巷道掘進頂板突水危險性預測研究

侯恩科，嚴迎新，文 強，車曉陽，苗彥平，李海宏，路 波

(1.西安科技大學 地質(zhì)與環(huán)境學院， 陜西 西安 710054；2.陜西省煤炭綠色開發(fā)地質(zhì)保障重點實驗室，陜西 西安 710054；3.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；4.陜煤集團神木紅柳林礦業(yè)有限公司，陜西 神木 719316)

0 引 言

陜北侏羅紀煤田煤炭資源豐富，煤質(zhì)優(yōu)良，是我國目前主要的煤炭生產(chǎn)區(qū)[1]。隨著開采規(guī)模和開采強度的不斷加大，礦井頂板突水事故時有發(fā)生，嚴重威脅了煤礦安全開采。特別是在侏羅紀煤田東部煤層淺埋區(qū)，局部可采煤層上覆隔水層厚度薄，導致井下巷道掘進時圍巖擾動范圍波及上覆充水含水層，引發(fā)掘進面頂板突水事故。因此，做好淺埋煤層區(qū)巷道頂板突水危險性預測研究對煤礦安全生產(chǎn)具有重要實際意義。

對于煤層頂板突水問題，以往學者進行了多角度、多手段研究，取得了豐碩的研究成果。一些學者通過物理相似材料模擬實驗、數(shù)值模擬實驗以及結(jié)合生產(chǎn)實踐資料綜合分析等方法進行研究，提出了“上三帶”理論、關(guān)鍵層理論、巖移“四帶”模型等具有代表性的觀點，為頂板涌突水機理研究提供了有力的理論依據(jù)[2-4]。在頂板涌(突)水危險性預測研究方面，武強等[5-6]通過分析總結(jié)，認為發(fā)生頂板(涌)突水必須具備含水層富水性較好、采動導水裂隙通道溝通含水層兩個條件，并提出了一套成熟的評價方法—“三圖雙預測法”，該方法綜合6種以上地學信息評價了含水層的富水性，并依據(jù)導水裂隙帶高度發(fā)育進行冒裂安全性分區(qū)，解決了導水通道溝通問題。張杰等[7]應用有限元差分軟件FLAC3D應力-滲流耦合系統(tǒng)與多元素擬合公式結(jié)合分析，進行了突水判別與仿真模擬預測。呂玉廣等[8]劃分了頂板突水類型及確定評價技術(shù)路線，并提出了基于多類型四雙法的煤層頂板突水預測評價方法。煤層頂板充水條件-富水性特征是含水層自身儲水、滲水以及補給能力的總和，受沉積巖性、構(gòu)造發(fā)育、風化裂隙以及空間賦存等因素綜合控制[9-10]。目前許多學者利用鉆孔抽水試驗數(shù)據(jù)或水文物探(直流電法、瞬變電磁法以及核磁共振法等)數(shù)據(jù)，構(gòu)建含水層富水性模型，對含水層富水性進行評價[11-14]。這些技術(shù)方法對我國西部煤層頂板突水研究做出了突出貢獻，但是目前仍存在一些值得探討的問題，如進行富水性預測時需要提供多種地學信息，且多數(shù)為現(xiàn)場試驗實測數(shù)據(jù)(巖心采取率、沖洗液消耗量等)，數(shù)據(jù)來源較復雜；應用數(shù)值模擬軟件、物探方法構(gòu)建富水性模型，操作專業(yè)性強，時間周期較長等問題。并且對于陜北淺埋煤層區(qū)巷道掘進頂板突水問題尚無深入研究。

為深入研究巷道掘進頂板突水問題，以陜北侏羅紀煤田東部紅柳林井田4-2煤開采為例，通過分析研究區(qū)水文地質(zhì)特征，選取風化基巖含水層厚度、風化程度、巖性組合、砂巖層數(shù)及古地形標高等5個因素，采用隨機森林(RF)算法對風化基巖含水層富水性進行分區(qū)預測；構(gòu)建巷道圍巖擾動松動圈厚度預測模型，進行巷道掘進頂板安全性分區(qū)預測；在此基礎(chǔ)上通過空間疊加分析得到4-2煤掘進巷道頂板突水危險性分區(qū)預測結(jié)果，對于相同或類似條件礦井水害防治具有重要的借鑒意義。該富水性預測方法評判指標數(shù)據(jù)來源廣泛，也可避免極端數(shù)據(jù)的誤差，且結(jié)果準確性高。同時將含水層富水性與巷道圍巖擾動范圍進行量化結(jié)合，對巷道頂板突水危險性預測研究更精準。

