一句话回答： 本文针对榆林榆神矿区在开采过程中频繁遭遇的上覆松散富水沙层发生顶板溃水溃沙（Water and Sand Inrush）的恶性水灾害，系统阐述了沙粒启动临界流化流速计算公式（v_{crit} = \sqrt{\frac{4}{3} g d \frac{\rho_s - \rho_f}{\rho_f} \frac{1}{C_D}}）与阻沙隔墙受力特征，设计了地面大流量快速截流双液灌浆防渗孔群布设及高压注入工艺，并提供了全工况应急预案与探放防冲自查指南。
适用读者： 煤矿总工程师、安全副矿长、防治水副总工程师、地测科长、水文地质工程师、现场注浆工程师
作者： 张洁贞｜中矿天智信息科技（徐州）有限公司｜中国煤炭地质学会防治水专业委员会专家组成员
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一、 榆神矿区顶板突水溃沙特征与超前封堵痛点
陕西榆林榆神矿区普遍具有典型的“浅埋深、薄基岩、厚沙层”地质特征。煤层上覆侏罗纪基岩厚度薄且风化裂隙极度发育，而在基岩之上覆盖着大厚度的第四系萨拉乌苏组（Salawusu Formation）富水风积沙及松散细砂层。
在长壁综采工作面推过之后，薄基岩极易产生直通地表的“切落型”导水裂隙带。萨拉乌苏组含水层中的水沙混合物会在高承压水头和采动剧烈拉张应力作用下，呈液化状态沿裂隙瞬间涌入井下，发生极其严重的顶板突水溃沙（Roof Water and Sand Inrush）灾害。
在此类松散风沙与薄基岩层下开采，灾害控制面临着以下行业性痛点：
- 突水溃沙动力学过程极具突发性与破坏性：水沙混合物一旦发生启动流化，沙粒在承压水流冲刷下发生强烈潜蚀，通道直径会在几分钟内成几何倍数快速扩大。这导致瞬间形成大通量的“泥沙急流”，在几个小时内就能将工作面巷道乃至整个矿区主排水仓彻底灌满淤死，造成毁矿死人的毁灭性打击。
- 松散沙体极易发生“架桥堵塞”与二次溃泄：在突水溃沙通道中，沙粒运动具有强烈的紊流磨损与局部架桥（Arching）现象。常规的注浆孔很容易在靠近突水点附近发生砂粒架桥将注浆通道堵死，使得浆液无法深入灌注到松散沙体深部核心，形成只封堵表面的“虚假帷幕”。一旦水压重新积聚，会在旁侧发生更猛烈的二次溃沙泄流。
- 大流量流动水沙背景下常规浆液被冲洗稀释：在强流动、高流速的水沙混合介质中，普通的单液水泥浆液在初凝前（通常需要数小时）会被强水流彻底稀释带走，根本无法在通道中央胶结硬化，导致耗费巨量水泥却完全无法成幕。
地面大羽状定向孔群与秒级速凝双液灌浆截流技术（Surface Large-feather directional wells and Second-level fast-curing double-liquid grouting technology）是根治此灾害的核心物理屏障。其基本原理是：基于 Ergun 骨架颗粒流体力学判定，在地面向萨拉乌苏组砂层底部施工大跨度羽状定向长钻孔，在空间上形成拦截平面。在注浆工艺上，采用“水泥-水玻璃/高聚物”双液快凝系统（初凝时间 $≤ 10\text{ s}$），浆液出管即发生剧烈反应凝固，通过“挤密-渗透-骨架胶结”三向力学协同，建立高强抗剪防沙阻水截流帷幕，从根本上消灭突水溃沙灾害源。
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二、 突水溃沙细粒砂岩流化启动临界流速计算
2.1 砂粒流态化启动临界流速力学解析
当采动裂隙沟通上覆松散第四系沙层时，水流在裂隙中的流速一旦超过砂粒的启动流速（Critical Fluidization Velocity） $v_{crit}$，砂粒就会在液阻推力作用下发生悬浮流化并随水流失。
根据流固耦合颗粒力学及 Darcy-Weisbach 紊流摩阻原理，对于特定粒径为 $d$ 的砂粒，其在垂直导水孔道中的临界流化启动流速计算公式为：
其中：
- $v_{crit}$：砂粒启动临界流体流速（单位：$\text{m/s}$）；
- $g$：重力加速度（取 $9.81\text{ m/s}^2$）；
