)和下(9～12灰)3个含水层段，上段岩溶裂隙发育，水动力条件好，抽水资料表明，单位涌水量为5.54×10-3～1.002×10-2L／s·m，渗透系数2.089×10-1～2.521×10-1m／d，水质为HCO3·Cl－Na·Mg或HCO3·Cl·SO4－Na·Mg，富水性弱一中等。
2工作面突水的特征
2.1突水特征
1028综采工作面实际开采过程中，于2008年9月2日工作面从切眼向风巷推进94m、机巷推进88m时，在靠近风巷处老塘发生10煤层底板出水，水量为3m3／h。3日上午水量略有增大至5m3／h，晚19时水量开始逐渐增大至30m3／h，工作面停止回采。4日凌晨3时出水量达90m3／h，12时达100m3／h，之后涌水量逐渐衰减至50m3／h。从工作面突水情况来看，初始水量为3～30m3／h经历了30h，而水量为30～100m3／h仅经历4～6h，然后逐渐地衰减，至9月17日工作面恢复生产，水量仍为66m3／h，衰减速度较缓慢(见图1)。至12月底工作面推进500m，涌水量仍一直稳定在30～50m3／h。
2.2含水层水位变化
投产前，在102采区太灰及奥灰露头附近布置了4个地面观测孔，其中观2孔为第四含水层水文观测孔，观3孔为太原组(1～4灰)水文观测孔，观4孔为太原组(9～12灰)水文观测孔，观5孔为太原组(5～8灰)水文观测孔。
工作面发生突水时，引起含水层的水位下降，1028工作面10煤层底板突水后观测孔水位变化曲线图(见图2)。观3孔和观5孔水位下降明显，在突水初期日降幅分别为4.11m、1.67m，水位迅速下降，7日内累计降深分别为18:09m、12.67m，随后降幅逐渐趋小，约1个月以后水位略有回升且基本稳定；而观2孔和观4孔水位基本没有变化。说明了工作面开始突水主要为砂岩裂隙水，然后是太原组1～4灰和5～8灰灰岩水补给，而与第四含水层和太原组下段基本无关。
3突水水源识别
皖北矿区矿井突水水源主要有4种：新生界松散层底部第四含水层(简称“四含”)、二叠系煤系砂岩含水层(简称“煤系”)、石炭系太原组灰岩含水层(简称“太灰”)和奥陶系灰岩含水层(简称“奥灰”)。煤矿突水水源的判别有多种方法，根据矿井主要突水含水层常规离子含量，运用水源逐步判别法，环境同位素法识别水源法，均取得了较为满意的效果。
通过102采区5个水文孔抽水试验和工作面突水前后18个水样水质常规离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、HCO-3、CO2-3)的分析(见表1)，采用三线图，将23个水质化验数据，按离子浓度百分比点绘于三线图上(见图3)。可知10煤层底板突水水质常规离子的阳离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+)与10煤层上下砂岩裂隙水接近，阴离子(Cl-、SO2-4、HCO-3、CO2-3)与太灰岩水接近，而与“四含”和奥灰水差别较大。说明了突水水源既有10煤层
4结论
通过1028工作面底板突水涌水量、观测孔水位变化和水质常规离子含量等资料分析，可以得知工作面具有开始突水涌水量递增速度较快，衰减速度缓慢的特点。太原组灰岩含水层2个水文观测孔(1～4灰、5～8灰)开始水位降幅较大，随后降幅逐渐减少。突出水样水质化验常规离子的阳离子与10煤层上下砂岩裂隙水接近，阴离子与太灰岩水接近，而与“四含”和奥灰水差别较大。说明开始突水为10煤层上下砂岩裂隙水，然后太原组中、上段灰岩水逐渐进入补给，稳定之后主要为太原组中、上段灰岩水。工作面突水与太原组灰岩下段含水层水和第四含水层水关系不大。
