帶壓煤層底板構造致災突水水量預測方法初探

牟林

(中煤科工集團西安研究院，陜西西安710054)

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帶壓煤層底板構造致災突水水量預測方法初探

牟林

(中煤科工集團西安研究院，陜西西安710054)

［摘要］由于底板構造突水水量的難以預測性，生產(chǎn)中常用底板疏降水量代替突水水量，導致礦井防排水系統(tǒng)建設的主要依據(jù)可靠度偏低。以霍州煤電集團大水礦區(qū)為例，分析了礦井正常涌水量、最大涌水量和突水水量的區(qū)別與聯(lián)系，基于含水層補給能力和導水通道的過水能力兩方面因素，構建了斷裂和陷落柱2種導水通道的突水水量預測模型，提出了適用于構造突水情況的礦井涌水量預測修正方法。以霍州礦區(qū)2個礦井的資料為例進行驗證，結果表明基于含水層補給能力的突水預測模型更符合實際突水情況，該礦區(qū)構造類突水水量的決定因素為含水層富水性。考慮底板突水因素，提出了礦井抗災指標的計算方法，提高了抗災系統(tǒng)指標的可靠性。

［關鍵詞］突水;水量預測;陷落柱;斷層

［引用格式］牟林.帶壓煤層底板構造致災突水水量預測方法初探［J］.煤礦開采，2015，20 (2) : 85－89.

我國華北型煤田大水礦區(qū)典型的突(透)水形式主要包括小煤窯透水、頂板含水層透水、底板含水層突水3種［1］。絕大多數(shù)煤礦水害事故均是由于老窯透水和底板突水造成的，老窯透水問題是歷史遺留性問題，隨著淺層資源不斷開采和大量小型礦井資源重組整合，老空水問題通過不斷加強探放水制度管理可以得到解決。與此同時，由于煤層賦存條件和開采水文地質(zhì)條件固有的復雜性，礦井受含水層威脅程度的評價問題一直是礦井防治水工作關注的重點，而礦井涌水量預測則是需要解決的核心問題。對于頂板水預測目前已形成了解析法、比擬法、數(shù)值法等多種預測方法［2－3］，在有足夠勘探資料的情況下，涌水量預測結果一般均具有較強的指導意義。對于導水構造發(fā)育塊段的突水量預測仍處于積極探索階段，主要原因是構造類導水通道的隱伏性及構造帶物性參數(shù)的未知性，導致單個構造通道突水量難以預測，嚴重影響了水量預測的可靠程度［4－6］。本文以霍州煤電大水礦區(qū)為例，從構造類充水通道突水機理及其突水量預測方法入手，探討礦井常規(guī)排水能力和抗災排水能力的設防指標。

1　礦井正常涌水量、最大涌水量和突水量的概念

1.1正常涌水量與最大涌水量

在煤礦水害防治領域，采掘活動影響范圍內(nèi)充水水源自然的、無法控制地流入礦坑的水量，即為礦井涌水量，它的充水水源為已知的直接充水含水層，研究對象一般為構造不發(fā)育的正常塊段。礦井涌水量分正常涌水量和最大涌水量，前者是考慮多種影響因素的平均值條件下計算得出的水量，后者是將影響因素取最大值時求取的水量。正常涌水量和最大涌水量是建設礦井正常排水能力的主要依據(jù)。

1.2突水量

對于因受技術條件限制無法預知的隱蔽導水通道(如斷層、陷落柱等)，采掘影響使間接充水水源瞬間涌入礦坑，造成突發(fā)性礦井涌水量，則稱為礦井突水量或災害涌水量。由于充水條件的不可預知性，構造突水水量的預測存在諸多難題，但突水水量卻是評價礦井水文地質(zhì)類型，設定排水系統(tǒng)抗災變能力的重要指標。