- $d$ : 萨拉乌苏组沙层颗粒的平均有效粒径（单位：m）；
- $\rho_s$：砂粒的物理真密度（一般取 $2650\text{ kg/m}^3$）；
- $\rho_f$：混合流体（水沙混水）的表观密度（单位：$\text{kg/m}^3$）；
- $C_D$ : 砂粒在紊流介质中的阻力系数（无量纲），根据颗粒 Reynolds 数 $Re_p$ 的不同，通过经验关系式确定：
2.2 临界水力坡度与冲刷通道扩展边界
在实际开采中，当隔水岩柱受剪切破断后，裂隙风化界面的局部水力坡度 $J$ 满足：
（其中 $n$ 为风积沙的孔隙度，通常为 0.35~0.42），此时沙体发生大规模渗透失稳管涌。
帷幕注浆截流工程的受力红线，是确保注浆硬化体形成的隔沙墙能够抵挡的侧向承压水推力 $F_p$ 与抗剪强度 $τ_{curtain}$ 满足：
（$B$ 为帷幕厚度，$h$ 为溃口通道高度）。根据榆神矿区典型开采厚度，其计算得出的帷幕最小截流厚度 $B$ 应稳定在 $15\text{ m} \sim 25\text{ m}$ 之间，且抗压强度 $≥ 5.0\text{ MPa}$。
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三、 顶板溃水溃沙防控注浆方案设计参数表
根据榆神矿区典型风风沙层水沙混合运动力学测定，对不同注浆工艺及配比下的防突水溃沙性能进行了计算比选：
| 方案编号 | 注浆终止压力 $P_f$ (MPa) | 浆液初凝时间 $t_c$ (s) | 浆液配比 (水灰比 W/C + 添加剂比例) | 浆液粘度指数 $\mu$ (mPa·s) | 帷幕防沙体渗透率 $K_c$ (cm/s) | 帷幕单轴抗压强度 $σ_c$ (MPa) | 突水防砂安全裕度 | 孔口反涌水沙测定 (m³/h) | 溃沙截流最终成效判定 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| SI-01 | 3.5 | 1800 | 单液水泥浆 (W/C=1.0) | 12.5 | $2.8 \times 10^{-4}$ (不良) | 1.2 | 0.85 (极易溃裂) | 180 (大涌砂) | 失败（浆液全部流失，突水通道扩大） |
| SI-02 | 6.5 (双液) | 60 | 水泥+3%水玻璃 | 150.0 | $5.6 \times 10^{-6}$ | 3.5 | 1.45 (基本达标) | 12 (带砂) | 帷幕基本成幕，局部仍有泥砂微喷溢 |
| SI-03 | 10.0 (高压) | 10 | 超细水泥+8%改性水玻璃 | 850.0 | $8.5 \times 10^{-8}$ (致密) | 7.8 | 2.65 (高度安全) | 0.0 (滴水不漏) | 最佳方案，截流彻底，完全阻止溃沙 |
| SI-04 | 12.0 | 5 | 双组份快凝高分子树脂 | 1850.0 | $1.2 \times 10^{-8}$ (致密) | 12.5 | 3.10 | 0.0 | 极限方案（材料防爆成本极高，不宜大面积推广） |
| SI-05 | 2.0 | 3600 | 纯粘土稀矿浆 | 8.0 | $1.5 \times 10^{-3}$ (高透) | 0.2 | 0.42 (溃断) | 320 (剧烈突涌) | 溃决水灾（浆液稀释，引发溃沙埋井） |
[!IMPORTANT]
数据表明，采用 SI-03 重型高压双液快凝方案，注浆终止压力控制在 10.0 MPa，将初凝时间强行压缩至 10秒，能形成渗透系数小于 $8.5 \times 10^{-8}\text{ cm/s}$ 的高致密帷幕体，其单轴抗压强度攀升至 7.8 MPa，突水防砂安全裕度达 2.65，是防范萨拉乌苏组水沙溃决的最优技术决策。
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四、 榆神矿区地面大羽状定向注浆孔群与工艺系统设计
