采掘溃砂是近松散层采掘活动诱发的含砂量较高(一般50%以上)的水砂混合流体溃入井下采煤工作面或者掘进工作面，并造成财产损失及人员伤亡的一种矿井地质灾害[1]。高势能溃砂是指由于采掘引起的通道沟通上覆具有较高水压(一般200 m水头以上)的含水砂层造成的突发性、灌顶式、高流速、冲击力大、破坏性强的溃砂灾害。

煤炭是我国的战略能源。随着东部煤炭资源开采向深部和西部发展，采掘诱发高势能溃砂灾害日益突出。由于埋深大、地应力高、水压高等复杂成灾地质环境、采掘技术变革对地质环境剧烈扰动，溃砂灾害势能高、冲击力大、危害严重，成为矿井重特大事故的元凶，一旦发生，救援极其困难[2]。

近20 a来，全国煤矿发生高势能溃砂事故多起，造成巨大的经济损失，严重威胁安全生产和生态环境[3-5]。例如，2002年山东横河煤矿采煤工作面溃砂，2010年哈沟煤矿采煤工作面溃砂，2011年神东矿区布尔台煤矿顶板突水溃砂，2012年隆德煤矿钻孔突水溃砂，2013年河南李粮店煤矿井壁注浆孔溃砂，2016年陕西照金煤矿泥砂突涌，2018年新疆伊犁某矿连续溃砂(图1(a))，2018年山东某矿回风暗斜井掘进迎头溃砂(图1(b))，均严重影响生产，甚至造成人员伤亡。

图1 采掘诱发高势能溃砂示意
Fig.1 Schematic diagram of quicksand with high energy induced by coal mining

这种数百米至千米尺度的高势能溃砂灾害，既不同于浅部地下工程的流砂，也不同于矿井突水，其破坏力极强，灾后清砂重建极其困难。高势能溃砂发生的机理和规律尚未被充分认识，现有理论和技术遇到瓶颈，不能用于高势能溃砂灾害的防控，应该作为一种新的矿山灾种来对待[1,5-9]。针对矿山高势能溃砂机理及防控研究的薄弱环节，亟需对高势能溃砂灾变机理、危险源辨识、预防控制、治理恢复等系统的防灾减灾救灾综合防控技术体系进行研究，为解决我国采掘诱发高势能溃砂这一重大灾害中的科学问题、突破高势能溃砂灾害防控的技术瓶颈提供理论支撑，对于遏制矿山重特大灾害具有重要的理论意义和应用前景。

1采掘诱发溃砂灾害研究现状

1.1溃砂发生的背景条件

溃砂的发生与矿井的水文工程地质结构及其采动响应密切相关。溃砂发生需要具备4个条件:① 水砂源，即一定厚度富水砂层;② 采动诱发突水溃砂通道;③ 容纳水砂混合物的采掘空间;④ 足够大的水头造成的势能聚集。溃砂的工程地质模式可分为直接揭露型(包括垮落带和切落裂隙破坏了水文地质结构的完整性直接贯通含水砂层)、渗透破坏型(导水裂隙带贯通含水砂层，水力坡度超过砂层的临界水力坡度)和人为通道沟通(地面和井下钻孔沟通等)3种类型[1,5,10]，如图2所示。

图2 采掘溃砂工程地质模式[1]
Fig.2 Engineering geological model of quicksand due to mining[1]

1.2溃砂危险源辨识

采掘溃砂是一个受多种因素影响的、复杂的非线性动态过程。当煤层采动垮落带得到有效控制，导水裂隙带波及到含水层或通过优势构造间接揭穿含水层时，水会通过裂隙渗入井下，当水力坡度达到突水溃砂的临界水力坡度时，就会发生溃砂事故(图3)。含水层内孔隙水压力变化可作为近松散含水层开采溃砂灾害预警和监测的前兆信息[11]。裂粒比(裂隙宽度和颗粒直径之比)、溃砂的临界水平变形、含水层水头及高度、裂缝宽度、突砂口张开程度等，均可作为溃砂的评价指标[12-14]。

