再论煤层顶板涌(突)水危险性预测评价的“三图－双预测法”

武　强，许　珂，张　维

(1．中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京　100083;2．国家煤矿水害防治工程技术研究中心，北京　100083)



再论煤层顶板涌(突)水危险性预测评价的“三图－双预测法”

武强1，2，许珂1，张维1

(1．中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京100083;2．国家煤矿水害防治工程技术研究中心，北京100083)

摘要:针对煤层直接顶板隔水层缺失或沉积较薄、且上覆充水含水层富水性较弱条件下的顶板水害评价预测，在“三图－双预测法”理论与方法指导下，分别从顶板冒裂程度和含水层富水性强度2个方面入手再次讨论了顶板含水层涌(突)水危险性评价方法。顶板冒裂程度以导水裂缝带扰动破坏上覆含水层距离作为评价指标;含水层富水性评价方法则进一步提升，以富水性指数法为依托，一方面充分挖掘地质和水文地质勘查数据中与含水层富水性相关的信息，包括渗透系数、砂岩厚度、冲洗液消耗量、岩芯采取率和脆塑性岩厚度比等，并将其作为主控地质因素，另一方面将数量有限的单位涌水量作为含水层富水性的实测指标对富水性指数法的评价结果进行校正，解决了在水文地质勘查程度较低情况下含水层富水性合理准确评价与分区难题。在此基础上运用Visual Modflow的DRN边界子模块对天然状态下和采取防治水措施状态下工作面的涌水量进行了动态预测。最后以台格庙矿区为例，说明了特殊水文地质结构条件下煤层顶板涌(突)水危险性评价和涌水量预测方法的具体实施步骤。

关键词:顶板水害;薄隔水层;导水裂隙带;富水性;DRN边界

武强，许珂，张维．再论煤层顶板涌(突)水危险性预测评价的“三图－双预测法”［J］．煤炭学报，2016，41(6):1341－1347．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2015．1210

Wu Qiang，Xu Ke，Zhang Wei．Further research on“three maps-two predictions”method for prediction on coal seam roof water bursting risk［J］．Journal of China Coal Society，2016，41(6):1341－1347．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2015．1210

华北型煤田西部和西北早中侏罗纪煤田煤层层数多，厚度大，资源十分丰富，是我国重要的战略性煤炭工业基地［1－2］。随着开采规模和开采强度不断加大，煤矿顶板水害威胁日渐突出，严重影响了矿井正常生产，构成了严重的安全隐患［3］。因此，如何有效地评价煤层顶板水害危险性，如何符合实际地预测、圈定煤层顶板水害重点防控“靶区”或“疑区”，对矿井安全生产具有极其重要的理论指导意义和实用价值。

早在2000年，笔者在总结多年科学研究和大量工程实践成果的基础上，提出了解决煤层顶板涌(突)水危险性评价预测的“三图－双预测法”，从对煤层顶板涌(突)水危险区的定量圈定，到回采工作面工程涌(突)水量模拟预测，形成了一整套系统的研究思路和工作方法［4－8］，该方法在解决煤层顶板涌(突)水危险性评价预测难题方面，发挥了巨大作用，填补了我国顶板水害评价预测方法的空白。但是，自然界的地质和水文地质条件是千变万化的，对于煤层直接顶板隔水层缺失或沉积较薄、且上覆充水含水层富水性较弱条件下的顶板水害评价预测，仅考虑煤层开采诱发的导水裂缝带发育高度是否触及到顶板充水含水层，显然就不够全面了，导水裂缝带扰动破坏上覆充水含水层的距离、范围成为非常关键的因素，冒裂到含水层高度愈高，扰动破坏范围愈大，充水含水层相应部位富水性愈强，顶板涌(突水)危险性就愈大，反之亦然。另外，由于我国大部分煤矿区水文地质勘探程度较低，抽(放)水试验数量有限，仅仅依靠抽(放)水试验确定的单位涌水量来评价充水含水层富水性，数据信息不够，难以准确评价含水层富水性的真实分布规律。根据上述分析，笔者再次讨论了煤层顶板涌(突)水危险性评价预测的“三图－双预测法”。

