評價煤層頂板湧（突）水條件的“三圖-雙預測法”

摘　要：針對我國煤礦日益嚴重的頂板湧（突）水問題，提出了解決煤層頂板湧（突）水條件定量評價的“三圖-雙預測法”，並在開灤荊各莊礦和東歡坨礦得到成功的應用.在對荊各莊礦煤₉頂板直接充水含水層的富水性和開采頂板冒落的安全性進行分區研究的基礎上，運用多源地學信息複合疊加原理，提出了煤₉頂板冒落湧（突）水條件綜合分區的劃分方案.最後運用國際先進的Visual Modflow 專業軟件對即將回采的2099，2393兩工作麵的工程湧水量和頂板直接充水含水層的采前預疏放方案進行了動態預測.
關鍵詞：“三圖-雙預測法”；頂板湧（突）水條件；工程湧水量預測；多源地學信息複合
分類號：TD742　文獻標識碼：A
文章編號：0253-9993(2000)01-0060-06

“Three maps-two predictions” method to evaluate
water bursting coditions on roof coal

WU Qiang, HUANG Xiao-ling,DONG Dong-lin
(Beijing Campus, China University of Mining and Technology, Beijing　100083, China)
YIN Zuo-ru, LI Jian-min, HONG Yi-qing, ZHANG Hou-jun
(Kailuan Mining Bureau, Tangshan　063018， China)

Abstract：In the light of more and more serious water bursting problems on roof of coal layers, a new method which is called as “three maps-two predictions” is put forward firstly. The method has been successfully applied to solve the roof water bursting problems at Jinggezhuang and Donghuantuo Coal Mine in Kailuan. On basis of division researchs for aquifer water-enrichment and inbreak in safety of coal seam No.9 in Jinggezhuang Coal Mine, the final comprehensive division program of water bursting conditions is presented through overlapping of multiple source geo-information. Finally, both water bursting inflows of mining faces 2099 and 2393 and beforehand dewatering program for the water-filling aquifer are predicted by utilizing advanced professional software Visual Modflow.
Key words：“there maps-two predictions”; water bursting condition in coal roof; prediction of engineering inflow; overlapping of multiple source geo-information▲

　　煤層底板突水問題一直是困擾華北型煤田煤炭工業可持續性發展的主要水患，其頂板水問題可用留設有效防水煤柱措施加以解決.但是，隨著礦山開采深度逐漸加大和下組煤開采，頂板冒落溝通上覆含水層而導致頂板湧(突)水災害發生或惡化工作麵生產環境的實例日益增多，例如開灤礦務局目前近一半的生產礦井遭受頂板水害的嚴重威脅.以荊各莊礦為例，該礦自1979 年正式投產以來，共發生了3次大的突水02manbetx.com ，均為煤₉頂板突水，突水水源是煤₉上覆的煤₅頂板砂岩裂隙含水層，其最大突水量高達44 m³/min，造成工作麵整體被淹，生產被迫終止.另外，根據目前礦井湧水量實測資料統計，荊各莊礦煤₅頂板砂岩裂隙水占礦井總湧水量的50%左右，即將開采的2099和2393工作麵正位於斷層帶附近，故上覆充水含水層對礦井安全生產威脅很大.
　　因此，如何解決煤₉回采的頂板湧(突)水條件定量評價問題，對扭轉荊各莊礦目前煤炭生產的被動局麵具有極其重要的理論指導意義和實用價值.
　　筆者根據多年工作實踐，提出了解決煤層頂板湧(突)水災害定量評價的“三圖-雙預測法”，即頂板直接充水含水層的富水性分區圖、頂板冒落安全性分區圖、頂板湧(突)水條件綜合分區圖及回采工作麵整體和分段工程湧水量預測、頂板直接充水含水層采前預疏放方案預測.其中湧(突)水條件綜合分區圖由富水性和冒落安全性分區圖複合疊加而成.

