带压煤层底板构造致灾突水水量预测方法初探

牟林

(中煤科工集团西安研究院，陕西西安710054)



带压煤层底板构造致灾突水水量预测方法初探

牟林

(中煤科工集团西安研究院，陕西西安710054)

［摘要］由于底板构造突水水量的难以预测性，生产中常用底板疏降水量代替突水水量，导致矿井防排水系统建设的主要依据可靠度偏低。以霍州煤电集团大水矿区为例，分析了矿井正常涌水量、最大涌水量和突水水量的区别与联系，基于含水层补给能力和导水通道的过水能力两方面因素，构建了断裂和陷落柱2种导水通道的突水水量预测模型，提出了适用于构造突水情况的矿井涌水量预测修正方法。以霍州矿区2个矿井的资料为例进行验证，结果表明基于含水层补给能力的突水预测模型更符合实际突水情况，该矿区构造类突水水量的决定因素为含水层富水性。考虑底板突水因素，提出了矿井抗灾指标的计算方法，提高了抗灾系统指标的可靠性。

［关键词］突水;水量预测;陷落柱;断层

［引用格式］牟林.带压煤层底板构造致灾突水水量预测方法初探［J］.煤矿开采，2015，20 (2) : 85－89.

我国华北型煤田大水矿区典型的突(透)水形式主要包括小煤窑透水、顶板含水层透水、底板含水层突水3种［1］。绝大多数煤矿水害事故均是由于老窑透水和底板突水造成的，老窑透水问题是历史遗留性问题，随着浅层资源不断开采和大量小型矿井资源重组整合，老空水问题通过不断加强探放水制度管理可以得到解决。与此同时，由于煤层赋存条件和开采水文地质条件固有的复杂性，矿井受含水层威胁程度的评价问题一直是矿井防治水工作关注的重点，而矿井涌水量预测则是需要解决的核心问题。对于顶板水预测目前已形成了解析法、比拟法、数值法等多种预测方法［2－3］，在有足够勘探资料的情况下，涌水量预测结果一般均具有较强的指导意义。对于导水构造发育块段的突水量预测仍处于积极探索阶段，主要原因是构造类导水通道的隐伏性及构造带物性参数的未知性，导致单个构造通道突水量难以预测，严重影响了水量预测的可靠程度［4－6］。本文以霍州煤电大水矿区为例，从构造类充水通道突水机理及其突水量预测方法入手，探讨矿井常规排水能力和抗灾排水能力的设防指标。

1　矿井正常涌水量、最大涌水量和突水量的概念

1.1正常涌水量与最大涌水量

在煤矿水害防治领域，采掘活动影响范围内充水水源自然的、无法控制地流入矿坑的水量，即为矿井涌水量，它的充水水源为已知的直接充水含水层，研究对象一般为构造不发育的正常块段。矿井涌水量分正常涌水量和最大涌水量，前者是考虑多种影响因素的平均值条件下计算得出的水量，后者是将影响因素取最大值时求取的水量。正常涌水量和最大涌水量是建设矿井正常排水能力的主要依据。

1.2突水量

对于因受技术条件限制无法预知的隐蔽导水通道(如断层、陷落柱等)，采掘影响使间接充水水源瞬间涌入矿坑，造成突发性矿井涌水量，则称为矿井突水量或灾害涌水量。由于充水条件的不可预知性，构造突水水量的预测存在诸多难题，但突水水量却是评价矿井水文地质类型，设定排水系统抗灾变能力的重要指标。

1.3正常涌水量、最大涌水量与突水量的区别与联系

矿井正常涌水量和最大涌水量的决定因素主要包括直接充水含水层的空间结构、水文地质特征、隔水层的厚度和岩性组合特征、采矿工艺及影响范围等，当影响因素基本确定时，正常涌水量不会出现剧烈的波动。突水量的决定因素主要为导水通道的过水能力和充水含水层的供给能力，因此进行突水量预测必须考虑这两方面的因素。

通常情况下，突水点发生突水后，并非所有情况都能实现完全封堵，在统计矿井涌水量时，矿方通常将这部分已经发生的突水量计入最大涌水量之中，便于设防正常与最大排水能力。但对于潜在的(或称常态化的)突水威胁及突水水量设定多大的设防指标，依然没有较好的解决办法。