矿井突水路径搜索算法与应用 篇4
矿井水害是矿山生产建设过程中与瓦斯、煤尘等并重的主要灾害之一,尤其是工作面底板突水事故,一旦发生可能会造成大量的井下人员伤亡和巨大的经济损失[1,2]。由于我国地质条件复杂,开采方式多样,再加上生产技术、探测技术的限制,对矿井水害预测不当,安全系数和防水能力过小,达不到防治的要求,导致突水事故时有发生[3,4]。现有的矿井突水路径搜索方法大多是在基于Dijkstra算法的基础上研究的[5,6,7,8],但Dijkstra算法在解决负权问题方面存在缺陷,同时Dijkstra算法的计算效率和准确率不高,搜索速度不理想。中国矿业大学的符辉、孙亚军、张丽娟等分别基于GIS和OSG建立矿井突水系统,对矿井突水水源判别系统进行研究,提出以矿井的任一点为突水点的突水水流路径和突水范围的搜索算法,提高了搜索速度[9,10]。本文基于图论与流体网络理论[11,12],在对矿井突水流经路线进行分析的基础上,将巷道交叉点的标高设定为搜索权重,将水流流向分成下向蔓延和上向升涨两个突水阶段,形成无向图宽度优先路径搜索算法。通过研究矿井突水路径,对矿井突水范围进行预测,为突水事故的分析处理和水灾预防处理的决策提供技术支持。
1矿井突水路径搜索算法与突水量计算
1. 1矿井突水流经路线
井巷分为水平巷道、垂直巷道以及倾斜巷道3种,水流自突水点开始,向外大量涌出至井巷内,并沿巷道走向进行流动。当水流流入3种类型巷道时,水流运动方式主要由突水口位置决定[13,14]。
当突水发生在水平巷道时,突水点位于水平巷道的一端或巷道中间位置,水流会沿巷道走向进行流动,在遇到下一节点前会在水平巷道进行流动; 当突水点位于倾斜巷道时,水流会沿巷道倾斜方向向下灌入水流,只有当与突水点相连并且标高低于突水点分支全部灌满水,水流才会沿倾斜巷道向上灌入水流; 当突水点位于垂直巷道时,突水水流运动与倾斜巷道相似,水流会先灌满突水点以下的巷道,当水流灌满巷道标高超过突水点时,水流会向垂直巷道上方灌入水流。
1. 2水流下向蔓延路径搜索算法
1. 2. 1创建搜索的相关集合
集合G: 用于储存分支集合、节点集合、拓扑关系等数据信息; 集合A: 未访问的邻接子节点集合; 集合B: 已访问的节点集合; 集合C( s,l) : 搜索路径集合,用于存放已访问的分支。集合中s为已经访问的线路,l为水流下向蔓延的分支长度的集合; 集合Z: 向下搜索到的路径标高最低的节点集合,节点可以一个或多个; D: 给定的突水发生点。
1. 2. 2水流下向蔓延路径解算过程
1) 分别对A、B、C及集合Z进行初始化,给定突水点D,并从集合G移至B中。
2) 从B中已访问的节点开始,首先对与B中已访问的节点的邻接子节点的权重关系进行判断,若存在标高小于B中已访问的节点标高,则将标高低于B中已访问的节点的邻接点从G移至A中,同时将B中已访问的节点存放至C中,转至3) ; 若其标高等于B中已访问的节点的标高,则B中的邻接点从G移至A中,并将该点信息存放至C中,转至3) ; 若其标高均大于B中已访问的节点标高,则说明没有下向突水蔓延路径,将B中已访问的节点存入Z和C中,退出本循环,转入水位上向升涨路径的解算。