图3 煤层采掘诱发突水溃砂临界水头
Fig.3 Critical water
Table for sand inrush due to mining

溃砂启动条件和判据的建立，大部分基于传统的临界水力坡度的概念[8,14-15](图3)，已有结果包括溃砂伪结构物理力学模型[16]、砂层单颗粒临界启动流速[17]、临界水平变形指标[14]、基于液化流动的溃砂的临界判据[18]、水砂混合物裂隙流失稳及溃砂启动条件[19-20]。通过室内试验和数值模拟研究弱胶结砂岩突水涌砂机理和过程[21]、顶板初次切落引起涌水溃砂[22]、溃砂地质作用模式和临界条件[23]、破断块体“凸起”结构模型[24]、水砂通道形成及突涌特征[25]、钻孔导致突水溃砂机理[4]等。颗粒流数值模拟、离散元结合格子玻尔兹曼方法等[20,26-28]研究了水砂混合物在相交裂隙干砂和水砂混合物运移的密集到稀疏状态(图4)、砂流分配以及优势裂隙(图5，6)、运移及灾害演化的土颗粒应力链(图7)、裂隙宽度、形态和水压等影响，以及溃砂口上方含水砂体运动等。

图4 裂隙内砂体运动状态示意[20]
Fig.4 Schematic diagram of sand motion states in a fracture[20]

1.3采掘诱发溃砂防控

采掘诱发溃砂预测、评价与预警对降低突水溃砂灾害危险性有重要意义。目前的预测方法主要针对矿井突水，例如武强院士等提出的“脆弱性指数法”，“三图—双预测法”等[29-30]。靳德武等研发了基于光纤光栅通信和传感技术的突水监测预警系统[31]。GIS结合MCDA定量化的突水溃砂评价决策，可考虑多因素以及灾害发生的随机性、突发性特点进行决策与预报[32]。在治理灾害和恢复生产措施中，注浆堵水和防水砂闸墙被广泛使用[33]。目前针对水砂混合流注浆扩散机理研究仅进行了初步探索[34]。水闸墙的设计和建设已经历了一个世纪左右的实践和研究[35-37]。高压水砂混合流对墙体除形成静水压力之外，最重要的是高势能水砂流对围岩裂隙和破碎带的渗透扩展作用。此外，考虑煤矿采掘影响的水文地质结构的动态演化研究，也为矿井采掘高势能溃砂防控提供了思路和途径[38]。

图5 水砂混合物运移平行交叉裂隙网络砂流分配比例[20]
Fig.5 Sand distribution in the fractures for water and sand mixture transport through parallel crossed fracture network[20]

图6 导水裂隙带裂隙网络贯通含水层形成水砂流
Fig.6 Schematic diagram water-sand mixture flow due to water- conducting fractured zone penetrating sand aquifer

图7 溃砂过程形成的力链
Fig.7 Force chain formed during quicksand

1.4存在的问题

(1)采掘溃砂机理方面，对于溃砂的水文工程地质背景已有初步的认识，但是对水文工程地质结构、赋存地质环境等因素影响下的溃砂源、通道、采掘活动影响等危险源的相互作用机理缺乏认识;已有的模拟试验的边界条件过于简化，对高势能溃砂机理、启动条件仍缺乏针对性的研究。

(2)采掘溃砂运移方面，对于高势能水砂流在复杂采动裂隙网络、断裂通道、垮落破碎岩体中运移的研究，主要停留在低应力水平，而且过于理想化，没有体现水压高、流速快、冲击强等特点。

(3)高势能溃砂防控方面，现有突水预测评价方法不适合高势能溃砂防控的实际，亟需深入研究考虑不确定性和多准则信息的灾害评价预测及预警模型;高势能水砂对结构面渗透失稳破坏模式、水砂流注浆扩散及封堵机理是溃砂治理和抢险救灾方案设计的重要科学依据，也亟待开展研究。