1.3正常涌水量、最大涌水量與突水量的區(qū)別與聯(lián)系

礦井正常涌水量和最大涌水量的決定因素主要包括直接充水含水層的空間結構、水文地質(zhì)特征、隔水層的厚度和巖性組合特征、采礦工藝及影響范圍等，當影響因素基本確定時，正常涌水量不會出現(xiàn)劇烈的波動。突水量的決定因素主要為導水通道的過水能力和充水含水層的供給能力，因此進行突水量預測必須考慮這兩方面的因素。

通常情況下，突水點發(fā)生突水后，并非所有情況都能實現(xiàn)完全封堵，在統(tǒng)計礦井涌水量時，礦方通常將這部分已經(jīng)發(fā)生的突水量計入最大涌水量之中，便于設防正常與最大排水能力。但對于潛在的(或稱常態(tài)化的)突水威脅及突水水量設定多大的設防指標，依然沒有較好的解決辦法。

2　霍州礦區(qū)下組煤底板水害類型及威脅程度

2.1構造控水條件

霍州礦區(qū)位于霍西煤田中部，屬于典型的石炭二疊系含煤建造環(huán)境，位于郭莊泉域強徑流排泄區(qū)。郭莊泉巖溶水系統(tǒng)及其特征主要受汾西復向斜的控制，在向斜內(nèi)部不僅發(fā)育著NNE向的一系列次級斷裂與褶皺，而且還發(fā)育一系列近EW向的構造，把向斜又進一步分割成眾多隆起和拗陷，如靈石隆起、郭莊隆起等。在隆起的兩側(cè)發(fā)育眾多張扭性或壓扭性高角度正斷層，如什林斷層、上團柏斷層、下團柏斷層等。這些大小斷裂構造構成了地下巖溶水進入礦坑的重要通道。

2.2底板隔水條件與突水形式

底板隔水層條件是阻抗底板水壓的關鍵因素。區(qū)內(nèi)10號煤距離奧灰約30m，11號煤距離奧灰20m，隔水層主要巖性為砂質(zhì)泥巖、泥巖、鋁土巖、粉砂巖等。據(jù)峰峰、焦作、淄博等大水礦區(qū)資料統(tǒng)計(圖1)，發(fā)現(xiàn)底板保護能力與厚度之間不是線性關系，底板越薄，臨界突水壓力越小?？傮w上，峰峰、焦作礦區(qū)底板隔水層厚度大于35m時，突水概率較小，而淄博則為40m，霍州礦區(qū)下組煤底板隔水層厚度為20～30m，明顯低于上述隔水厚度臨界值，易發(fā)生底板突水。同時，霍州礦區(qū)下組煤發(fā)生突水的事故中，仍以揭露斷層和陷落柱為主要突水形式。由此可見對于霍州礦區(qū)，即使對于隔水層厚度更薄的下組煤地段，構造類導水通道仍為采掘活動的主要威脅。

圖1　突水情況散點圖

2.3突水強度與水害威脅程度分析

霍州礦區(qū)有17對礦井，其中生產(chǎn)礦井8對，整合礦井9對。涌水量最大的礦井為團柏、辛置、李雅莊、曹村等礦，涌水量480～1600m3/h不等。這些礦井位于郭莊泉排泄區(qū)強徑流帶上，礦井涌水特點為頂板太灰水富水性好，通過構造與奧灰發(fā)生密切水力聯(lián)系，開采后頂板太灰涌水量可占礦井涌水量60%以上，單個工作面涌水量為100～400m3/ h，且水量持續(xù)穩(wěn)定。同時因揭露斷層和陷落柱導致奧灰突水事故頻發(fā)，單次突水量可達500m3/h，最大的為白龍礦2007年3月18日陷落柱突水，單次突水量達1200m3/h，直接導致+370m水平淹沒關閉。各礦涌水情況與排水能力統(tǒng)計情況見表1。