3) 判断A是否为空。若A为空,将B中已访问的节点存入Z和C中,程序结束,并转入水位上向升涨路径的解算。若A不为空,当A中节点标高大于其相关联分支的邻接子节点的标高,且该节点的邻接子节点在G中,则将A中节点移至B中,同时将节点加入到生成的C中,并将其邻接子节点从G中移至A中,转至4) 。若A中节点标高与邻接子节点相等,则将A中节点移至B,同时将节点加入到生成的C中,将其邻接子节点加入到A中; 若集合A中节点标高均小于其邻接子节点的标高,说明没有下向突水蔓延路径,则将A中的节点存入Z和C中,程序运行结束,返回路径集合C,转入水位上向升涨路径的解算。
4) 重复运行步骤3) ,直至程序全部运行结束, 返回路线集合C。最终所得蔓延路径集合C,即为水流下向蔓延过程所流经的路径。
1. 3水流上向升涨路径搜索算法
1. 3. 1创建搜索的相关集合
集合G1: 用于储存分支集合、节点集合、拓扑关系等数据信息; 集合A1: 未访问的邻接子节点集合; 集合B1: 已访问的节点集合; 集合C1( s,l,q) : 搜索路径集合,用于存放已经访问的分支。s为已经访问的线路,l为水流下向蔓延的分支长度的集合,q为搜索分支的容水水量。集合Z: 由下向搜索得到的路径标高最低的节点集合,节点数目为一个以上; h: 水源水位。
1. 3. 2水流上向升涨路径解算过程
1) 创建水流网络图集合G1,水流上向搜索的起点为集合Z中的节点,初始化集合B1、集合A1及集合C1( s,l,q) ,当前最低点水位标高集合Hmin,搜索结束时矿井水位标高集合H。将Z集合中节点从G1移至集合B1中。
2) 以B1中的节点分别为起始点,将B1中已访问的节点的所有邻接子节点均从G1中移至A1中, 将B1中的节点标高信息存入Hmin中。
3) 分别分析比较A1中各节点的标高与B1各节点的标高,若A1中各节点的标高小于标高Hmin, 此时优先进行水流的下向搜索,将搜索到的最低标高节点放入B1,并修改Hmin为该节点标高,并将该节点计入C1中,将该节点的所有不在B1中的邻接子节点加入到A1,转入步骤4) ; 若A1的节点标高与标高Hmin相等,则将A1的节点移至B1中,并分别计入路径集合C1中,将这些节点不在集合B1中的邻接子节点从集合G1移至集合A1中,转入步骤4) ; 若集合A1中所有节点标高均高于Hmin,则修改Hmin为A1中对应节点最低的标高,再将各条路径的搜索中A1标高最低节点移至B1,并将这些节点分别计入C1中,并将这些节点不在集合B1中的邻接子节点加入到A1,转入步骤6) 。
4) 判断是否存在已访问节点的未访问分支,若存在,则将分支两端节点标高较高一端标记为未访问,转入步骤5) ; 若不存在,直接转入步骤5) 。
5) 重复进行步骤3 ) 和4 ) ,直至集合A1为空时,则水流水位升涨至突水水量耗尽,返回水流上向访问线路集合C1。
6) 根据突水点位置以及各条分支容水水量和拓扑关系,依据路径搜索顺序,可以计算矿井任意节点以下巷道的容水水量。找出大于给定的突水总水量的节点,计算其对应的节点标高H0。如果Hmin大于等于H0,则程序结束,返回水流上向访问线路C1, 如果Hmin小于H0,则转入5) 步。
1. 4巷道容水水量计算
在实际矿井生产中,巷道类型常常是依据巷道空间特征以及用途进行分类的,各类型巷道计算公式如下。
1. 4. 1水平巷道计算公式
巷道断面为矩形的水平巷道,在x水位时刻时, 巷道容水量计算公式为:
式中: V为矩形巷道容水水量,m3; x为突水发生某一时刻的水位标高,m; x0为巷道的最低点标高,m; w为巷道的宽度,m。
巷道断面等腰梯形水平的巷道,在x水位时刻时,巷道容水水量计算值为:
式中: w1为梯形巷道的上边宽度,m; w2为梯形一边上底垂线到下底的宽度,m; h为巷道高度,m。