1　评价方法原理

针对煤层直接顶板隔水层缺失或沉积较薄、且上覆充水含水层富水性较弱条件下的顶板涌(突)水危险性评价预测难题，在“三图－双预测”基本理论和方法指导下，结合大量工程实践，综合探究了特殊水文地质结构条件下煤层顶板涌(突)水危险性评价预测方法的基本原理和具体实施步骤。

1.1顶板冒裂程度评价与分区图

在煤层直接顶板隔水层缺失或沉积较薄矿区，煤层开采诱发的导水裂缝带必然会进入并扰动破坏上覆充水含水层。显然，在其他条件相同的情况下，采厚和工作面斜长是控制其覆岩导水裂缝带发育高度的主要因素，采厚主要影响顶板垮落空间、支撑稳定性，一般情况下采厚越大导水裂缝带发育高度越大，顶板含水层受扰动破坏的距离就越大;导水裂缝带发育高度随工作面倾向斜长的增长而增加，但存在极限值，超过该值时，导水裂缝带发育高度不再增加［9］。因此，用导水裂缝带扰动破坏上覆充水含水层的距离作为评价顶板冒裂程度的定量指标，导水裂缝带扰动破坏充水含水层的距离越大，顶板冒裂程度越高，反之则冒裂程度较低。

在充分收集研究区勘查资料基础上，根据具体采厚，开采方法、工艺、覆岩岩性与结构和其力学参数等，选用规程规范或其他合理的导水裂缝带发育高度计算公式，或选择应力应变数值仿真模拟方法，根据井下现场导水裂缝带实测数据的校正，确定导水裂缝带发育高度。如果其发育高度大于上覆充水含水层厚度，则取充水含水层厚度作为导水裂缝带扰动破坏含水层的最大距离。最后运用具有强大空间数据分析处理功能的GIS软件生成顶板采动冒裂程度分区图。

1.2顶板充水含水层富水性评价与分区图

含水层富水性评价理论与方法还处于不断发展与完善之中，从水文地质学基础理论来讲，含水层富水性强弱是由单位涌水量来决定的，单位涌水量是指抽(放)水井水位降深换算为1 m时的单井出水量，单位涌水量越大，含水层的富水性越强，反之则越弱，因此单位涌水量可直观地反映含水层的富水性强弱;从工程实践来看，我国大部分煤矿区水文地质勘探程度较低，抽(放)水试验有限，所获取的单位涌水量数量较少，控制范围不够，未能充分反映含水层富水性分布规律，无法实现含水层富水性的高精度、多级别评价与合理分区。

针对这个难题，笔者充分挖掘煤田地质勘查和水文地质勘探过程中所有与含水层富水性有关的钻孔多源信息，实现了对含水层富水性多角度、全方位的评价。在获得诸如含水层(组)厚度、冲洗液消耗量、岩芯采取率、渗透系数和脆塑性岩厚度比等含水层富水性的主控因素后，运用诸如层次分析法(AHP)等信息融合方法计算出能够反映各主控因素对含水层富水性贡献的权重值，利用GIS的强大空间信息分析处理功能，按权重对所有主控因素进行信息叠加，得到综合反映含水层富水性相对强弱的指标——富水性指数，并依据富水性指数评价充水含水层富水性规律，建立富水性分区图，最后利用有限的抽(放)水试验所确定的单位涌水量数据对富水性指数法的评价结果进行校正。该评价方法既符合水文地质学基础理论，同时又最大程度的利用了矿井已有的各类勘查资料，解决了在水文地质勘探程度较低矿区的充水含水层富水性合理准确地评价与分区难题。

1.3顶板涌(突)水危险性综合评价与分区图

顶板水害的发生取决于导水裂缝带发育范围内含水层的富水性强度，导水裂缝带扰动破坏含水层距离较大同时富水性相对较强的区域，其涌(突)水危险性则相对较高，反之亦然。因此，顶板涌(突)水危险性由顶板冒裂扰动程度和充水含水层富水性共同决定，复合叠加这2个分区图的地学信息可实现顶板涌(突)水危险性的评价与分区，值得一提的是在复合叠加之前，应结合研究区的具体情况制定顶板涌(突)水危险性划分标准，不同条件划分标准可能不同，然后依据划分标准对顶板冒裂程度分区图和充水含水层富水性分区图进行叠加，建立顶板涌(突)水危险性评价和分区图。

