地下工程突水的富水优势断裂

" %
部 " 号隧道穿越一 =N 向陡倾断层破碎带时突水量 达 $ECC K% L ,。黎巴嫩的阿尔瓦水电隧道，穿越断层 时突水量 GE!#B K% L ,。美国 O1+ -16*+:. 输水隧道施工 中遇 到 " 条 大 断 层、 #$ 余 条 小 裂 隙（受 =P 向 的 ，断层突水量达 GE!#B K L , 。 O1+ -16*+:. 断层控制） 可见，研究结构面（特别是断裂）控制突水的 机理是极为重要的。然而，岩体中存在的结构面往 往是大量的、纷繁复杂的，如何入手呢？ 肖楠森先生提出了新构造控水的观点。罗国煜 教授研究发现，新构造断裂控水，但不一定富水， 只有 具 备 了 多 种 富 水 优 势 因 素 的 断 裂 才 是 富 水 的
深部传播，指向围岩深部的挤压变形和指向开挖空 间的回弹变形都被限制在了断层破碎带以里，而最 大位移值明显增大。同时，垂直应力和水平应力的 集中范围也明显缩小，集中程度明显增大。可见， 断层破碎带起到了“应力应变屏障”的作用。当屏 障作用显著时，开挖空间与断层带间的围岩的变形 值、应力集中程度和岩体破裂范围都明显增大，从 而导致原始地质条件下不导水的断层透水，并最终 导致 水 突 入 开 挖 空 间， 即 断 裂 由 控 稳 转 化 为 控
时间优势指标评价示例
燕山中晚期 一般 &"0 喜山期（ !$ 以前） 差 &". 喜山期（ !$ 以来） 很差 #
&’#()#*+,- $. */0 +-102 ,3 40,(,4+5#( /+6*,7+5#( *+80
燕山早期 好 &"!
9:;
性质优势特征
岩溶含水层，使区域的次要含水层由于层间补给而 富水，以致引发始料不及的突水事故。如焦作演马 庄矿 #--# 回风巷、小马村矿二煤西石门大巷、王封 矿大井二煤西上采空区的突水等。 压性断裂是受强烈挤压作用形成的，闭合性好， 破碎带物质多为压碎岩、强烈片理化和糜棱岩化的 粉碎性物质（易风化成断层泥） ，透水性和含水性较 差。 扭性断裂的情况要复杂一些。由于扭裂面常较 为光滑，闭合程度高，充填物受碾磨而较细，透水
地下工程突水的富水优势断裂
李晓昭，罗国煜
（南京大学地球科学系，江苏 南京 #!$$?%）
摘要：突水是地下工程常遇到的主要和危害严重的工程地质现象。工程实例分析表明，地下工程中大的涌水和突水 大多与地质结构面，特别是断裂有关。文中分析了断裂控制地下水赋存和运移的规律，以及可能导致突水的富水优 势断裂的特征。由于断裂突水的复杂性和众多的影响因素，将地质机制分析、经验判断和定量指标与评价模型相结 合是重要的，也是可行的。文中介绍了一种富水优势断裂的量化分级方法，讨论了相应的预测与防治工程对策。 关键词：突水；断裂；富水优势断裂；综合量化评价 文章编号：!$$%@A$%B（#$$%）$!@$$%C@$C 中图分类号：DC"#E# 文献标识码：F
&’()*+ ,-. /+01#2$ 1-)(3 45-/)#2$
#2 6#-0,-*72 80-5 9#2(， :#-0;70
与抗渗优势层。 靠近开挖空间，围岩可能已发生失稳破坏，而 谈不上阻水能力；剪应力集中区内，围岩虽然尚未 整体失稳，但集中的剪应力可能会导致节理裂隙活 化、发展，从而导致地下水的导升。对围岩破裂和 剪应力集中起控制作用的岩层，称为控稳优势层。 在应力集中区以外，采动引起的二次应力已不 明显，地下水的运动主要是静态渗透作用。这部分 区域内的某些岩层，可能因其特殊的岩性或岩体结 构而具有抗渗优势。 优势含水层是指含水层组中最具突水（危险性）
表! "#$% !