巷道断面半圆拱形的水平巷道,在x水位时刻时,巷道容水水量计算值满足分段函数为:
式中: r为半圆拱巷道的圆形的半径,m; w为半圆拱巷道底的宽度w = 2r ,m; h为巷道高度,m。
1. 4. 2竖直巷道计算公式
以巷道断面圆形的巷道为例,在x水位时刻时, 巷道面积计算公式为:
式中: S为圆形巷道断面积,m2; r为圆形巷道的半径,m。
垂直巷道突水容量公式为:
1. 4. 3倾斜巷道计算公式
以矩形巷道为例,突水量计算公式为:
式中: w为巷道断面宽度,m; h为巷道高度,m; l为巷道长度,m; α 为巷道倾斜角度,α > 0° 。
半圆拱形巷道断面的倾斜巷道,将其半圆部分面积等价为矩形断面,进行计算等效高度如公式( 7) 所示:
可得出等效高度计算公式为:
将等效矩形的高按式( 9) 代入公式( 6) ,进行半圆拱型倾斜巷道容水水量的计算。
梯形横断面的倾斜巷道的计算也将其等效为矩形断面,矩形底边宽为上底和下底的一半如式( 10) 所示,代入公式( 6) 进行容水水量计算。
式中: w1为梯形巷道的上边宽度,m; w2为梯形巷道的下底的宽度,m。
2应用实例与分析
根据某矿井巷道布置图生成的水流网络如图1所示,设节点V2为突水点。
经过无向图宽度优先搜索算法搜索,找到水流路径向上升涨的全部节点为:
通过布置在V3节点水位传感器记录水流到达该节点的时间为10min,同时应用无向图宽度优先搜索生成的矿井突水路径,通过查找表1,计算水流流至V3节点的水位标高所对应的突水量为4 644 m3,从而可计算出矿井单位时间突水量为464. 4 m3/ min。
1) 计算突水发生后的突水范围
如计算突水发生40min后的突水范围,首先进行水流运动分析: 当第2min时,水流灌满分支e1,水流由分支V2、V1开始向上升涨; 当第10min中时,水流灌满分支e2,水位到达V3节点对应的标高,水流继续向上升涨; 当第15. 1min时,水流灌满分支e3、 e4,水位到达V3节点对应的标高,水流继续向上升涨; 当第23min时,水流灌满分支e5、e8,水位到达节点标高为V6,水流继续向上升涨; 当第34min时,水流灌满分支e9,水位到达V16节点的标高,水流继续向上升涨; 当第36min时,水流灌满分支e10,水位到达V16节点的标高,当第40min时,水流流向节点V10和V17,水位标高代入公式( 6) 计算结果为225m。
2) 计算水流到达某一标高时间
根据突水路径、巷道容水的信息和已知单位时间突水量等计算水流流至节点V20标高水位的时间。通过路径搜索,当水位到达节点V20标高时,计算得出的突水量为44 496 m3,突水点单位时间突水量为464. 4 m3/ min,计算时间为95. 8min。
3结论与建议
1) 分析了矿井发生突水的水流流经路线,结合图论与网络理论,提出了以巷道节点标高作为权重的基于无向图宽度优先搜索算法的矿井突水路径搜索方法,该算法包含矿井突水的下向蔓延路径算法和上向升涨路径算法两部分。
2) 分别针对不同类型巷道的属性,对矿井的突水形式进行分析研究,并提出任意水位对应的巷道容水容量的计算公式。
3) 将无向图宽度优先搜索算在实例矿井中进行分析和应用,通过水位传感器记录水位变化的时间,可以计算得出相应时间的突水量变化量,得出了单位时间的突水量,并结合给定的矿井巷道拓扑结构信息,对未来时间段的突水范围和水位标高点进行预测。
突水特征 篇5