1.4涌水量动态预测

针对顶板充水含水层富水性较弱的特点，选用Visual Modflow中的DRN边界子模块来预测工作面涌水量［10－12］。DRN边界可以解决众多矿井涌水量预测的实际问题［13］，尤其在高精度模拟巷道掘进或工作面回采过程中的疏排水量更为合适，克服了在富水性较弱地区用抽水井模拟矿井涌水量不准确的缺点。运用DRN边界子模块结合Zone Budget功能分别对天然状态下和采取防治水措施情况下的工作面涌水量进行了预测。

2　实例分析

2.1研究区概况

研究区位于鄂尔多斯市东胜区，呈不规则长方形，面积约737.76 km2。区内未发现较大断层、褶皱及岩浆岩侵入体，地质构造较简单。地层近水平状，主要为全新统风积沙覆盖，侏罗系安定组、延安组隐伏于第4系、新近系与白垩系之下。含煤地层为侏罗系中下统延安组，赋存大部可采煤层7层，分别为2－2上，2－2，3－1，5－1，6－1，6－2和6－3煤层，首采2煤组和3煤组。

通过对矿区地质条件、水文地质条件和煤层开采条件的分析，确定了侏罗系直罗组碎屑岩类孔隙－裂隙承压含水层是首采煤层的直接充水含水层;白垩系伊金霍洛组碎屑岩类孔隙－裂隙承压含水层是首采煤层的间接充水含水层;直罗组与伊金霍洛组之间为安定组，岩性组合为绛紫色或棕红色细－粗粒砂岩夹薄层紫红色、灰绿色泥岩、砂质泥岩。砂岩中含大量青灰色泥质包裹体，阻水效果好，是阻断上下含水层水力联系的重要隔水层。直罗组含水层在全矿区分布，连续性较好，厚度大，富水性弱～中等。岩性以中粗砂岩为主，局部为粗粒砂岩、粉砂岩及砂质泥岩。在地表出露较少，主要接受侧向径流补给，并以侧向径流排泄为主。

2.2首采煤层顶板冒裂程度评价与分区

台格庙矿区煤层厚度介于0.71～7.77 m，依据建井设计采用综放开采方法。根据800多个钻孔岩芯资料，煤层顶板岩性以砂岩和砂质泥岩为主，抗压强度多在20～40 MPa。因此，煤层顶板砂岩为中硬岩石，导水裂缝带发育高度应选用《煤矿防治水手册》中的综放开采条件下、中硬岩导水裂隙带发育高度计算公式［14］(式(1))。

式中，M为采厚，m。

矿区导水裂缝带发育高度均未超过含水层厚度，因此用导水裂缝带高度来表征导水裂缝带对含水层的扰动破坏，由图1可以看出导水裂缝带发育较高的地方主要位于矿区东北部和中南部，导水裂缝带发育高度较低的区域呈带状分布于矿区西北、中部和东南部，其他区域导水裂缝带发育高度介于前两者之间。

2.3首采煤层顶板充水含水层富水性评价与分区

单位涌水量的大小直接反映含水层富水性的强弱，是检验含水层富水性强度的最终指标。矿区面积737.76 km2，仅44组首采煤层顶板含水层的抽水试验，控制程度较低，单位涌水量数据较少，因此本次评价未将单位涌水量作为含水层的主控因素，而是作为富水性的实测指标对富水性指数法的评价结果进行校正。