3　霍州礦區(qū)典型突水模式

3.1斷裂導升型突水模式

如圖2 (a)所示，干河礦2－112工作面位于一采區(qū)右翼，開采2號煤層，采區(qū)內(nèi)奧灰頂界面帶水壓值3.2～5.6MPa，奧灰突水系數(shù)0.03～0.053MPa/m。工作面北部有1條落差74m的正斷層，走向WE，與2－112工作面基本平行展布，2－112工作面回采過程中發(fā)生數(shù)次出水。初次突水

100m3/h，最大時達到350m3/h，最后穩(wěn)定致250m3/h。

表1　霍州礦區(qū)礦井充水強度與排水系統(tǒng)能力統(tǒng)計

斷層使K2與煤層及頂?shù)装搴?透)水層基本對接，奧灰水也可能通過斷裂通道源源不斷地補給煤層上覆含(透)水層，回采后頂板垮落形成大量采空區(qū)淋水。同時斷裂帶一側(cè)煤柱無法承受上覆地壓而破壞失效，阻水能力不足，導致側(cè)向突水。

3.2陷落柱直通式突水模式

如圖2 (b)所示，團柏礦11號煤首采區(qū)帶壓1.37MPa，+400m水平總回風巷揭露X－228陷落柱時，突水470m3/h，+400m水平膠帶巷在距離該陷落柱4m處出水60m3/h。另外在與首采區(qū)域相鄰的10－106，10－112，10－114工作面均揭露過導水陷落柱，突水水量分別為40m3/h，50m3/h和150m3/h。

回采過程中礦壓對底板巖層的擠壓、張拉、錯動效應使底板產(chǎn)生一定的破裂深度。同時當陷落柱中順柱體向上劈裂、運移的水壓突破柱體中充填物粘結力和地應力時，底板破裂深度與柱體形成貫通式導水通道，造成突水。

圖2　霍州礦區(qū)典型突水模型示意

4　構造突水水量預測模型研究

4.1基于導水通道過水能力研究的突水量預測模型

當?shù)V井掘進巷道或工作面一旦揭露導水通道時，礦井涌水方式屬于典型的非穩(wěn)定管道流模式，因此單純建立在達西流體上的涌水量計算公式已不適用于預測突水水量。工作面底板開始發(fā)生突水時，隨著水壓的沖刷作用導水通道內(nèi)的充填物不斷被沖刷，沿程阻力不斷變小，最后形成穩(wěn)定的過水通道，因而水量變化一般由初始水量逐漸增大到最大水量，之后較長一段時間內(nèi)的流量衰減情況則往往取決于含水層的供給能力。根據(jù)管道流理論，將斷裂帶突水模式簡化為管道流進行建模，預測最大突水量。

設u為突水時水體流速，l為突水通道長度，d為導水帶有效寬度(或陷落柱直徑)，λ為破碎帶介質(zhì)表面阻力系數(shù)，H為突水點初始水位，h為突水后的水位，則突水通道長度為l時的水力損失表達式為:

表征流體流動狀態(tài)可以用雷諾數(shù)Re表示，其與流速u，通道有效寬度d，流體黏性系數(shù)μ，液體密度ρ有如下關系式:

對于斷層，式(2)中:

式中，Q為突水水量; L為導水斷層走向方向被揭露的長度，實際生產(chǎn)過程中，一般巷道直接揭露約5m左右，采面揭露不超過50m。

將式(3)代入公式(2)，結合表2試算干河礦2－112工作面斷裂帶水流的雷諾系數(shù)為:

從以上試算結果可知，導水斷裂帶發(fā)生突水時，Re為2286.7，此時斷裂帶流體運動特征屬于臨界區(qū)流態(tài)，即位于層流和紊流流態(tài)之間。

表2　霍州礦區(qū)導水斷裂突水時水流計算

由于巖體裂隙阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關系尚無相關研究成果，本文借鑒工業(yè)管道流相關研究成果進行研究［7］，可以采納公式:

λ=αReβ(5)