目前，在岩溶地区修建高速铁路隧道的技术尚不成熟，而高速铁路岩溶隧道突水致灾机理及成套理论研究，更是大大滞后于生产实践的发展[1,2,3,4]。因此，开展高速铁路岩溶隧道突水灾变机理相关研究，为生产实践提供针对性理论指导，显得尤为紧迫。目前，国内外已有一些学者致力于岩溶隧道突水规律及演化机制研究，并取得了可喜进展。L.Toran等人[5]采用物理模型和化学测试跟踪的方法，获取了隧道岩溶突水的运移规律。李术才等人[6]、李利平等人[7]对岩溶隧道突涌水力学机理进行了深入研究，开发了岩溶突水渗流物理模型和光纤信息监测系统，初步揭示了高风险岩溶隧道突水灾变演化机理，并将研究成果成功运用于多次发生岩溶突水灾害的齐岳山隧道、乌池坝隧道等工程实践之中。刘招伟等人[8]采用理论分析和数值模拟相结合的方法，揭示了隧道岩溶充填物在水压、围岩塑性区共同作用下渐近失稳引发突水的力学机制。
这些研究成果毫无疑问一定程度上揭示了岩溶突水发生的原因和规律，给岩溶突水的预测及防治提供了有效途径，但是这些研究成果尚未将岩溶突水的灾变演化过程阐释清楚，而事实上，掌握岩溶突水灾变演化过程，不仅能够反馈于建立岩溶突水理论判据，还能为采取针对性的全过程防治措施提供理论依据。此外，国内外关于岩溶突水的研究成果也主要集中在隧道涌水量预测[9,10,11]、矿井突水模型及失稳判据方面[12,13]，涉及高速铁路这类超大断面的岩溶隧道不多。因此，对高速铁路隧道充填型岩溶管道突水灾变的演化过程进行相关研究，具有重要的意义。
1 建立两类力学模型
通常，将隧道岩溶突水分为地质缺陷诱发突水和非地质缺陷诱发突水两类，其中地质缺陷诱发岩溶突水占实际工程中的绝大部分，通常表现为地质缺陷体失稳形成突水通道，进而贯通溶腔和隧道，引发突水涌泥。因此现在研究对象为地质缺陷诱发岩溶突水。
隧道围岩中天然条件下普遍存在的节理、裂隙、裂缝等地质缺陷体往往是围岩中最为薄弱的充填结构，对于隧道充填型岩溶管道，其充填介质的失稳破坏模式就决定了隧道岩溶的突水灾变机制。因此，建立充填型岩溶管道突水的两类力学模型，分别是:充填介质渗透失稳力学模型、充填介质滑移失稳力学模型。
1.1 充填介质渗透失稳力学模型
当岩溶管道中的充填物为透水介质时，由于透水介质具有结构松散、孔隙率大等特点，溶腔中的水流会持续侵蚀透水介质，并导致透水介质逐渐液化。随着侵蚀渗流的进一步加深，充填结构颗粒逐步流失，充填介质孔隙率逐渐增大。当隧道开挖至岩溶通道底部形成临空面时，充填介质迅速流失，岩溶通道得以全部贯通，从而引发岩溶突水。建立充填介质渗透失稳力学模型如图1所示。
现将充填介质渗透失稳力学力学演变过程划分为三个阶段，分别为充填介质初始密实阶段、充填介质渗透流失阶段、岩溶管道全贯通阶段，下面分别推导三个阶段的力学演变机制。
(1)充填介质初始密实阶段:在最初阶段，岩溶管道中的充填介质是密实的，溶腔中的水流对充填体产生渗流动水压力ps(图1)，充填介质任一点受到的渗流动水压力大小为
式(1)中:为充填介质任一点的渗流动水压力矢量;为溶腔中水的重度;j为渗流水力坡度矢量。
设岩溶管道渗流水沿x方向的水力坡度为J，则岩溶管道在dx长度内充填段受到的渗流动水压力的合力大小为
式(2)中:J为沿x方向的水力坡度;D为岩溶管道宽度;n为充填介质的孔隙率(此时n<1);其他符号意义同前式。
充填体受到渗流动水压力的同时，会对岩溶管道壁产生拖曳力，根据力作用与反作用原理，该拖曳力也即充填体受到岩溶管道壁的阻力，阻力合力大小等于渗流动水压力Ps，阻力的表达式为
式(3)中:fw为充填体对岩溶管道壁产生的单位拖曳力;其他符号意义同前式。