2高势能溃砂灾害研究的科学问题及研究框架

2.1科学问题及涵义

高势能采掘溃砂是矿山安全生产中必须防范的重大灾种，需要解决以下关键科学问题：

(1)矿山采掘诱发高势能溃砂启动运移与灾变机理。其涵义是，高势能溃砂形成的工程地质机理以及高势能水砂混合流在采动覆岩中的运动规律，包括不同工程地质模式下高势能溃砂成灾机理、高势能水砂混合流在不同采动裂隙通道、裂隙网络及垮落带岩体中的运动规律。其科学意义在于：① 浅部地下工程中常用的泰沙基临界水力坡度不适应于高势能采掘溃砂启动判别，需要建立采动裂隙带和垮落带内溃砂的灾变条件;② 近10多年的研究发现水砂混合流在规则裂隙和孔隙中的运动规律，既不同于达西定律、立方定律等渗透定律，也不同于Beverloo定律;③ 高势能水砂流在采动裂隙、垮落带中的启动及运动规律是判断灾情、计算流量、救灾措施的重要科学问题。

(2)以注浆及挡砂墙结构面渗透变形机制为关键的高势能溃砂防控及灾害治理机理。其涵义是，挡砂墙与围岩接触面及围岩结构面在高势能水砂混合物及注浆双重作用下渗透失稳机制，通道内高势能溃砂中牛顿浆液或黏时变浆液的扩散及封堵机理。其科学意义在于：① 挡砂墙没有现成规范可循，其设计和建造未考虑高势能水砂对裂隙等结构面的渗透变形，因此，挡水砂墙-围岩结构面失稳破坏机理研究是建立挡砂墙设计及灾变防控的科学问题;② 虽然以往对动水裂隙和孔隙介质中浆液扩散有所研究，但是，对高势能水砂流注浆扩散机理研究很少，而这些认识又是抢险救灾和溃砂治理的科学基础，具有重要的学术意义。

2.2研究框架

采掘诱发高势能溃砂灾害发生的地质条件、物质基础、结构特征、赋存环境和采掘扰动是高势能溃砂形成的地质背景，高势能溃砂与通道的相互作用决定溃砂启动和运动的机理，危险源辨识和溃砂前兆是监测预警的前提，动水砂流中的浆液扩散和挡水砂墙结构面渗流失稳机理是溃砂防控设计的科学基础。

以采掘诱发高势能溃砂重大灾害为研究对象，围绕高势能溃砂启动、水砂混合流在采动覆岩裂隙带和垮落带通道中的运动、高势能溃砂危险源动态辨识、防控工程的原理及设计关键技术等科学问题，运用工程地质、水文地质、采矿工程、颗粒流、岩土力学等多学科综合交叉理论，采用野外地质勘查、长期观测、渗水力模型、离心模型试验等方法手段，以赋存—形成—运移—预测—防控为主线，建立高势能溃砂形成的工程地质模式、启动条件，发现高势能溃砂在采掘诱发裂隙带、垮落带通道中运动规律，研究高势能溃砂动态危险源辨识和评价方法，建立预警模型;研究挡砂墙透破坏失稳机理、浆液扩散及凝固规律，为增强高势能溃砂防灾减灾和救援能力提供科学依据。总体研究思路如图8所示。

图8 高势能溃砂灾害研究框架
Fig.8 Research framework of quicksand with high energy

3高势能溃砂灾害研究的内容体系

建立高势能溃砂的危险源动态辨识、预测、评价、预警、治理的防灾减灾救灾综合防控关键技术体系，对灾变机理、溃砂运移、监测预警、辨识预测、防控救援等存在的科学问题进行系统研究，为形成规范化、标准化的技术措施，突破高势能溃砂灾害防控瓶颈提供科学支撑。

3.1高势能溃砂的工程地质模式(赋存)

首先，针对典型溃砂灾害发生的含隔水层、富水性、地下水赋存及补给径流排泄条件、岩性组合、地质构造、岩体结构、地应力、风化特征、地形地貌等，基于信息熵、多准则和贝叶斯理论，建立高势能溃砂灾害前后地下水赋存环境及渗流场演化的表达模型，建立高势能溃砂灾害工程地质结构及其地质环境要素的表达模型。