2　霍州矿区下组煤底板水害类型及威胁程度

2.1构造控水条件

霍州矿区位于霍西煤田中部，属于典型的石炭二叠系含煤建造环境，位于郭庄泉域强径流排泄区。郭庄泉岩溶水系统及其特征主要受汾西复向斜的控制，在向斜内部不仅发育着NNE向的一系列次级断裂与褶皱，而且还发育一系列近EW向的构造，把向斜又进一步分割成众多隆起和拗陷，如灵石隆起、郭庄隆起等。在隆起的两侧发育众多张扭性或压扭性高角度正断层，如什林断层、上团柏断层、下团柏断层等。这些大小断裂构造构成了地下岩溶水进入矿坑的重要通道。

2.2底板隔水条件与突水形式

底板隔水层条件是阻抗底板水压的关键因素。区内10号煤距离奥灰约30m，11号煤距离奥灰20m，隔水层主要岩性为砂质泥岩、泥岩、铝土岩、粉砂岩等。据峰峰、焦作、淄博等大水矿区资料统计(图1)，发现底板保护能力与厚度之间不是线性关系，底板越薄，临界突水压力越小。总体上，峰峰、焦作矿区底板隔水层厚度大于35m时，突水概率较小，而淄博则为40m，霍州矿区下组煤底板隔水层厚度为20～30m，明显低于上述隔水厚度临界值，易发生底板突水。同时，霍州矿区下组煤发生突水的事故中，仍以揭露断层和陷落柱为主要突水形式。由此可见对于霍州矿区，即使对于隔水层厚度更薄的下组煤地段，构造类导水通道仍为采掘活动的主要威胁。

图1　突水情况散点图

2.3突水强度与水害威胁程度分析

霍州矿区有17对矿井，其中生产矿井8对，整合矿井9对。涌水量最大的矿井为团柏、辛置、李雅庄、曹村等矿，涌水量480～1600m3/h不等。这些矿井位于郭庄泉排泄区强径流带上，矿井涌水特点为顶板太灰水富水性好，通过构造与奥灰发生密切水力联系，开采后顶板太灰涌水量可占矿井涌水量60%以上，单个工作面涌水量为100～400m3/ h，且水量持续稳定。同时因揭露断层和陷落柱导致奥灰突水事故频发，单次突水量可达500m3/h，最大的为白龙矿2007年3月18日陷落柱突水，单次突水量达1200m3/h，直接导致+370m水平淹没关闭。各矿涌水情况与排水能力统计情况见表1。

3　霍州矿区典型突水模式

3.1断裂导升型突水模式

如图2 (a)所示，干河矿2－112工作面位于一采区右翼，开采2号煤层，采区内奥灰顶界面带水压值3.2～5.6MPa，奥灰突水系数0.03～0.053MPa/m。工作面北部有1条落差74m的正断层，走向WE，与2－112工作面基本平行展布，2－112工作面回采过程中发生数次出水。初次突水

100m3/h，最大时达到350m3/h，最后稳定致250m3/h。

表1　霍州矿区矿井充水强度与排水系统能力统计

断层使K2与煤层及顶底板含(透)水层基本对接，奥灰水也可能通过断裂通道源源不断地补给煤层上覆含(透)水层，回采后顶板垮落形成大量采空区淋水。同时断裂带一侧煤柱无法承受上覆地压而破坏失效，阻水能力不足，导致侧向突水。

3.2陷落柱直通式突水模式

如图2 (b)所示，团柏矿11号煤首采区带压1.37MPa，+400m水平总回风巷揭露X－228陷落柱时，突水470m3/h，+400m水平胶带巷在距离该陷落柱4m处出水60m3/h。另外在与首采区域相邻的10－106，10－112，10－114工作面均揭露过导水陷落柱，突水水量分别为40m3/h，50m3/h和150m3/h。

回采过程中矿压对底板岩层的挤压、张拉、错动效应使底板产生一定的破裂深度。同时当陷落柱中顺柱体向上劈裂、运移的水压突破柱体中充填物粘结力和地应力时，底板破裂深度与柱体形成贯通式导水通道，造成突水。

图2　霍州矿区典型突水模型示意

4　构造突水水量预测模型研究

4.1基于导水通道过水能力研究的突水量预测模型

当矿井掘进巷道或工作面一旦揭露导水通道时，矿井涌水方式属于典型的非稳定管道流模式，因此单纯建立在达西流体上的涌水量计算公式已不适用于预测突水水量。工作面底板开始发生突水时，随着水压的冲刷作用导水通道内的充填物不断被冲刷，沿程阻力不断变小，最后形成稳定的过水通道，因而水量变化一般由初始水量逐渐增大到最大水量，之后较长一段时间内的流量衰减情况则往往取决于含水层的供给能力。根据管道流理论，将断裂带突水模式简化为管道流进行建模，预测最大突水量。