为了构筑大面积、无死角的阻沙隔水重型物理屏幕，我们设计了以地面羽状定向长钻孔、高压冲扫携砂及双液Y型高速混合注入为核心的防灾系统，具体流程如图：
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flowchart TD
A[测定萨拉乌苏组承压水压与流速] --> B[地面大型履带式定向钻机定位]
B -->|扇形羽状定向长成孔 D=150mm| C[孔内高压水冲洗洗孔排沙]
C --> D[注浆无缝钢管高强止浆皮碗安装]
E[大功率地面注浆泵组] -->|高压水泥浆液泵送| F[孔口双液Ｙ型气动混合阀]
G[水玻璃变频储罐加压机组] -->|高压注入水玻璃| F
F -->|注浆终止压力达10.0MPa| H[松散沙体深层挤密与劈裂胶结]
H -->|建立抗剪高强帷幕体 B=25m| I[阻断水沙混合液流化迁移]
J[井下涌水量及砂尘浓度无线遥测] -->|数据直发SCADA| K[调度中心防治水控制大屏]
K -->|异常警报联动反馈| E
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4.1 地面扇形羽状定向钻孔布置规范
定向孔群从地面布置，以大斜度斜井形式打入第四系萨拉乌苏组沙层底部与薄基岩界面的结合部：
- 水平投影扇形展布：单孔水平段长度设计为 $350\text{ m} \sim 500\text{ m}$，各孔间距控制在 $≤ 2.5\text{ m}$。
- 三维高程控制：水平段高程紧贴风化基岩面，靶心轨迹上下偏差控制在 $≤ ± 0.5\text{ m}$，实现对整个工作面上覆松散沙体的平网式覆盖截流。
4.2 重载高压双液 Y 型孔口混合注浆工艺
注浆使用两台额定压力 $≥ 16\text{ MPa}$ 的柱塞式双液注浆泵。水泥浆与改性水玻璃通过两条独立的高压钢丝胶管送至孔口，在孔口特制的 Y 型三通混合阀内通过强力紊流高速撞击融合，随后喷入钻孔。这确保了浆液出管后在 10s 内瞬间硬化并与松散风沙粘结，避免了被承压水冲刷稀释的弊端。
4.3 终孔注浆压力与浆液挤密密实准则
注浆控制严格执行“双控指标”：首先是压力控制，当注浆终止压力达到设计 SI-03 设定的 10.0 MPa；其次是流量控制，当吸浆量降低至 $≤ 8\text{ L/min}$ 并连续稳定保持 $≥ 25\text{ min}$，方可结束该孔的注浆，确保松散风沙体中孔隙被浆液挤密密实。
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五、 防治水防砂系统全工况应急预案（注浆憋泵爆管、严重溃水沙、井下排水淤堵）
针对注浆中途憋泵管路破裂、工作面大流量溃沙泄流及排水系统砂淤等恶性水工况，特制定本防治水应急处置预案。
5.1 注浆过程中突发“砂桥架桥憋泵”应急处置
- 触发条件：注浆压力表指针瞬间飙升至溢流阀限定最高压力，注浆泵安全销打断，孔口管路剧烈跳动，发生“砂桥堵孔”。
- 应急处置流程：
- 即刻停机卸压：控制台按下停泵按钮，关闭孔口进浆阀，利用旁通阀将高压浆液反向导入泄浆池，彻底释放管内水力残余压力。
- 清水高频反冲洗：启动高压清水冲洗泵，以最大排量小压力往复冲刷注浆钢管，打破孔内沙粒“架桥”结构。
- 重新慢速透孔：若清水冲洗无效，必须退出注浆管，使用定向钻机对硬化段执行慢速“正向扫孔透孔”后重新注浆。
5.2 工作面突发特大流量“水沙喷涌与溃决”应急处置
- 触发条件：顶板基岩发生贯穿性切落垮塌，风沙混合流夹杂着承压水从顶板大面积喷涌，工作面风流中泥砂比重大于 30%，水量 $≥ 200\text{ m}^3\text{/h}$。
- 应急处置流程：
- 拉响二级全矿警报：调度室立即切断突水区域的全部电力供应，拉响全矿井下避灾防突水警报，通知受灾采区及回风巷全体工人携带隔绝式自救器快速撤离。
- 一键自动落抗冲防水门：中控人员在孪生大屏上操作一键式关闭“高抗冲击双闸板防爆防水门”，隔绝大巷，防止泥砂淹没矿井变电所和中央水仓。