1　礦井水文地質背景

　　根據對荊各莊礦井水文地質條件的係統綜合03manbetx 認為，與煤₉頂板突水關係密切的主要充水含水層為煤₅頂板砂岩裂隙含水層和第四係底部卵礫石孔隙含水層，它們分別是煤₉頂板突水的直接和間接充水含水層，在兩含水層之間存在一粉粘土弱透水層.
　　荊各莊井田東部和東南部以F₁～F₃斷層組為界，其餘部分以隱伏露頭為界.由於第四係底部卵礫石含水層覆蓋於整個井田之上，因此該含水層的邊界條件屬於二類流量邊界；煤₅頂板砂岩裂隙含水層四周均為隔水邊界，在垂向上通過窄條狀隱伏露頭內邊界接受上部含水層補給；底卵底部粘土層為一弱透水層，它的外邊界均作為隔水邊界，該層在礦區東南部不發育，致使底卵含水層幾乎與基岩含水層直接接觸，而在西北部發育較厚，底卵含水層與砂岩裂隙含水層的水力聯係較弱.

2　煤₉頂板充水含水層富水性分區研究

　　針對礦井水文地質條件的複雜多變性、各種勘探資料在地域上的局限性和在觀測精度上的不真實性，筆者運用多源地學信息複合疊加原理^［1］，盡可能多地挖掘了荊各莊礦自建礦以來的所有勘探資料，對各種水文地質物理場的地學信息進行了係統綜合疊加處理，信息源之間相互對比印證，取得了很好的效果.
2.1　第四係底部卵礫石孔隙含水層
　　本含水層為煤₉頂板突水的間接充水水源，根據現有資料對含水層厚度和滲流場特征進行了03manbetx .
　　(1)含水層厚度　本充水含水層位於衝積層下部，厚度隨整個衝積層的沉積厚度變化而變化，具有北薄南厚的特點，大、小極值分別為1.12和53.10 m，茅草營以北不足10 m，向南最厚達53.10 m.
　　(2)滲流場特征　根據底卵含水層抽水試驗結果可知，其滲透係數由南向北逐漸增大，在井田南部大約為4 m/d，而在井田北部可達32 m/d，說明該含水層北部滲透性大於南部；含水層單位湧水量為0.93～2.25 L/(s^.m)，由西向東逐漸增大.
　　綜上可知，底卵含水層北部滲透性較好，南部卻較差，而富水性從西向東逐漸增強，在東南部達到最佳.
2.2　煤₅頂板砂岩裂隙充水含水層
　　通過對該充水含水層的岩性岩相變化、構造場、水化學場、抽水試驗場、突水事件滲流場和鑽孔衝洗液消耗量變化等6個方麵地學信息的綜合03manbetx ，提出了煤₅頂板砂岩含水層富水性分區的劃分方案.
　　(1)岩性岩相變化特征　在03manbetx 岩性岩相變化時，主要考慮了充水含水層厚度和脆性岩（以砂岩、粉砂岩為主）、塑性岩（以泥、頁岩為主）所占的比例.該含水層中間厚、兩邊薄，在向斜軸附近較厚，大約為170 m.從軸線向東西兩側逐漸變薄，西部坡度較大，厚度變化明顯，在邊緣地帶為30 m左右，東部坡度較小，厚度變化緩慢，在荊1和灣水3號鑽孔附近略有波狀起伏，在東部邊緣大約也為30 m.煤₅頂板砂岩裂隙含水層的厚度變化趨勢與整個盆狀向斜相符.
　　煤₅頂板砂岩裂隙含水層主要由砂岩、粉砂岩和頁岩組成，脆性岩厚度遠大於塑性岩，其厚度為2.65～185.1 m，平均為80.81 m；而塑性岩厚度為0.025～66.07 m，平均12.73 m.脆性岩與塑性岩比值變化較大，荊26孔最小，為0.42，荊27孔最大，為152.03，在軸線以東，比值相對較小，一般為0.42～30，而在軸線西部，比值較大，多為30～150.
　　(2)構造場特征　荊各莊礦地質構造以斷裂為主，褶曲不發育.落差大於3～5 m的斷層共有50多條，走向主要為NEE向，其次為NW向，近似呈直角.因受來自南西和北西2個方向擠壓力的作用，井田內節理裂隙以NEE向最為發育，其次為NNW（NNE）和NW向.在井田中部，地層產狀平緩，節理麵較陡，大部分在70°以上，有的甚至直立，而在邊部，節理產狀較緩.
　　(3)水化學場特征　根據鑽孔水樣六大常規離子的水質分析結果，井田東部水化學特征具有明顯的一致性，故可劃分為一個獨立的水流係統.井田西部各鑽孔的陰陽離子含量有所不同，這需要結合其它物理場信息進一步細化.
　　(4)抽水試驗場特征　荊各莊礦煤₅頂板砂岩含水層的單孔抽水試驗資料顯示，含水層的單位湧水量為0.206～1.942 L/(s^.m)，平均0.974 L/(s^.m)，滲透係數為1.586～8.945 m/d，平均4.617 m/d.二者的變化趨勢為：單位湧水量由西向東逐漸變大，在灣水1號孔處達到最大，為1.942 L/(s^.m)，表明含水層西部富水性差，東部富水性強，且由西向東均勻增大.含水層的滲透係數在灣37號孔最大，為8.945 m/d，其變化趨勢與單位湧水量相同，由西向東逐漸增大，說明東部滲透性強於西部.但單位湧水量的最大點與滲透係數最大點卻不重合，說明富水性最強的地段，其滲透性不一定最好，因此，僅據滲透係數不能說明含水層的出水能力.一個滲透係數較大的含水層，如果其厚度非常小，它的出水能力也是有限的.雖然灣37孔處滲透係數很大，但含水層的厚度較小，約為30 m，因而它的富水性不是最強.
　　(5)突水事件滲流場特征　根據對1096和1093工作麵兩次突水全過程資料的係統分析認為，荊各莊井田東部富水性明顯強於西部，並且在整個突水過程中，沿主滲透方向觀測孔的水位變化幅度最大.這與前麵各物理場分析結論相符.
　　(6)衝洗液消耗量變化特征　對所有勘探鑽孔柱狀圖的分析表明，幾乎所有鑽孔通過本層時均有衝洗液消耗，消耗量大於5 m³/h的鑽孔占總數的58%，而且漏水嚴重的鑽孔均分布在井田東部，這說明井田東部裂隙較為發育，其富水性較好.
　　另外在井田西南的向斜軸附近，衝洗液消耗量也相當大，呈紡錘型，衝洗液消耗量大於15 m³/h，說明此區富水性也較好.
　　綜合上述各物理場的水文地質特征，經過多源地學信息相互驗證，複合疊加，確定了該充水含水層富水性分區的劃分方案（見圖1）.整個井田共分為5個區，富水性由強到弱依次為A，B，C，D，E.A區內又以FE₉斷層為界分為兩個區，A-1區的富水性強於A-2區.