图1　顶板冒裂程度分区Fig.1　Zoning map of caving and fractured degree

充分挖掘矿区勘查资料，确定采用渗透系数、砂岩厚度、冲洗液消耗量、岩芯采取率和脆塑性岩厚度比作为含水层的富水性的主控因素，其中渗透系数数据采用水文地质勘查时期的44组抽水试验资料获得;脆塑性岩依据测井反映的砂泥比划分，砂泥比大于30%为脆性岩，小于5%为塑性岩，计算范围为导水裂缝带发育高度内的岩层;其余各地质因素数据采用水文地质勘查和地质详查期间的800多个钻孔数据获得，各主控地质因素专题图如图2所示。

图2　含水层富水性各主控因素专题图Fig.2　Thematic map of each main controlling factor of aquifer water yield capacity

对矿区的地质、水文地质条件有了较为深刻的认识后，充分征求专家意见，运用层次分析法计算各主控因素的权重见表1，对各主控因素数据进行归一化处理，利用GIS的空间信息叠加功能将各主控因素按其权重综合成一个富水性量化指标，即富水性指数，并据此进行含水层富水性分区(图3)。

表1　含水层富水性各主控因素权重Table 1　Weight of each main controlling factor of aquifer water yield capacity

由图3可以看出，富水性相对较强的区域呈条带状分布于位区中部偏西，东南角也有小范围分布;富水性相对较弱区主要位于矿区中北部和西南部，其余地区为过渡区。实测单位涌水量大于0.06 L/(m· s)的钻孔大部分位于红色区域(相对较强富水区)，单位涌水量小于0.45 L/(m·s)的钻孔大部分位于绿色区域(相对较弱富水区)，其余钻孔多位于黄色区域(过渡区)，说明用以上5个主控地质因素按适合该矿区条件的权重进行叠加所得富水性分区符合矿区含水层的富水性实际情况，评价结果准确性较高。

图3　首采煤层顶板含水层富水性分区Fig.3　Zoning map of aquifer water yield capacity of first mined coal seam

如果含水层富水性评价结果与实测单位涌水量的拟合度较低，一方面应对各主控因素数据进行检查，排除干扰数据，另一方面要充分结合评价区的地质及水文地质条件不断调整各主控因素的权重，直至富水性分区图与实测单位涌水量数据相符合。

2.4首采煤层顶板涌(突)水危险性评价与分区

首先，在充分征求专家意见并结合台格庙矿区地质特点的基础上提出了顶板涌(突)水危险性划分标准表(表2)，不同评价区划分标准也不尽相同;其次，对含水层富水性分区图和首采煤层顶板冒裂程度分区图的各个等级赋标示值，等级较低的区域赋较小的值，等级较高的区域赋较大的值，然后利用GIS中的union工具将赋值后的两个专题图进行叠加同时对标示值求和，得到叠加后各等级的标示值;最后，依据表2按照求和后的标示值再次分区并将标示值相同的区域合并为一个区，最终得到首采煤层顶板涌(突)水危险性分区图(图4)。

表2　顶板涌(突)水危险性划分标准Table 2　Roof water bursting risk evaluation standard

图4　首采煤层顶板涌(突)水危险性分区Fig.4　Zoning map of roof water bursting risk of first mined coal seam

由图4可以看出首采煤层顶板涌(突)水危险区位于二井田的中北部、四井田也有小范围分布，该区含水层富水性相对较强、导水裂缝带发育高度较高;位于二井田和四井田的交界处、一井田南部的较危险区含水层富水性较强，但导水裂缝带发育高度中等，位于三井田中部的较危险区含水层富水性中等但导水裂缝带发育高度较大;其他区域涌(突)水危险性相对较低。

3　首采工作面涌水量预测

依据矿区水文地质概念模型，运用Visual Modflow软件建立了矿区地下水系统的三维可视化模拟与预测模型，并采用44组抽水试验数据对模型进行了识别和验证，鉴于篇幅所限仅以XJ－1，XJ－6钻孔为例说明拟合效果(图5)。

运用矫正好的模型，预测天然状态下首采工作面的正常涌水量为621 m3/h，首采工作面涌水量较大，从矿井的排水能力和排水效益的角度考虑，对首采煤层顶板砂岩直接充水含水层进行了回采前预先疏放模拟，在此基础上，对首采工作面又进行了涌水量的2次动态预测，涌水量减小到220.4 m3/h。分析其原因主要在于第2次预测时含水层水位较初始水位已有大幅下降，且一井田含水层渗透系数整体较小，首采工作面以外的地下水需要较长时间才能对疏降区进行补给。