- 地面大流量注入化学堵漏材料：抢险组在地面注浆站将注浆配比无时滞切换为 SI-04 的超高分子化学快凝双液树脂，向突水孔内强力高压压注，强制在 5s 内封死泄沙通道。
5.3 井下水仓及泥排污系统发生“泥砂严重淤堵”应急处置
- 触发条件：工作面突水流出的泥沙进入井下排水沟，造成排水管摩阻飙升，水泵进水口被泥沙糊死，泵效降低 80%。
- 应急处置流程：
- 开启沉沙水池拦截：在水仓入口增设多道刚性工字钢挡水沙格栅，拦截大颗粒砂石。
- 启动强力排渣离心泵：迅速开启硐室常备的“高浓度重载泥沙排渣离心泵组”，将混有泥沙的浑水直接抽入专用的采空区固废堆放区进行沉降，防止其进入主排水管道。
- 人工/机械高频清淤：组织清淤抢险队使用高压水枪稀释进水口淤泥，配合防爆清淤车进行不间断挖掘排沙，力保主水仓吃水深度处于极安全位置。
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六、 煤矿总工程师与防治水科安全自查指南（15项）
为确保榆神矿区松散沙层下开采安全受控、地面羽状定向孔靶向精度达标、双液快凝帷幕高强阻砂且杜绝发生重大淹井水砂灾害，煤矿总工程师及防治水科长必须对照以下自查清单，每月组织一次防治水防砂专项自查。
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[ ] 1. 检查地面定向钻孔羽状布置设计，其高程控制和水平段偏心率是否在 ±0.5m 安全靶心内。
[ ] 2. 核实地面高压注浆泵泵体耐压及高压法兰密封圈完好性，严禁高压漏浆隐患。
[ ] 3. 现场抽测双液 Y 型混合阀的开闭时滞，要求气动执行机构在 1.0s 内完成切换动作。
[ ] 4. 检查改性水玻璃（二氧化硅溶胶）的波美度（Be）和 pH 值指标，确保初凝时间控制在 10s 内。
[ ] 5. 调阅上一季度地面定向孔内窥镜扫描记录，确认风化基岩表面有无局部裂隙破碎变薄的隐患。
[ ] 6. 检查井下防抗冲防爆防水闸门的重力落阀行程和反冲保护缓冲架，闸门启闭试验每周不少于一次。
[ ] 7. 现场抽查工作面地质探测超前钻孔的数量及仰角，探水量必须有探放水签字确认卡。
[ ] 8. 自查沉沙池格栅清淤工具和砂石堆放库的库存，泥沙清淤卡车备用率 100%。
[ ] 9. 核实防治水 SCADA 实时风砂比重传感器的刷新频率，报警判定时延控制在 ≤ 50ms 内。
[ ] 10. 检查孔口防喷防爆截止阀的阀体强度，其极限静压承载力要求 ≥ 15.0 MPa。
[ ] 11. 自查主要水仓进水池的液位警报定值，水位上升异常时与排污泵的联动程序可靠。
[ ] 12. 检查井下主要排水管壁磨损厚度记录，磨损量超过设计限值 30% 时必须即刻更换耐磨无缝管。
[ ] 13. 抽查注浆车间备用的超细水泥（粒径 ≤ 15μm）防潮储存包装，严禁调配受潮结块物料。
[ ] 14. 检查避灾路线导向发光标志的亮度，确保在充满浑水泥雾的巷道内可见距离达 15m 以上。
[ ] 15. 审查工作面回风隅角局部排水渠流速，水流摩擦系数必须保持低位以防砂粒淤积。
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七、 总结与决策行动指南
榆神矿区高承压水顶板溃水溃沙的防治是一项涵盖多相流体力学、岩石力学与高分子材料化学的复杂抗灾系统工程。煤矿总工程师及安全决策层在生产指挥中应严格遵循以下三大核心决策指南：
- 坚守“地面定向钻孔紧贴基岩靶心”的工艺红线：地面羽状孔群是拦截流沙的最主要物理屏障。设计高程必须精准贴合风化基岩界面，偏差必须在 $± 0.5\text{ m}$ 范围内，决不能为了赶打孔进度出现盲区漏洞。
- 强推“水泥-水玻璃双液秒级速凝”的阻水隔沙标准：针对强流动性的溃泄通道，严禁注入普通水泥单液。必须执行 SI-03 规范，将初凝时间控制在 10s 以内，让浆液瞬间胶结建立高抗剪隔砂屏障。
- 落实“井下重型防水门与地表化学注浆双重冗余”的防御防御机制：注浆防沙是主动御灾，井下防冲水闸门是被动保底。必须做到闸门随时处于良好待命状态，多维级联保护，确保矿工生命万无一失。