联立式(2)和式(3)，计算得到充填体对岩溶管道壁产生的单位拖曳力fw为
式(4)中:ρw为水流密度;其他符号意义同前式。
(2)充填介质渗透流失阶段:在经过溶腔内流体的持续渗透作用后，充填介质中的小颗粒逐渐流失，孔隙率n逐渐变大，当n趋向于1时(但不等于1)，充填物中流失的小颗粒悬浮在岩溶渗流水中形成高密度泥砂，表现为管涌，此时高密度泥砂对岩溶管道壁产生的单位拖曳力fs为:
式(5)中:ρs为管涌泥砂密度;其他符号意义同前式。
对比式(4)、式(5)，由于ρs>ρw，因此在第二个阶段高密度泥砂对岩溶管道壁产生的单位拖曳力要大于第一阶段渗流水作用下产生的单位拖曳力。
(3)岩溶管道全贯通阶段:经过第二阶段充填介质渗透流失后，岩溶管道内不再有充填物，此时岩溶管道内表现为流砂，孔隙率n=1，将孔隙率代入式(5)，则此时岩溶管道内混合流体对管道壁产生的拖曳力为
经上述推导，在有溶腔水且隧道开挖揭露了岩溶管道的前提下，连接溶腔的岩溶管道内透水介质将历经以上三个阶段最终演变为渗透失稳，并发生隧道突涌水。
1.2 充填介质滑移失稳力学模型
对于非透水介质充填体，其阻水性能很强，内部颗粒介质不会被溶腔水渗透后带走，但在溶腔水动水压力和静水压力的联合持续作用下，加上充填体的胶结程度要好于充填体与管道壁的咬合程度，将使得非透水介质充填体与管道壁之间的强度会发生持续减弱，并最终发展为非透水介质沿着管道壁滑移失稳，岩溶通贯通，引发岩溶突水。建立充填介质滑移失稳力学模型如图2所示。
对充填介质滑移失稳力学模型进行受力分析，其竖向的力学平衡方程可以表示为
式(7)中:f为滑移充填体与岩溶管道壁的摩擦力;N为隧道支护作用在滑移充填体上的荷载;Gs为滑移充填体的重力;Gw为滑移充填体的上覆溶腔水重力;Pw为溶腔水对滑移充填体的渗透力。
现逐一求解平衡方程中的各项未知量。假定岩溶管道形状近似为圆柱体，其直径为D，长度为L，则滑移充填体的自重为:
式(8)中:γs为滑移充填体的重度。
隧道支护作用在滑移充填体上的荷载为
式(9)中:S为溶腔横截面积;q为隧道单位支护力。
滑移充填体的上覆溶腔水重力为
式(10)中:Vw为上覆溶腔水的体积。
溶腔水对滑移充填体的水力梯度为
当充填体渗透系数为k时，渗流流速V=kI，渗流力是一种体积力，其大小等于体积乘以水力梯度，此时，溶腔水沿滑移充填体的渗流力在垂直方向的渗流分力为:
式(12)中:d为滑移充填体的平均粒径;其他符号意义同前式。
为求滑移充填体与岩溶管道壁的摩擦力，现对充填体取一个微小圆柱体，圆柱体的高为dz，该圆柱体内一点的抗剪切强度为
由此可知微圆柱体的竖向摩擦力为
则微圆柱体沿岩溶管道的侧向摩擦力为
由于微小圆柱体沿竖向侧面剪切破裂，此时水平向的应力σn为最小主应力σ3，竖直向的应力σs为最大主应力σ1，而σ1=γ0Z，则:
式(16)中:Ks为充填体的侧压力系数。
把式(16)代入式(15)后，对微圆柱体沿岩溶管道的侧向摩擦力进行积分，得到滑移充填体与岩溶管道壁的摩擦力f为
到此，平衡方程中的各项未知量均已得到求解，将式(8)、式(9)、式(12)、式(17)一起代入平衡方程式(7)，得到充填介质滑移失稳力学模型为
式(18)的等号左边是充填介质的抗滑力，右边是滑动力，则充填体的安全系数K=F抗/F滑。当K<1时，充填介质将发生滑移失稳，引发岩溶突水;当K=1时，充填介质处于极限平衡状态，如果此时有爆破振动等外界扰动因素，将诱发滑移失稳;当K>1时，充填介质将处于稳定状态，不会发生滑移失稳。式(18)即充填介质滑移失稳判据。