断层地质年代 断层面胶结状况 时间优势指标值% " 印支期 很好 &"#
等同于新构造，对工程地质而言，其时限稍稍过长； 从喜山期构造中划分出新构造期，对水文地质工程 地质有着极其重要的实际意义，他建议以第三纪以
［##］ 来或第四纪以来作为时限 。
这里，以煤矿突水为例，给出了一个时间优势 指标取值示例，见表 #。
! 山东矿业学院特采所 /
!"$"# 基本规律 张性断裂一般是导水和富水的；扭性断裂次之； 而压性断裂一般是不导水的。 张性断裂一般张开程度较大，断裂面粗糙不平， 充填物疏松，空隙发育，透水性和含水性较强。我 国北方的几个矿区的岩溶充水均与张性和张扭性的 构造体系有关，如徐州和肥城矿区的 %* 向张性断 裂、峰峰及井陉矿区的 %%( 张性断裂、焦作矿区的 ［#0］ 近 (* 向张扭性断裂 。平行的张裂面往往形成宽 度较大的张列带，如焦作 %** 向的一系列的张断 裂构成小型地堑，出现成组的突水带，导致焦西矿 二煤采区的频繁突水；张性断层可以连通所切割的 万方数据
第 !" 卷 第 ! 期 #$$% 年 % 月
中国地质灾害与防治学报 &’( )’*+(,( -./0+12 .3 4(.2.5*612 718109 1+9 ).+:0.2
;.2< !" =.< ! >10< #$$%
! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
图< "#$% < 焦作中马村矿突水示意图
优势特征的含水层。某些含水层，岩溶发育且厚度 大，具有富水优势，成为富水优势层。但真正有突 水危险（优势） ，尚需具有水压大、距离近等工程优 势特征。
&’()*+ ,-. /+01#2$ 1-)(3 45-/)#2$
#2 =+02$,-*72 80-5 9#2(， :#-0;70
［+］
!"#"! 优势指标的取值 根据这一规律，可以按照构造断裂的形成时间， 给出相应的分值，来达到对控水的时间优势特征的 量化评价。这里，有两个问题要明确： （#）时间维的取值区间：这要根据工程中遇到 的主要构造断裂的形成时间来定。比如，我国北方 主要成煤地层在石炭,二叠纪，那 么，对 于 煤 矿 突 水，时间维的下限可以定在二叠纪，即印支期以后 形成的断裂。 （$）时间刻度：一般来说，时间刻度并不是均 匀的，这主要根据构造运动对构造断裂的影响而定。 喜山运动是地质历史上比较新的一次地壳构造运动， 对构造断裂的工程地质水文地质特征影响尤为显著， 因此，要予以更多的关注，时间刻度可相应地划得 细一些。刘东升（#+)-）将珠峰地区喜山期分为四 幕，任纪舜（#+.&）将西部地区的喜山期划分为三
［##］ 幕 。罗国煜指出，将新生代以来喜山期构造完全
。从作者掌握的突水资料看，上述规律依
然存在。 在焦作矿区有 $ 条近 (* 向的新构造活动强烈 的张扭性大断层：朱村断层、凤凰岭断层。据钻孔 及巷道揭露情况，深层岩溶大部分沿着 $ 条断层密 集分布
［#$］
，形 成 一 个 突 水 点 密 集 带。如 王 封 矿 西
% ［B］
问题，优势面控水机制的特点是不同的，主要表现 在： !"# 富水优势断裂控水的时空效应不同 地下水开采过程中，井位是固定的，含水层和 富水优势断裂也是相对固定的；而地下工程施工过 程中，开挖空间与地质结构的位置关系不断变化， 也就是说，关键岩层和结构面的优势特征是随工程 的空间发展而变化的。 在地下水开采过程中，富水优势断裂的控水特 征在相当长的时间内是相对稳定的；而突水过程是 一个动态过程，结构面的控水特征是随时间变化的， 这种变化有时要经过很长的时间过程。比如，焦作 小马村矿二煤 B!$# 工作面风道盲巷掘完 ! 1 后才发 生了断层突水（见图 ! 示） ，也就是说水沿断层上升 到开挖空间，经历了 ! 1 的时间。 !"! 断裂控水特征受地质与工程双重因素影响 在地下水开采过程中，控制地下水赋存和运移 的是地质结构；而对于地下工程，却是双重因素： 地质结构、工程参数。比如，焦作的李封矿斜井二
［A I !!］ % ［G］
。数十年来，优势面理论用于地下水探寻成
效显著。受此启发，本文第一作者从 !??C 年开始跟 万方数据 随罗国煜教授作博士后期间，对地下工程优势面控
第#期
李晓昭，等：地下工程突水的富水优势断裂
$*
煤 !""# 回风巷、韩王矿 "#$# 工作面、小马村矿二 煤 !#%" 工 作 面 风 道 盲 巷、中 马 村 矿 "$%&# 工 作 面 （见图 #、图 "）等，巷道揭 露 断 层 时，均 未 出 水， 而是当开挖面沿断层走向推进时，才发生了突水。
［"， $］ 水 。
<>@
地下工程突水，除优势结构面，还有优势层的 控制作用 围岩往往存在着明显的层状特征。研究发现，
图! "#$% !
焦作小马村矿突水示意图
其中某些岩层对突水发生起着控制作用，因而作者
［" ’ (］ 提出了控制突水的优势层的概念 。根据其作用 ［(］ 机制的不同，可分为：优势含水层 、控稳优势层
!
引言
国内外矿山开采中已发生的突水事故中有 ?$H
［# I "］ 稳控水机制进行了研究 。
#
突水与采水的优势面控水特征
地下工程突水与地下水开采是两个不同的工程
［!］ 与断裂有关 。作者对焦作矿区 #A 次重大突水事故
的 统 计 结 果 显 示， 与 断 层 有 关 的 #! 次， 占 ［# I "］ 。 GBH 在各种铁路、公路、水电、输水等地下工程中， 断层破碎带都是易发生突水灾害的地段，而且，断 层突水突发性强，水量大，危害严重。京广线大瑶 山隧道（长 !"E% JK）过 ? 号断层时，最大涌水量达 "EA K L 9，损失巨大 。襄渝线大巴山隧道因切断 岩溶通道 及 断 层 破 碎 带，瞬 间 突 水 量 达 !$" K% L 9， ［C］ 总涌水量达 !E? I #EG M !$" K% L 9 。日本旧丹那隧道