设u为突水时水体流速，l为突水通道长度，d为导水带有效宽度(或陷落柱直径)，λ为破碎带介质表面阻力系数，H为突水点初始水位，h为突水后的水位，则突水通道长度为l时的水力损失表达式为:

表征流体流动状态可以用雷诺数Re表示，其与流速u，通道有效宽度d，流体黏性系数μ，液体密度ρ有如下关系式:

对于断层，式(2)中:

式中，Q为突水水量; L为导水断层走向方向被揭露的长度，实际生产过程中，一般巷道直接揭露约5m左右，采面揭露不超过50m。

将式(3)代入公式(2)，结合表2试算干河矿2－112工作面断裂带水流的雷诺系数为:

从以上试算结果可知，导水断裂带发生突水时，Re为2286.7，此时断裂带流体运动特征属于临界区流态，即位于层流和紊流流态之间。

表2　霍州矿区导水断裂突水时水流计算

由于岩体裂隙阻力系数与雷诺数的关系尚无相关研究成果，本文借鉴工业管道流相关研究成果进行研究［7］，可以采纳公式:

λ=αReβ(5)

位于临界区时:

λ= 0.0025Re0.33(6)

式中，α，β取值分别为: 0.025，0.33。

如果突水水量更大时，流态将变成全面的紊流光滑区流态，此时:

λ= 0.0023Re－0.20(7)

其中α，β为岩体介质表面位于紊流光滑区流态时的相关常数，取值分别为0.023，－0.020。联立式(1)、式(2)、式(3)、式(5)，得到:

将式(3)中Ld换成陷落柱截面积πd2/4，得u=4Q/πd2，其中Q=470m3/h，d为实际直径乘以裂隙率，即d = 30m×10% = 3m。联立式(2)和(3)反算团柏矿X－228陷落柱雷诺系数，得Re= 54888，流态位于紊流光滑区。对于陷落柱，其通道往往比断层更为通畅，因而柱体内发生突水时流体状态受通道充填物介质表面阻力影响很小，雷诺系数更大。其α，β取值见式(7)。联立式(1)、式(2)和式(5)，得到陷落柱突水公式:

4.2基于充水水源补给能力研究的突水量预测模型

导水构造突水能力除了决定于构造通道的过水能力，另一个因素即为含水层的补给能力Q:

Q = KJW(10)

式中，K为渗透系数，J为水力梯度，W为断裂带两侧含水层被揭露的泄水面积。令H1，h1分别为降落漏斗中心和附近观测点的水位，则J为(H1－h1) /r，r为突水点中心至观测点距离;令M为含水层厚度，当含水层被全部错断时W= 2LM;当含水层被局部错断时，令M1，M2为断层两侧含水层被错段的泄水面厚度，则W=L (M1+M2)，令M= (M1+M2) /2。代入式(10)得:

对于陷落柱，W=πd'M，d'为陷落柱柱体实际直径，代入式(10)得:

4.3关于突水预测模型参数选取

上述内容探讨了通道过水能力和含水层补给能力，实际应用时参数选取依然是难点。矿井底板突水水量难以预测除了突水机理复杂外，还与构造的隐伏性、规模、含导水性均难以准确量化有直接关系，同时含水层的不均一性也影响了预测精度［8－14］。因此，预测时应通过理论模型与经验参数相结合的形式，以便符合特定水文地质条件下的突水水量计算条件。

对于式(8)、式(9)，L跟据断层走向和揭露情况取5～50m不等;断层导水带宽度d (或陷落柱直径)和长度l可通过物探、钻探取得;突水点残余水头h取突水点标高。对于式(11)、式(12)，M1，M2的取值可依据物探和钻探探查结果; h1取突水点标高。此外，当部分参数确实不具备确定条件时，可采用相邻矿以往采掘实践中取得的上限值。

4.4突水量预测模型检验与突水水量预测

从通道过水能力、含水层补给能力两方面对断裂、陷落柱两种突水形式进行了突水模型构建。最终突水量的大小应由通道、含水层2个因素综合决定，因此宜取二者的小值来预测突水水量。从突水通道过水能力和含水层补给能力两方面分别对干河2－112面的断层突水、团柏矿+400m水平总回风巷的陷落柱突水进行了突水水量预测，预测结果见表3。