2 工程概况
2.1 工程地质环境
油坊坪隧道位于沪昆客运专线长昆湖南段CK-TJ-9标段的湘西新晃县内，隧道起讫里程DK387+174.24～DK388+075，全长900.76 m，最大埋深227.4 m。隧道岩层以灰岩、白云岩为主，节理裂隙较为发育。地质构造主要跨越准地台和华南褶皱系，沿线主要断裂带为新晃—芷江断裂带(图3)。湖南省处于华南地震区内陆腹地，总体地震活动频率不高，沿线地震动峰值加速度小于0.05g。
区段主要不良地质有岩溶、人为坑洞、滑坡、危岩、顺层、岩堆等等。沿线地下水主要为岩溶水、基岩裂隙水及第四系孔隙水三大基本类型。岩溶水是沿线最大的地下水类型，分布广、水量大，主要赋存于溶蚀管道及溶蚀裂隙中，从现场工程实际来看，岩溶问题对施工安全造成了较大影响。勘探结果表明岩溶形式主要为顺层溶蚀，岩溶段总长度35.6 m，岩溶位置紧靠隧道洞身，易引发隧道岩溶突水。油坊坪隧道的工程地质剖面图如图4所示。
2.2 隧道现场突发涌水
当油坊坪隧道进口端开挖至里程DK387+512时(图3中1#溶洞)，隧道的左边拱腰位置揭露出一条岩溶管道，管道内充填物以黏土、泥砂为主，揭露初期，岩溶管道未见渗水。现场随即采用地质雷达对岩溶管道及内部溶腔进行探测分析，根据分析结果推断岩溶管道和隧道横截面的结构如图5所示。不久，岩溶管道出现黏土渗水、泥砂涌出现象，随即发生大量突水涌泥，涌水量达到400 m[3]/h，喷出距离长达4 m，对隧道施工安全造成明显影响。
2.3 隧道岩溶突水机理分析
根据现场探测和调查结果分析，所揭露的岩溶管道内黏土及泥砂充填物为多年水流作用冲刷堆积而成，其突水灾变演化过程，符合前面所建立的两类失稳力学模型。根据调查结果，该里程隧道埋深227.4 m，岩溶管道充填段长L=5 m，管道宽度约0.3 m，溶腔充水体积约4.5 m3;初期充填介质的孔隙率n=0.2，水力坡度为1.8;充填体密度为2 100kg/m3，侧压力系数为0.7，黏聚力21 k Pa，内摩擦角为25°，平均粒径0.009 m。
(1)第一阶段:最开始岩溶管道内的黏土及泥砂充填物为松散透水介质，在溶腔水流的持续侵蚀作用下，充填介质沿着岩溶管道不断渗透、积累，由于岩溶管道中间存在折线过渡段，因而泥砂在岩溶水的渗透拖曳和自重作用下在折线过渡段积累，并不断被冲压密实，形成透水性较差的致密充填体。此阶段按式(4)计算可得充填体对岩溶管道壁产生的拖曳力fw为
(2)第二阶段:当隧道开挖揭露岩溶管道后，一方面岩溶管道充填体失去了原有围岩支护作用，另一方面溶腔动、静水压力持续作用于充填体，弱化充填体与管道壁之间的咬合强度，此时，按式(18)分别计算充填体的抗滑力和滑动力
据此可知，岩溶管道充填体的安全系数K=F抗/F滑=129.2 k N/484.1 k N=0.27<1，安全系数小于1表明充填体处于不平衡状态，将发生滑移失稳并导致岩溶突水，这一解析计算结果与隧道现场实际突水情况相吻合。
3 岩溶突水机理数值分析
通过快速拉格朗日Flac3D程序对岩溶突水的机理及相关规律进行数值分析，突水过程实际上就是岩土体的流固耦合过程，因此，将岩体视为多孔介质，岩溶突水视为流体在多孔介质中的渗流，服从达西定律。
3.1 计算模型的建立
计算模型断面选取油坊坪隧道揭露岩溶管道处，也即1#溶洞的DK387+512里程位置，该里程隧道埋深227.4 m，隧道断面形状为马蹄形，宽B=14.95 m，高H=10.72 m，隧道断面积约为160 m2，为超大断面。由于隧道开挖影响范围为3倍左右洞直径，因此Flac3D程序中计算模型的尺寸选取为:x方向全宽80 m,y方向取单位厚度，求解视为平面应变问题，z方向上部由隧道顶部取到地表，下部由隧道底部取30 m。所建模型含2 157个单元，4 336个节点，如图6所示。