位于臨界區(qū)時:

λ= 0.0025Re0.33(6)

式中，α，β取值分別為: 0.025，0.33。

如果突水水量更大時，流態(tài)將變成全面的紊流光滑區(qū)流態(tài)，此時:

λ= 0.0023Re－0.20(7)

其中α，β為巖體介質(zhì)表面位于紊流光滑區(qū)流態(tài)時的相關常數(shù)，取值分別為0.023，－0.020。聯(lián)立式(1)、式(2)、式(3)、式(5)，得到:

將式(3)中Ld換成陷落柱截面積πd2/4，得u=4Q/πd2，其中Q=470m3/h，d為實際直徑乘以裂隙率，即d = 30m×10% = 3m。聯(lián)立式(2)和(3)反算團柏礦X－228陷落柱雷諾系數(shù)，得Re= 54888，流態(tài)位于紊流光滑區(qū)。對于陷落柱，其通道往往比斷層更為通暢，因而柱體內(nèi)發(fā)生突水時流體狀態(tài)受通道充填物介質(zhì)表面阻力影響很小，雷諾系數(shù)更大。其α，β取值見式(7)。聯(lián)立式(1)、式(2)和式(5)，得到陷落柱突水公式:

4.2基于充水水源補給能力研究的突水量預測模型

導水構造突水能力除了決定于構造通道的過水能力，另一個因素即為含水層的補給能力Q:

Q = KJW(10)

式中，K為滲透系數(shù)，J為水力梯度，W為斷裂帶兩側(cè)含水層被揭露的泄水面積。令H1，h1分別為降落漏斗中心和附近觀測點的水位，則J為(H1－h(huán)1) /r，r為突水點中心至觀測點距離;令M為含水層厚度，當含水層被全部錯斷時W= 2LM;當含水層被局部錯斷時，令M1，M2為斷層兩側(cè)含水層被錯段的泄水面厚度，則W=L (M1+M2)，令M= (M1+M2) /2。代入式(10)得:

對于陷落柱，W=πd'M，d'為陷落柱柱體實際直徑，代入式(10)得:

4.3關于突水預測模型參數(shù)選取

上述內(nèi)容探討了通道過水能力和含水層補給能力，實際應用時參數(shù)選取依然是難點。礦井底板突水水量難以預測除了突水機理復雜外，還與構造的隱伏性、規(guī)模、含導水性均難以準確量化有直接關系，同時含水層的不均一性也影響了預測精度［8－14］。因此，預測時應通過理論模型與經(jīng)驗參數(shù)相結合的形式，以便符合特定水文地質(zhì)條件下的突水水量計算條件。

對于式(8)、式(9)，L跟據(jù)斷層走向和揭露情況取5～50m不等;斷層導水帶寬度d (或陷落柱直徑)和長度l可通過物探、鉆探取得;突水點殘余水頭h取突水點標高。對于式(11)、式(12)，M1，M2的取值可依據(jù)物探和鉆探探查結果; h1取突水點標高。此外，當部分參數(shù)確實不具備確定條件時，可采用相鄰礦以往采掘?qū)嵺`中取得的上限值。

4.4突水量預測模型檢驗與突水水量預測

從通道過水能力、含水層補給能力兩方面對斷裂、陷落柱兩種突水形式進行了突水模型構建。最終突水量的大小應由通道、含水層2個因素綜合決定，因此宜取二者的小值來預測突水水量。從突水通道過水能力和含水層補給能力兩方面分別對干河2－112面的斷層突水、團柏礦+400m水平總回風巷的陷落柱突水進行了突水水量預測，預測結果見表3。