以上预测结果表明，基于含水层补给能力的突水预测模型更符合实际突水情况(表3中2次突水，实际最大突水量分别为350m3/h和470m3/h)。对于霍州矿区而言，无论是断裂还是陷落柱，当构造导水时其过水能力远大于含水层补给能力，这也解释了为什么发生较大突水事故时，涌水点无喷射状水柱的现象。因而对于霍州矿区煤层底板突水量的预测，重点应回归到含水层自身的补给能力上来，即含水层自身水文地质特征的认识，最典型的为含水层渗透系数K的取值，应充分研究和分析本矿及周边勘探数据，使参数选取更符合实际。

表3　基于通道过水能力和含水层补给能力的预测模型计算结果对比

4.5考虑底板构造突水致灾因素的矿井涌水量预测

对于采区顶板直接充水水源涌水量预测研究较常用方法为大井法承压转无压模型:

对于存在底板直接充水水源时，可采用承压完整井模型:

式(13)、式(14)相关参数的含义可参考2013年6月出版的《煤矿防治水手册》。

对于霍州矿区，生产采区的涌水量预测主要包括顶板垮落形成的透水量和底板揭露构造造成的突水水量。在预测矿井涌水量时，可令:式(8)为函数: Q = f1(L，l，d，H，h，α，β，ρ，μ) ;式(9)为函数: Q= f2(l，d，H，h，α，β，ρ，μ) ; 式(11)为函数: Q=f3(L，M，K，H1，h1，r) ; 式(12)为函数: Q=f4(d'，M，K，H1，h1，r) ; 式(13)为函数: Q = f5(K，H，M，r0，R) ;式(14)为函数: Q=f6(K，M，r0，S)。

根据《煤矿安全规程》，水文地质条件复杂或有突水淹井危险的矿井，应设置排水能力不小于最大涌水量的抗灾强排系统。由于突水水量难以预测，最大涌水量在实际生产中并没有包括突水水量，然而设置抗灾系统的主要目的却是针对突水隐患，防止突水灾害。通过本文的预测方法，可将潜在的(常态化的)突水水量列入最大涌水量范畴，便于为抗灾系统建设提供更合理的指标。

(1)对于存在单个断层导水隐患的抗灾指标预测公式为:

Q = min(f1，f3) + k(f5+ f6)(15)

(2)对于存在单个陷落柱导水隐患的抗灾指标预测公式为:

Q = min(f2，f4) + k(f5+ f6)(16)

(3)对于同时存在单个断裂和陷落柱导水的情况，可采用普适型公式:

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

式(14)、(15)、(16)中k (f5+ f6)为无突水时的最大涌水量，k一般取1.5～2.0。正常情况下，发生突水后会采取治理措施，然后再进行回采活动，因此不用考虑多处构造或陷落柱同时突水的情况。采用min格式的函数是不排除过水通道能力小于含水层补给能力的情况。

5　结论与建议

(1)分析了生产矿井涌水量预测方法的基本现状，阐述了考虑常态化突水水量对矿井排水系统设计指标的重要性。研究了矿井正常涌水量、最大涌水量和突水水量的基本概念和内在联系，提出了将常态化的突水水量并入最大涌水量的思路。

(2)分析了霍州煤电大水矿区主要水害类型，认为底板断裂构造和陷落柱导水为主要设防重点，并分析了断裂导升型突水模式、陷落柱直通式突水模式的突水机理。

(3)基于含水层补给能力、导水通道过水能力两方面考虑，构建了断层和陷落柱类通道的突水水量预测模型，结果表明对于霍州矿区构造类突水水量的决定因素为含水层富水性。

(4)考虑底板突水因素，提出了矿井抗灾指标的计算方法，提高了系统指标的可靠度。

(5)底板突水预测的难点在于隐伏构造地质条件的难以预知性，因此在进行矿井涌水量预测前应采用多种手段探查、研究本区的构造导水带的结构、产状和导水性，掌握相关规律后才能提高预测的精度。

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［责任编辑:张玉军］

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

［作者简介］牟林(1985－)，男，湖北松滋人，硕士，工程师。

［基金项目］国家自然科学基金重点资助项目(51034003) ;国家科技计划支撑课题(2012BAC10B03)

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

［收稿日期］2014－08－13

［中图分类号］TD742

［文献标识码］A

［文章编号］1006-6225 (2015) 02-0085-05