1 水文地質(zhì)特征

1.1 地質(zhì)概況

紅柳林井田位于陜西省神木市的中北部、神府礦區(qū)的南部，面積約為143.34 km2，主采侏羅系延安組煤層，核定產(chǎn)能1 500萬t/a，為一現(xiàn)代化特大型礦井。該區(qū)地處陜北黃土高原與毛烏素沙漠的接壤地帶，大部分區(qū)域為風沙灘地區(qū)和黃土梁峁丘陵區(qū)，局部為河谷區(qū)地貌類型。地勢總體呈西部、北部高，東南部低的特點。井田范圍內(nèi)主要發(fā)育有蘆草溝、毛溝和敖包溝三條溝道，均為窟野河二級支流—麻家塔河流的支流，其中蘆草溝為常年性流水，毛溝和敖包溝為季節(jié)性流水。

紅柳林井田古風化基巖發(fā)育于侏羅系地層頂部，新近系保德組紅土層之下(圖1)，但在井田沖溝地區(qū)和東南部分地區(qū)由于被剝蝕而出現(xiàn)缺失。通過分析井田內(nèi)已有鉆孔資料，發(fā)現(xiàn)本井田內(nèi)風化基巖主要分為強風化基巖、中等風化基巖和弱風化基巖3類。風化基巖原巖地層時代不一，自西而東由新到老。西部風化基巖主要是直羅組砂泥巖層風化產(chǎn)物，中部和東部則主要是延安組砂泥巖層風化產(chǎn)物，這與直羅組和延安組各段地層的分布一致。風化基巖基本全區(qū)發(fā)育，厚度不一，井田西部基巖古地形較高的區(qū)域，一般厚20～60 m；井田中部、東部基巖古地形較低區(qū)域，風化基巖厚度小于20 m。

圖1 風化基巖發(fā)育示意Fig.1 Schematic of weathered bedrock development

1.2 含(隔)水層

研究主要針對侏羅系風化帶及以上的含隔水層，屬于淺層地下水流動系統(tǒng)。根據(jù)以往各勘探階段資料成果分析，研究區(qū)內(nèi)主要含水層為第四系松散孔隙潛水含水層與侏羅系風化基巖裂隙承壓含水層，主要隔水層為保德組紅土隔水層。

風化基巖裂隙承壓含水層全區(qū)普遍分布，局部富水性強，是礦井主要充水含水層。區(qū)內(nèi)及周邊區(qū)域的侏羅系安定組、直羅組、延安組地層在新近紀之前，曾遭受不同程度的風化，巖石結(jié)構(gòu)松軟，孔隙增大，透水性增強，節(jié)理裂隙顯現(xiàn)。巖石風化程度受古地形和巖性控制，總的來說，古地形越高，風化作用越強，相應的風化基巖厚度越大；安定組、直羅組巖層的風化程度比延安組巖層嚴重。

1.3 地下水補徑排條件

第四系松散層孔隙潛水含水層主要易于接受大氣降水的入滲補給，并沿隔水底板向溝谷區(qū)徑流，此外在溝谷區(qū)還會接受下伏風化基巖含水層的頂托補給，最后在露頭處通過補給地表水的形式排泄。井田內(nèi)紅土隔水層基本都有揭露，局部缺失，但在西部賦存厚度大，阻斷了上部松散層對下伏風化基巖含水層的越流補給。為進一步分析井田內(nèi)風化基巖含水層補給來源，根據(jù)地質(zhì)鉆孔與野外調(diào)查資料繪制了神南礦區(qū)薩拉烏蘇組沙層賦存分布圖(圖2)與紅土層賦存分布圖(圖3)，由圖可知紅土層在神南礦區(qū)內(nèi)廣泛分布，但在礦區(qū)西側(cè)出現(xiàn)大面積缺失，形成大面積隔水天窗，為薩拉烏蘇組孔隙含水層補給下伏風化基巖裂隙含水層提供了通道，由此可知風化基巖含水層接受井田西側(cè)側(cè)向補給。