以上預測結果表明，基于含水層補給能力的突水預測模型更符合實際突水情況(表3中2次突水，實際最大突水量分別為350m3/h和470m3/h)。對于霍州礦區(qū)而言，無論是斷裂還是陷落柱，當構造導水時其過水能力遠大于含水層補給能力，這也解釋了為什么發(fā)生較大突水事故時，涌水點無噴射狀水柱的現(xiàn)象。因而對于霍州礦區(qū)煤層底板突水量的預測，重點應回歸到含水層自身的補給能力上來，即含水層自身水文地質(zhì)特征的認識，最典型的為含水層滲透系數(shù)K的取值，應充分研究和分析本礦及周邊勘探數(shù)據(jù)，使參數(shù)選取更符合實際。

表3　基于通道過水能力和含水層補給能力的預測模型計算結果對比

4.5考慮底板構造突水致災因素的礦井涌水量預測

對于采區(qū)頂板直接充水水源涌水量預測研究較常用方法為大井法承壓轉(zhuǎn)無壓模型:

對于存在底板直接充水水源時，可采用承壓完整井模型:

式(13)、式(14)相關參數(shù)的含義可參考2013年6月出版的《煤礦防治水手冊》。

對于霍州礦區(qū)，生產(chǎn)采區(qū)的涌水量預測主要包括頂板垮落形成的透水量和底板揭露構造造成的突水水量。在預測礦井涌水量時，可令:式(8)為函數(shù): Q = f1(L，l，d，H，h，α，β，ρ，μ) ;式(9)為函數(shù): Q= f2(l，d，H，h，α，β，ρ，μ) ; 式(11)為函數(shù): Q=f3(L，M，K，H1，h1，r) ; 式(12)為函數(shù): Q=f4(d'，M，K，H1，h1，r) ; 式(13)為函數(shù): Q = f5(K，H，M，r0，R) ;式(14)為函數(shù): Q=f6(K，M，r0，S)。

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》，水文地質(zhì)條件復雜或有突水淹井危險的礦井，應設置排水能力不小于最大涌水量的抗災強排系統(tǒng)。由于突水水量難以預測，最大涌水量在實際生產(chǎn)中并沒有包括突水水量，然而設置抗災系統(tǒng)的主要目的卻是針對突水隱患，防止突水災害。通過本文的預測方法，可將潛在的(常態(tài)化的)突水水量列入最大涌水量范疇，便于為抗災系統(tǒng)建設提供更合理的指標。

(1)對于存在單個斷層導水隱患的抗災指標預測公式為:

Q = min(f1，f3) + k(f5+ f6)(15)

(2)對于存在單個陷落柱導水隱患的抗災指標預測公式為:

Q = min(f2，f4) + k(f5+ f6)(16)

(3)對于同時存在單個斷裂和陷落柱導水的情況，可采用普適型公式:

Q = min(f1，f3) + min(f2，f4) + k(f5+ f6)(17)

式(14)、(15)、(16)中k (f5+ f6)為無突水時的最大涌水量，k一般取1.5～2.0。正常情況下，發(fā)生突水后會采取治理措施，然后再進行回采活動，因此不用考慮多處構造或陷落柱同時突水的情況。采用min格式的函數(shù)是不排除過水通道能力小于含水層補給能力的情況。

5　結論與建議

(1)分析了生產(chǎn)礦井涌水量預測方法的基本現(xiàn)狀，闡述了考慮常態(tài)化突水水量對礦井排水系統(tǒng)設計指標的重要性。研究了礦井正常涌水量、最大涌水量和突水水量的基本概念和內(nèi)在聯(lián)系，提出了將常態(tài)化的突水水量并入最大涌水量的思路。

(2)分析了霍州煤電大水礦區(qū)主要水害類型，認為底板斷裂構造和陷落柱導水為主要設防重點，并分析了斷裂導升型突水模式、陷落柱直通式突水模式的突水機理。

(3)基于含水層補給能力、導水通道過水能力兩方面考慮，構建了斷層和陷落柱類通道的突水水量預測模型，結果表明對于霍州礦區(qū)構造類突水水量的決定因素為含水層富水性。

(4)考慮底板突水因素，提出了礦井抗災指標的計算方法，提高了系統(tǒng)指標的可靠度。

(5)底板突水預測的難點在于隱伏構造地質(zhì)條件的難以預知性，因此在進行礦井涌水量預測前應采用多種手段探查、研究本區(qū)的構造導水帶的結構、產(chǎn)狀和導水性，掌握相關規(guī)律后才能提高預測的精度。

［參考文獻］

［1］虎維岳，田干.我國煤礦水害類型及其防治對策［J］.煤炭科學技術，2010，38 (1) : 92－96.