3.2 计算参数
根据工程地质勘查报告资料，结合现场水压试验结果，隧道围岩及地下水渗流计算参数如表1所示。
3.3 计算结果分析
3.3.1 隧道未开挖
在隧道尚未开挖，且岩溶管道充填体处于稳定状态时，溶腔附近的地下水汇集，产生的渗流场孔隙水压力如图7(a)所示，由于溶腔为透水边界，因此溶腔附近的孔隙水压力为零，岩溶管道为弱透水介质，孔隙水压力持续对岩溶管道充填体产生渗透作用，孔隙水压力从上至下为10～40 kPa;渗流场流动矢量如图7(b)所示，从图中可直观看出溶腔附近地下水渗流方向朝溶腔中心，尽管隧道未开挖，但岩溶管道渗透性强于周边围岩，因此隧道的左拱顶沿岩溶管道方向渗流矢量强烈，表明左拱顶附近将是地下水的重要渗流通道。
3.3.2 隧道开挖后岩溶突水
隧道开挖到岩溶管道位置揭露岩溶管道口后，随着溶腔水不断渗流作用于岩溶管道充填体，充填体开始滑移失稳，岩溶通道彻底打开，溶腔水顺着岩溶管道涌入隧道内，产生的渗流场孔隙水压力如图8(a)所示，此时溶腔、岩溶管道全部贯通隧道，为自由渗流边界，边界处孔隙水压力为0～20 kPa;渗流场流动矢量如图8(b)所示，从图中可知，溶腔附近渗流矢量向溶腔富集，岩溶管道渗流朝管道临空面，而隧道环向渗流矢量均朝隧道中心，与图7隧道未开挖时相比，岩溶管道和隧道的孔隙水压力急剧下降，表明岩溶水正顺着岩溶通道迅速向隧道突水。
3.3.3 突水处治，施加衬砌
在对岩溶管道进行注浆处治，并施加衬砌后的渗流场孔隙水压力和渗流场流动矢量分别见图9(a)、图9(b)所示。从渗流场孔隙水压力图9(a)可知，施加衬砌后，孔隙水压力发生明显降低，岩溶管道和隧道开挖面附近的低渗透压区域显著扩大(见图中淡蓝色区域)，该区域最大孔隙水压力为10kPa，仅为衬砌施加前的一半，表明突水处治产生了较好的效果。从渗流场流动矢量图9(b)可知，隧道和岩溶通道内已经没有了渗流矢量，表明渗流通道已经处于隧道和岩溶通道范围外，岩溶通道的一定范围外的左下侧、右侧，有渗流矢量汇集，易沿矢量集中位置形成渗流通道，因此可以将该范围视为需注浆加固处治区域。同时，注意到隧道拱脚、右拱腰处渗流矢量集中，应在隧道防水中予以重视。
4 结论
本文对沪昆高速铁路油坊坪隧道岩溶突水发生机理进行了研究，得到以下研究结论:
(1)对油坊坪隧道岩溶突水建立两种突水力学模型，分别为充填介质渗透失稳模型、充填介质滑移失稳模型，对两种模型的力学失稳机理，展开了理论推导，并将理论推导结果应用于油坊坪隧道岩溶突水现场实际，计算结果表明，岩溶管道充填体的安全系数K=F抗/F滑=0.27<1，表明充填体处于不平衡状态，将发生滑移失稳并导致岩溶突水，这一解析计算结果与隧道现场实际突水情况相吻合。
(2)通过快速拉格朗日Flac3D程序对岩溶突水的机理及相关规律进行了数值分析计算。在隧道尚未开挖且岩溶管道充填体处于稳定状态时，溶腔附近的孔隙水压力为零，而岩溶管道附近孔隙水压力从上至下为10～40 kPa;隧道的左拱顶沿岩溶管道方向渗流矢量强烈，表明左拱顶附近将是地下水的重要渗流通道。
(3)隧道开挖后，岩溶通道彻底打开，溶腔水顺着岩溶管道涌入隧道内，溶腔、岩溶管道全部贯通隧道，边界处孔隙水压力为0～20 kPa;溶腔附近渗流矢量向溶腔富集，岩溶管道渗流朝管道临空面，而隧道环向渗流矢量均朝隧道中心。