然后，从地质角度出发，分析高势能溃砂发生的物源和通道条件;量化溃砂形成的多场的赋存环境，建立不同采掘扰动条件下高势能溃砂灾害发生的地质力学演化模型。

最后，选择典型高势能溃砂案例，重构溃砂灾害发生的三维工程地质模型，包含溃砂源、通道、赋存地质环境、采掘活动等关键要素，结合虚拟采掘技术，建立采掘诱发高势能溃砂工程地质模型。

3.2高势能溃砂混合流启动临界条件(形成)

针对不同类型溃砂通道，考虑溃砂发生的应力场、地球物理场和渗流场的前兆信息，建立断裂通道、垮落破碎带及采动裂隙高势能溃砂的启动条件和判据。从能量调控理论出发，研究高能量高速水砂流对裂隙、垮落带等不同溃砂通道，扩展冲刷、冲击、扩容、挤密和结构重组等的作用，建立通道扩张破坏的机制及模式。

3.3高势能溃砂在裂隙带垮落带中的运移机理(运动)

考虑不同采动裂隙带、垮落带、以及不同粒度成分和水砂比的水砂混合物，获得采动裂隙带网络和垮落带的高势能溃砂运移规律。结合耗散结构，建立基于信息熵和互信息的高势能溃砂运移过程的能量转换模型。并在裂隙网络内溃砂速度场、渗流场演化特征的基础上，分析高势能溃砂在采掘诱发裂隙网络中的优势通道分布，获得溃砂位置的判断方法。

3.4高势能溃砂前兆监测预警模型(预测)

在现场长期监测采前和采后的应力场、形变场、渗流场以及地球物理场信息的基础上，获得高势能溃砂前兆信息。采用非线性动力学和多参量融合理论，提取高势能溃砂前兆主控因子，建立预测高势能溃砂的多参量定量概率预警模型。

3.5高势能溃砂防控原理及关键技术(防控)

基于熵变原理和互信息理论，建立基于演化过程的高势能溃砂多场时空立方体预测模型和多准则评价模型，进行高势能溃砂危险源动态辨识及评价。以主动防控措施挡砂墙和注浆治理为技术核心，考虑水砂混合流渗透对挡砂墙与围岩接触面、围岩结构面等的冲刷作用，建立基于渗透破坏的挡砂墙失稳判据，获得挡砂墙设计关键参数;并从宏观和微观角度，获得基于流体力学的注浆治理效果判据，为建立高势能溃砂防控关键技术提供依据。

4结 论

(1)矿山采掘诱发的高势能溃砂灾害形成机制及防控的关键科学问题，既是保障国家能源安全、深部地下工程开发建设重大国家战略需求，又是防范和化解煤矿重大安全风险、面向矿山安全生产国民经济主战场的迫切需要。

(2)针对高势能溃砂灾变研究的薄弱环节，凝练出矿山采掘诱发高势能溃砂启动与灾变机理、水砂混合流在采动覆岩裂隙带和垮落带中的运移规律、高势能溃砂注浆扩散凝固机理、挡砂墙渗透失稳机理等关键科学问题，并提出了综合研究框架。

(3)以赋存—形成—运移—预测—防控为主线，建立高势能溃砂预测评价、灾变机理、运移规律、预警救援、治理恢复的系统防灾减灾救灾的溃砂防控理论及应用基础，提出了高势能溃砂机理及防控研究的内容体系。

(4)矿山采掘诱发高势能溃砂灾变是一个开放的能量调控、高度非线性、多准则控制以及充满不确定性的复杂系统。传统研究多采用定性及半定量的确定性手段、概化及局部的工程模式。随着信息技术及大数据网络的发展，如何从宏观和高度仿真的模型建设出发，结合工程诱发以及灾变过程和结果的不确定性，拓展高势能溃砂灾变研究至深层次、多结构、多维度、多决策的综合防灾减灾体系。

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