圖1　煤₅頂板砂岩裂隙充水含水層富水性分區
Fig.1　Water-rich division map for sandstone
aquifer on coal seam No.5

3　煤₉開采頂板冒落安全性分區研究

　　按照“上三帶”理論，導水裂隙帶發育高度是煤層開采頂板湧(突)水災害發生的基礎.目前我國大多數煤礦區均采用《礦井水文地質01manbetx 》的經驗公式計算導水裂隙帶發育高度^［2］.但由於這些經驗公式在考慮覆岩段的地層岩性組合和空間分布位置等方麵較粗糙，實際應用誤差較大.為此，筆者從覆岩段岩性岩相的變化入手，在係統查閱整理了144個勘探鑽孔柱狀圖的基礎上，對采用經驗公式計算的導水裂隙帶發育高度進行了合理的岩性岩相變化校正，效果較好.
3.1　煤₉至煤₅之間的覆岩段岩性岩相變化分析
　　煤₉與上覆煤₅頂板砂岩裂隙含水層之間僅存在7.52～76.44 m的覆岩段，主要以粉砂岩、砂岩和粘土岩為主，呈中間厚、兩邊薄的趨勢，最厚處分布在荊21、荊19和灣39號鑽孔附近，厚度大於70 m，向兩側逐漸變薄，東部變化較緩，西部變化較快，到達邊緣處為20 m左右.覆岩段中塑性岩大部分位於煤₉頂板或與砂岩互層.由於塑性岩厚度較小，在煤₉頂板發生冒落時，位於煤₉頂的塑性岩基本處於冒落帶，起不到隔水作用.與砂岩互層的塑性岩石雖然有一定的隔水作用，但因厚度有限，其隔水作用不會太大.
3.2　導水裂隙帶發育高度的計算
　　在開灤礦區，所采煤層均為緩傾斜煤層（0～35°），上覆岩石為砂岩、粉砂岩和泥岩等中硬型岩石，因而根據《礦井水文地質01manbetx 》采用如下計算公式，即