［2］武強，趙蘇啟，等.煤礦防治水手冊［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2013.

［3］陳崇希，等.地下水動力學［M］.武漢:中國地質(zhì)大學出版社，2011.

［4］董興文.礦井最大涌水量計算與參數(shù)確定——試論巖溶管流礦井水均衡預測方法［J］.工程勘察，1995 (4) : 24－28.

［5］尹尚先.煤礦區(qū)突(涌)水系統(tǒng)分析模擬及應用［J］.巖石力學與工程學報，2003，22 (5) : 866.

［6］肖有才，張孔敏.北方巖溶礦井突水淹井分析與最大涌水量的計算［J］.煤炭學報，2004，29 (S1) : 30－33.

［7］劉建軍，章寶華.流體力學［M］.北京:北京大學出版社，2006.

［8］曹代勇.蔚縣礦區(qū)斷層構造定量研究［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2001，29 (1) : 7－10.

［9］李和林.馬蘭井田內(nèi)斷層發(fā)育規(guī)律的初步探討［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2002，30 (1) : 16－18.

［10］許進鵬.小斷層的走向長度與斷距關系的數(shù)學模型［J］.煤炭學報，2005，30 (1) : 22－25.

［11］陳忠輝，胡正平，李輝，等.煤礦隱伏斷層突水的斷裂力學模型及力學判據(jù)［J］.中國礦業(yè)大學學報，2011，40 (5) : 674－677.

［12］尹尚先，武強，王尚旭.華北巖溶陷落柱突水的水文地質(zhì)及力學基礎［J］.煤炭學報，2004，29 (2) : 182－185.

［13］尹尚先，武強.煤層底板陷落柱突水模擬及機理分析［J］.巖石力學與工程學報，2004，23 (15) : 2251－2256.

［14］肖建于.證據(jù)理論研究及其在礦井突水預測中的應用［D］.徐州:中國礦業(yè)大學，2012.

［責任編輯:張玉軍］

Water Inflow Prediction Method for Water-burst Induced by Floor Tectonic in Coal-seam under Water Pressure

MOU Lin

(Xi'an Research Institute，China Coal Technology Engineering Group，Xi’an 710054，China)

Abstract:It is difficult to predict water inflow of water-burst induced by floor tectonic，so in practice，water-burst inflow was substituted by floor dewatering inflow，which made reliability of main basis of dewatering system construction low.Taking Dashui mining area as an example，difference and relationship of normal water inflow，maximum water inflow and burst water inflow was analyzed.Prediction model of water burst inflow from fault and collapse column was set up based on aquifer water-supply capacity and discharge capacity.Observation data from 2 mines in Huozhou mining area showed that the prediction model of aquifer water-supply was accordance with the truth.The key factor of water burst inflow was watery of aquifer.Considering floor water burst factor，modification method of calculating mine disaster prevention index was put forward，which improved reliability of disaster prevention index.

Keywords:water burst; water amount prediction; collapse column; fault

［作者簡介］牟林(1985－)，男，湖北松滋人，碩士，工程師。

［基金項目］國家自然科學基金重點資助項目(51034003) ;國家科技計劃支撐課題(2012BAC10B03)

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11－3677/td.2015.02.024

［收稿日期］2014－08－13

［中圖分類號］TD742

［文獻標識碼］A

［文章編號］1006-6225 (2015) 02-0085-05