風化基巖含水層接受井田西側(cè)側(cè)向補給后，地下水沿風化基巖底板向溝谷區(qū)徑流運動。由圖4 Ⅰ-Ⅱ水文地質(zhì)可知，風化基巖含水層的水壓高度呈西部高，東部低的特點，地下水運移至低洼溝谷區(qū)后以泉或頂托補給上覆松散層的方式排泄。

圖2 神南礦區(qū)松散沙層分布Fig.2 Distribution map of loose sand layer in Shennan Mining Area

層的裂隙通道。根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，井田東部首采煤層主要充水含水層為上覆風化基巖

圖3 神南礦區(qū)紅土分布Fig.3 Distribution map of red soil in Shennan Mining Area

圖4 研究區(qū)Ⅰ-Ⅱ水文地質(zhì)剖面圖Fig.4 Hydrogeological profile of study area Ⅰ-Ⅱ

2 巷道頂板突水因素分析

煤礦井下巷道掘進時頂板水害的發(fā)生主要與煤層上覆含水層的富水特征、隔水層厚度與強度、巷道寬度、圍巖擾動范圍等因素有關(guān)。淺埋煤層區(qū)巷道掘進頂板突水危險性評價時關(guān)鍵因素的遴選十分重要，以求通過易獲取的少數(shù)關(guān)鍵性因素來刻畫特定地質(zhì)條件下掘進頂板突水發(fā)生條件的大部分信息，保證評價結(jié)果與實際相符。與回采階段頂板涌(突)水發(fā)生條件類似，巷道掘進發(fā)生突水須具備2個必要條件，即突水水源與突水通道。具體而言，包括富水性足夠強的充水含水層和貫通巷道與含水裂隙含水層，巷道掘進期間若煤層上覆隔水層相對較厚，掘進圍巖擾動范圍波及不到充水含水層或含水層富水性較弱，則不會發(fā)生突水事故(圖5a)。若圍巖擾動范圍波及該含水層，且富水性足夠強，則可能造成掘進面的突水事故(圖5b)。

圖5 巷道掘進頂板突水示意Fig.5 Schematic of water inrush from roadway driving roof

2.1 風化基巖含水層富水性分析

2.1.1 含水層富水性主控因素

強富水的充水含水層是井下采掘工作面潛在的突水來源，富水性越強，相應的頂板裂隙導通含水層后突水危險性越大。風化基巖裂隙含水層的富水性受諸多因素影響，在井田水文地質(zhì)條件分析基礎(chǔ)上，對比分析了井田內(nèi)風化基巖含水層的38個抽水試驗水文孔資料，認為古地形標高、風化基巖厚度、風化程度、巖性組合、砂巖層數(shù)等5個因素為與風化基巖含水層富水性關(guān)系比較密切的主控因素。

利用井田內(nèi)收集的鉆孔資料提取了風化基巖富水性主控因素數(shù)據(jù)，對各主控因素進行了量化分析，并利用GIS將鉆孔點數(shù)據(jù)插值分析建立了研究區(qū)各主控因素空間變化圖(圖6)。

圖6 風化基巖富水性控制因素空間變化Fig.6 Spatial variation of water-rich controlling factors of weathered bedrock

1)古地形標高。分析鉆孔抽水試驗資料發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)風化基巖的富水性與古地形標高存在一定的相關(guān)性[1]，即古地形標高較高地區(qū)鉆孔單位涌水量往往小于標高較低區(qū)。

2)風化基巖厚度。風化基巖厚度作為含水層富水性的先決條件，是地下水主要的賦存空間和徑流通道，厚度大的區(qū)段在單位面積上地下水的儲存空間較大，相應的富水性也較好。