式中，H_l為導水裂隙帶高度；M_i為煤層累計厚度；n為開采分層數.
3.3　煤₉頂板開采冒落安全性分區
　　若導水裂隙帶發育高度小於煤₉至煤₅之間覆岩段厚度，則頂板冒落時，煤₅頂板裂隙水一般不會泄入巷道；反之，則會發生湧(突)水災害.因此，將覆岩段厚度減去導水裂隙帶發育高度，即可確定冒落安全區與非安全區的界限.但由於影響導水裂隙帶發育高度的因素很多，除采厚外，開采方法、覆岩段岩性岩相變化及地質構造等均是其控製因素.因此綜合考慮多方因素，確定了煤₉頂板冒落安全性分區方案（見圖2）.

圖2　煤₉開采頂板冒落安全性分區
Fig.2　Division map of caving in safety
for mining coal seam No.9

　　整個井田分為A，B，C，D，E 5個區域.最安全的區域是A區，該區導水裂隙帶發育高度小於覆岩段厚度，E區最危險，其導水裂隙帶高度遠大於覆岩厚度.

4　煤₉開采頂板湧(突)水條件綜合分區研究
　　開采深部煤層導致頂板湧(突)水災害發生，其充分必要條件是煤層回采形成的導水裂隙帶溝通了上覆充水含水層,且直接充水含水層在回采工作麵對應位置的富水性較強.
　　根據上述煤₉開采頂板冒落安全性分區和煤₅頂板砂岩裂隙含水層富水性分區的研究成果，筆者複合疊加兩個分區所有地學信息，提出了煤₉開采頂板湧(突)水條件定量評價的綜合分區劃分方案（見圖3）.整個井田以向斜軸為界，分為A和B兩大區.其中A區突水危險性小，因為該區上覆充水含水層的富水性較差，即使煤層開采頂板冒落至上覆含水層，也不會誘發大的湧(突)水災害；B區則突水危險性較大，因為該區上覆充水含水層的富水性較好，而且在該區範圍內，大部分區域導水裂隙帶發育高度均大於覆岩段厚度.A區可進一步細分為2個子區，B區可細分為4個子區，其突水危險性由小到大依次為
　　A-1區→A-2區→B-1區→B-2區→B-3區→B-4區.

圖3　煤₉開采頂板冒落湧(突)水條件綜合分區
Fig.3　Synthetic division map of caving in water-
bursting condition for mining coal seam No.9

5　煤₉回采工作麵頂板工程湧(突)水量動態預測

　　根據煤₉頂板湧(突)水量預測的水文地質概念模型，應用國際上先進的Visual Modflow專業軟件係統建立了三維數值模擬模型^［3］，並利用1393工作麵突水資料進行了模型識別，其擬合結果見圖4和圖5.