图5　XJ－1钻孔和XJ－6钻孔水位拟合曲线Fig.5　Water table fitting curves of borehole XJ－6 and borehole XJ－1

4　结　　论

(1)对于煤层直接顶板隔水层缺失或沉积较薄、且上覆充水含水层富水性较弱条件下的顶板水害评价预测，综合考虑了导水裂缝带对含水层扰动破坏的距离和含水层的富水性强度，实现了对特殊条件下煤层顶板含水层涌(突)水危险性的科学评价。

(2)在确定了富水性主控因素的基础上，依照合适的权重对各主控因素进行了叠加获得含水层富水性分区图，评价结果得到了实测单位涌水量的校正，该法可为水文地质资料较为缺乏地区的含水层富水性评价提供参考。

(3)对于含水层富水性较弱地区的矿井涌水量计算方法，提出在工作面底部设置DRN边界的方法实现了对预测精度要求较高的回采工作面涌水量动态预测，可克服用抽水井模拟矿井涌水量精度较低的不足。

(4)首采煤层顶板涌(突)水危险区是富水性相对较强和导水裂缝带扰动破坏含水层距离较大的区域，建议对含水层进行注浆加固并提前分阶段、多钻孔、长时间疏放水;二、四井田交界处及一井田南部较危险区，主要是富水性较强造成的，建议采取提前疏放水措施，三井田中北部较危险区主要是由导水裂缝带对含水层的破坏造成，建议对裂隙发育区进行注浆加固;对于过渡区、较安全区和相对安全区，发生涌(突)水的可能性较小但也应时刻关注回采工作面涌水量和含水层水位变化，发现异常及时上报，以便及时采取防治水措施，确保安全回采。

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中图分类号:TD745

文献标志码:A

文章编号:0253－9993(2016)06－1341－07

收稿日期:2015－08－18修回日期:2015－12－29责任编辑:韩晋平

基金项目:国家自然科学基金资助项目(41272276);教育部创新团队联合资助项目(IRT1085)

作者简介:武强(1959—)，男，内蒙古呼和浩特人，中国工程院院士。Tel:010－62314681，E－mail:wuq@cumtb．edu．cn

Further research on“three maps-two predictions”method for prediction on coal seam roof water bursting risk

WU Qiang1，2，XU Ke1，ZHANG Wei1
(1．College of Geoscience and Surveying Engineering，China University of Mining＆Technology(Beijing)，Beijing100083，China;2．The National Coal Mine Water Disaster Prevention and Control Engineering Technology Research Center，Beijing100083，China)

Abstract:In terms of the conditions of missed or thin coal seam direct roof impermeable layer and poor water yield capacity of roof aquifer，on the basis of“three maps-two predictions”method，the roof aquifer water bursting risk evaluation method is further investigated from two aspects，one is roof caving and fractured degree，the other is roof aquifer water yield capacity．The roof caving and fractured degree is represented by the height of water-conducting zone．While the aquifer water yield capacity evaluation method is largely promoted on the theoretical basis of water-richness index method．On the one hand，the geology and hydrogeology investigation information，such as permeability coefficient，sandstone thickness，flushing fluid consumption，core recovery percentage and the thickness ratio of friable rocks to plastic rocks are used and regarded as the main controlling factors of water yield capacity．On the other hand，the fewmeasured specific water yields are used to calibrate the evaluation result of the water-richness index method．The new method works out the problem of roof aquifer water yield capacity evaluation on the condition of low hydrogeology investigation．In addition，the mine inflow of the mining workface is estimated on natural and artificial interference conditions by the DRN boundary condition of the Visual Modflow software．Finally，the Taigemiao coal field is taken as an example to show the detail operation steps of roof aquifer water bursting risk evaluation and mine inflow prediction．

Key words:roof disaster;thin water-resisting layer;water-conducting zone;water yield capacity;DRN boundary condition