3)風化程度。研究區(qū)侏羅系地層沉積后，曾發(fā)生抬升遭受剝蝕，發(fā)育一層風化程度不均的風化帶。與正常基巖相比，巖石遭受風化的程度越強，巖體結(jié)構(gòu)就越疏松，風化裂隙也越發(fā)育，富水性就越強。根據(jù)風化程度差異，將研究區(qū)內(nèi)風化基巖劃分為強風化、中等風化和弱風化3類，并量化賦值(表1)。

表1 風化程度賦值

實際上，自風化殼起算同一鉆孔內(nèi)，下伏不同層位風化程度不盡相同，為進一步客觀描述同一地區(qū)風化帶風化程度，引入風化指數(shù)m，系指風化帶風化程度的厚度加權(quán)值。

(1)

式中：mi為不同層位風化基巖的風化程度；hi為不同層位風化基巖的厚度；i為地層層位。

4)巖性組合指數(shù)。沉積建造時期堆積的礦物顆粒成分、粒度、排列方式、基質(zhì)含量等是沉積巖類滲透性重要影響因素，巖石顆粒越粗，其他條件相同時孔隙也往往越大，滲透性也往往越好。因此在相同的賦存條件下，巖性顆粒越粗，巖層導水能力越強，對應的鉆孔單位涌水量越大[15]。為準確刻畫巖性組合對風化基巖富水性的貢獻能力大小對不同巖性進行賦值(表2)。

表2 巖性等級賦值

風化帶往往是砂泥巖互層結(jié)構(gòu)，為相對客觀地描述多種巖性互層對富水性的影響，可用巖性組合指數(shù)n來描述巖性組合的富水性強弱，n越大，富水性越強。

(2)

式中：ni為不同巖性的等級；hi為不同巖性風化基巖的厚度。

5)砂巖層數(shù)。風化砂巖結(jié)構(gòu)孔隙大，透水性能強，而風化泥巖易黏土化，遇水膨脹、泥化，使?jié)B透性減弱，成為相對隔水層。所以相同厚度風化基巖中砂巖層數(shù)越多，即相對隔水層的泥巖層數(shù)就越多，在垂向上不同巖層含水層的滲透量也會減少，富水性也會不同。所以選取風化基巖中砂巖層數(shù)這一指標來表達與富水性之間的關(guān)系，砂巖層數(shù)越多，富水性相對越弱。

2.1.2 基于隨機森林算法的含水層富水性評價

隨機森林(RF)法是由Breiman在Bagging集成學習理論基礎(chǔ)上提出的一種通過多棵分類回歸樹進行組合預測的統(tǒng)計算法[16]。該算法既保持了統(tǒng)計學理論的優(yōu)點，又減少了極端數(shù)據(jù)的誤差，將一系列決策樹的預測結(jié)果進行組合而得到最優(yōu)結(jié)果[17-18]。RF算法的基本思想是利用計算機抽取數(shù)據(jù)組成分類器，再將多個相對較弱的分類器組合起來成為一個強分類器，弱分類器相互補充從而提高結(jié)果的準確性，對于分類、回歸等具有多個指標變量的預測具備很好的效果。

以研究區(qū)30組鉆孔數(shù)據(jù)資料作為訓練樣本，輸入基于Matlab編程的隨機森林(RF)算法中構(gòu)建研究區(qū)風化基巖含水層富水性預測的RF判別模型，并對該30組訓練樣本和8組驗證樣本進行回代計算驗證。計算結(jié)果顯示本次構(gòu)建的RF判別模型對訓練樣本、驗證樣本識別準確率分別為96.67%和87.5%，表明該模型可對研究區(qū)富水性進行相對客觀的描述。在此基礎(chǔ)上，將風化基巖含水層富水性主控因素專題圖數(shù)據(jù)代入模型，計算得到研究區(qū)各鉆孔處富水性預測結(jié)果，而后借助GIS軟件生成研究區(qū)風化基巖裂隙含水層富水性預測結(jié)果圖(圖7)。經(jīng)與鉆孔抽水試驗獲得的單位涌水量資料進行對比，預測結(jié)果與鉆孔抽水試驗的單位涌水量具有較好的一致性，說明該預測方法是可行和有效的。

圖7 紅柳林井田風化基巖含水層富水性預測Fig.7 Prediction of water richness of weathered bedrock aquifer in Hongliulin mine field