圖4　煤₅頂板砂岩裂隙含水層第四時段
觀測孔水位與計算水位對比
Fig.4　Comparison map between observation level
and calculation level of fourth term in
sandstone aquifer on coal seam No.5

圖5　煤₅頂板砂岩裂隙含水層觀測孔的
水位擬合
Fig.5　Water level fitting map for observation
holes in sandstone aquifer on coal seam No.5

　　應用Visual Modflow先進的Zone Budget功能，根據相鄰工作麵周期來壓規律，對即將回采的2099和2393工作麵的工程湧水量進行了隨工作麵不斷向前推進（以周期來壓步距為單位）的動態預測.隨2099工作麵的推進，其湧水量變化不大，變化範圍為1.685～1.592 m³/min（見圖6(a）).2393工作麵湧水量則隨其推進逐漸增大，由1.125 m³/min增加到2.17 m³/min（見圖6(b)）.

圖6　回采工作麵工程湧水量動態變化曲線
Fig.6　Dynamic variation curves of engineering inflows in mining face
(a)2099回采工作麵；(b)2393回采工作麵

6　煤₉頂板砂岩充水含水層采前預疏放滲流場預測

　　上述2個回采工作麵的頂板湧水量預測結果表明，其湧水量比較大.因此，從荊各莊礦目前工作麵的排水能力和提高及排水效益角度考慮，筆者對煤₉頂板砂岩裂隙充水含水層進行了回采前預先疏放的預測計算.在此基礎上，對煤₉回采的2099和2393兩工作麵又進行了湧水量的二次動態預測，結果其預測湧水量大幅度減少.這些結論為荊各莊礦最終製定合理的防治水決策方案提供了極其重要的科學依據.

7　結論與建議

　　（1）“三圖-雙預測法”從對煤層頂板湧(突)水條件的定性綜合分析，到回采工作麵工程湧(突)水量和采前預疏放量的定量模擬預測，形成了一整套係統的研究思路和研究方法.
　　（2）煤層回采導致的頂板湧(突)水災害發生的根本原因，就是煤層回采形成的頂板導水裂隙帶溝通了上覆直接充水含水層，並且含水層在回采工作麵冒落範圍對應的部位富水性較強.因此頂板湧(突)水條件分析不外乎包括兩個方麵內容：煤層回采頂板冒落安全性分析和頂板直接充水含水層富水性分析.
　　（3）運用多源地學信息複合疊加原理，根據多個水文地質物理場的不同特征，相互對比驗證，互相彌補不足，對充水含水層的富水性進行了係統綜合分析.
　　（4）盡管本文在頂板導水裂隙帶發育高度計算上未能徹底擺脫沿用《礦井水文地質01manbetx 》經驗公式的弊病，但通過對大量勘探鑽孔柱狀圖岩性岩相變化特征的係統研究，對裂隙帶發育高度計算結果進行了岩性校正，因而其計算結果相對比較符合實際.筆者建議在有條件的情況下，應該采用應力應變分層數值仿真模擬方法計算煤層頂板“上三帶”的發育高度.
　　（5）Zone Budget是目前國際上通用專業軟件係統Visual Modflow 的一個獨特功能，對預測精度要求較高的回采工作麵的整體和分段工程湧水量的動態預測具有一定優勢. ■

作者簡介：武強(1959-)，男，教授，博士生導師.1991年在中國地質大學(北京)獲得博士學位.主要從事礦井防治水、地質災害和生態環境方麵的研究工作.出版《華北型煤田礦井防治水決策係統》等專著3部，發表“GIS技術在預報煤層回采前方小構造的應用潛力”等論文60餘篇.
作者單位：武強(中國礦業大學　北京校區，北京　100083)
　　　　　黃曉玲(中國礦業大學　北京校區，北京　100083)
　　　　　董東林(中國礦業大學　北京校區，北京　100083)
　　　　　殷作如(開灤礦務局，河北　唐山　063018)
　　　　　李建民(開灤礦務局，河北　唐山　063018)
　　　　　洪益清(開灤礦務局，河北　唐山　063018)
　　　　　張厚軍(開灤礦務局，河北　唐山　063018)

參考文獻：

［1］武　強.華北型煤田礦井防治水決策係統［M］.北京：煤炭工業出版社，1995
［2］趙全福 主編.煤礦安全手冊［M］.北京：煤炭工業出版社，1992
［3］薛禹群.地下水動力學原理［M］.北京：地質出版社，1989