2.2 巷道圍巖松動范圍分析

巷道開挖過程中，圍巖應力變化并重分布，巷道臨空面附近往往產(chǎn)生應力集中區(qū)，形成應力破壞帶，即巷道圍巖松動圈。當圍巖松動圈波及上覆充水含水層時，便會導通水源，可能引起含水層水瞬時涌入井下，導致工作面排水不及而造成突水事故。因此研究巷道圍巖松動圈范圍是巷道圍巖支護和掘進突水防治的重要基礎(chǔ)。

以文獻[19]中巷道圍巖松動圈厚度的相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)(表3)，基于Matlab統(tǒng)計分析模塊構(gòu)建了圍巖松動圈的多元線性與指數(shù)函數(shù)回歸預測模型：

L=0.001H+0.185B-0.011R+0.636

(3)

L=1.287H0.193B0.251R-0.533

(4)

式中，H、B、R分別為巷道埋深(單位：m)、巷道寬度(單位：m)和圍巖強度(單位：MPa)。

采用式(3)、式(4)分別對表3中實測資料進行計算，結(jié)果見表3。

表3 圍巖松動圈厚度實測資料統(tǒng)計

通過研究區(qū)內(nèi)鉆孔揭露資料，統(tǒng)計分析了4-2煤直接頂板巖性分布特征(圖8)，4-2煤東部剝蝕邊界一帶直接頂板存在風化現(xiàn)象，中西部絕大多數(shù)區(qū)域直接頂為正?；鶐r，巖性以泥巖、粉砂巖以及砂巖為主。

圖8 4-2煤層直接頂板巖性分布Fig.8 4-2 lithology distribution map of direct roof of coal seam

為獲得相對客觀的巖石力學參數(shù)，統(tǒng)計分析了研究區(qū)內(nèi)以往勘探階段4-2煤頂板不同巖性的力學測試結(jié)果(圖9)，圖9a與圖9b分別為4-2煤頂板正?；鶐r與風化帶范圍內(nèi)不同巖性的力學參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果。

對比圖9a、圖9b發(fā)現(xiàn)，相比正?；鶐r，巖石風化后不同巖性，特別是粗顆粒砂礫巖力學強度發(fā)生明顯降低。泥巖、砂質(zhì)泥巖單軸抗壓強度均值從22.16～23.85 MPa，降低至6.13～8.67 MPa；粉砂、細砂巖力學強度降低相對較小，均值從28.84～33.9 MPa降低至17.82～19.64 MPa；中粗砂巖風化后力學強度降低最明顯，均值從31.5～36.9 MPa降低至9.58～11.08 MPa。此外圖8顯示，未風化的正?；鶐r力學強度與巖石顆粒大小呈正相關(guān)，而風化后的巖石以粉砂巖、細砂巖力學強度最高，隨顆粒的增大或減小，巖石力學強度均呈降低趨勢。

本次采用以往巖石力學測試結(jié)果的均值作為煤巷圍巖不同巖性巖石力學強度指標，以彌補4-2煤頂板巖石力學參數(shù)測試數(shù)量的不足。結(jié)合煤礦實際生產(chǎn)條件，確定4-2煤巷道寬度為6 m。煤層巷道埋深可通過鉆孔揭露資料統(tǒng)計計算獲得。綜合上述資料通過式(3)、式(4)對研究區(qū)內(nèi)4-2煤賦存區(qū)煤巷開挖過程中圍巖松動范圍進行預測，再通過取大舍小的方式選取松動圈厚度值。結(jié)合鉆孔揭露的正?；鶐r厚度(圖10)和松動圈厚度預測值等資料，計算巷道掘進頂板安全性分區(qū)值，并繪制了巷道掘進頂板安全性分區(qū)結(jié)果圖(圖11)。參考以往學者通過試驗對比確定的圍巖松動圈分類指標[21]，并結(jié)合現(xiàn)場實測經(jīng)驗，認為裂隙帶與風化基巖間的正?；鶐r保護層厚度的安全值應大于5 m。即圖中危險區(qū)代表松動圈范圍已波及上覆風化基巖，較危險區(qū)代表松動圈裂隙帶與風化基巖間完整正常基巖不足5 m，安全區(qū)代表松動圈裂隙帶與風化基巖間完整正?；鶐r大于5 m。

圖9 煤層頂板巖石力學參數(shù)統(tǒng)計Fig.9 Statistical of rock mechanical parameters of coal seam roof

圖10 4-2煤頂板正?；鶐r厚度等值線Fig.10 4-2 isoline map of normal bedrock thickness of coal roof

圖11 4-2煤賦存區(qū)巷道掘進頂板安全性分區(qū)預測Fig.11 4-2 safety zoning prediction of roadway driving roof in coal storage area

3 突水危險性預測分析

煤礦井下巷道掘進時頂板水害的發(fā)生主要取決于掘進后圍巖擾動范圍是否溝通上覆含水層和上覆含水層富水性強弱2個因素。根據(jù)紅柳林煤礦水文地質(zhì)條件和地質(zhì)等因素的綜合分析，提出了巷道掘進頂板涌(突)水危險性劃分標準(表4)，不同評價區(qū)劃分標準也不盡相同；其次，按照表5所示的疊加原則，將直接充水含水層富水性分區(qū)圖和井下巷道掘進頂板安全性分區(qū)圖進行疊加融合，對整個井田的4-2煤層巷道掘進頂板涌(突)水危險性進行評價，最終得到4-2煤層巷道掘進頂板涌(突)水危險性分區(qū)預測圖(圖11)。

表4 巷道頂板掘進涌(突)水危險性分級

由圖12可以看出，井田4-2煤層東部剝蝕邊界附近風化基巖含水層與4-2煤層間距小(0～5 m)，富水性相對較強，圍巖松動圈能波及風化基巖含水層，因而危險性較高。井田中部及西部危險等級小的區(qū)域，部分區(qū)域含水層富水性較強但巷道掘進后的圍巖松動圈范圍小，未能波及到風化基巖充水含水層，所以危險性相對較低。

圖12 4-2煤巷道掘進頂板突水危險性分區(qū)Fig.12 4-2 Zoning map of water inrush risk in roof of coal roadway driving

井下實際涌(突)水資料顯示，井田內(nèi)近年來共發(fā)生2次巷道掘進頂板突水事故(表5)，對比分析2起突水事故位置和涌水量，可見井田內(nèi)風化基巖含水層富水性極不均勻，局部強富水區(qū)被采掘裂隙溝通后極易造成井下突水水害，致使井下采掘工程停止而造成重大損失。后經(jīng)查明，該2起突水水源均為風化基巖水。上述實際涌突水位置與巷道掘進頂板突水危險性分區(qū)預測結(jié)果基本一致，證明該方法對巷道掘進頂板涌(突)水危險性評價結(jié)果符合研究區(qū)的客觀情況，可作為礦井防治水的重要依據(jù)。

表5 突水點具體情況

4 結(jié) 論

1)風化基巖裂隙含水層是紅柳林煤礦主要的充水含水層，其結(jié)構(gòu)相對松軟，富水性空間變化較大。選擇風化基巖含水層厚度、風化程度、巖性組合、砂巖層數(shù)以及古地形標高5個主控因素，采用隨機森林(RF)算法對風化基巖含水層富水性進行預測，預測結(jié)果與鉆孔抽水試驗的單位涌水量具有較好的一致性。

2)通過分析巷道圍巖巖性特征，應用Matlab統(tǒng)計分析模塊構(gòu)建了圍巖松動圈厚度的多元線性與指數(shù)函數(shù)回歸預測數(shù)學模型，進行松動圈厚度計算，預測結(jié)果與實測值誤差較小，表明該預測模型可對圍巖松動圈厚度進行準確計算。

3)基于GIS空間疊加分析方法對含水層富水性分區(qū)結(jié)果與巷道掘進頂板安全性分區(qū)結(jié)果進行疊加分析，得到4-2煤層巷道掘進頂板突水危險性分區(qū)預測圖。結(jié)果表明：4-2煤層巷道掘進頂板突水危險區(qū)及較大危險區(qū)主要位于北一盤區(qū)4-2煤層剝蝕邊界附近，與實際突水位置基本一致，說明該預測方法是可行的。