基于多变量的太灰含水层突水风险性分类判别研究

许海涛，冯吉成，尹尚先，刘本冲

(1.华北科技学院，北京 101601； 2.淮北矿业股份有限公司芦岭煤矿，安徽 淮北 234000)

我国北方主要产煤地华北型矿区，东起徐州、淄博、肥城、兖州，西至陕西渭北，北起辽宁南部，南至淮南、平顶山一带，几乎都受石炭二叠纪煤系底部的太原组灰岩(以下简称“太灰”)含水层及奥陶纪灰岩(以下简称“奥灰”)含水层影响[1]。太灰含水层为华北型煤田的下组煤开采直接充水含水层，在下组煤层开采时，顶底板太灰含水层突水事故时有发生[2-4]，底板太灰水害治理与研究是保障华北型煤田下组煤安全开采亟待解决的难题[5-6]。我国科研工作者针对底板突水机理开展了大量的研究工作，分别从构造诱发突水[7]、围岩变形破坏[8]和底板塑性破坏[9]等方面揭示底板突水机理，对矿井底板突水事故防治起到了指导作用。太灰含水层的隐患可通过疏水降压和注浆加固等方法进行治理[10-11]，清楚认识太灰含水层突水系数、富水性、补给条件、构造发育情况等地质特征，是决定其治理效果的关键。当太灰含水层与奥灰强含水层、地表水体或第四系松散含水体发生水力联系时，太灰含水层富水性便大大增强，直接疏水降压很难达到好的效果。同样，不能认清构造发育的复杂性和补给联系，也会影响注浆加固预期效果。因此，笔者对近年发生的太灰含水层突水事故进行统计分析，筛选影响太灰含水层突水致灾主要变量，对不同地质条件、不同变量影响的太灰含水层进行分类，并对其突水风险性进行判别，制订针对性的防治措施，以防止太灰含水层单一型突水，或与其他含水层联系的复合型突水事故的发生。

1 太灰含水层特点及突水案例分析

1.1 太灰含水层特点

从全国太灰含水层分布情况看[1]，主要表现为以下特点：

1)太灰含水层一般位于煤层的顶板或底板；

2)太灰含水层厚度与奥灰含水层对比，其厚度偏薄；

3)太灰含水层一般呈多层分布，由几层到十几层组成；

4)太灰含水层富水性变化较大，各个分层富水性可呈由弱到强变化，同一含水层不同位置可呈由弱到强变化。

1.2 近年太灰含水层突涌水事故统计分析

对近年太灰含水层突涌水事故进行了不完全统计，结果如表1所示[12-17]。

表1 近年太灰含水层突涌水事故案例统计

根据有关资料对矿井水文地质条件，突水事故经过、原因等方面的描述，主要从层位关系、突水系数、含水层富水性、突水水源、突水通道、突水位置等几个维度进行了统计，主要表现为以下特点：

1)突水事故多数为煤层底板突水，也有少数为煤层顶板突水，与太灰含水层与煤层层位关系有关，太灰含水层有可能赋存在开采煤层的顶板或底板。

2)突水矿井突水系数多数大于0.06 MPa/m，但也有部分矿井突水系数小于0.06 MPa/m，突水系数大于0.1 MPa/m的矿井通过治理也可以不发生突水，因此突水系数可以作为判断矿井突水风险的重要依据，但不能作为唯一依据。

3)从突水矿井含水层富水性看，多数达到中等富水性，或者有奥灰强含水层的补给，因此含水层富水性及补给条件是影响突水水量大小的关键因素之一。

4)从突水通道分析，多数突水事故突水通道为断层、隐伏陷落柱或褶曲破碎带，极少数出现钻孔诱发突水或完整底板突水，因此构造破碎带是突水的主要通道，也是底板突水防治的关键环节。

5)突水点位置分布在回采工作面、工作面巷道、掘进工作面等位置，采掘活动造成的围岩破坏和应力重新分布是突水事故发生的重要诱因。

2 突水风险性判别变量

2.1 突水系数

从目前的研究水平和开采实践来看，突水系数法仍是评价承压水上开采安全性最简单有效的方法。突水系数包含了底板隔水层承受的实际水头值和隔水层厚度两个重要变量，突水系数是作用于底板隔水层的水压与底板隔水层厚度之比值。底板受构造破坏的地段突水系数临界值为0.06 MPa/m，隔水层完整无断裂构造破坏的地段临界值为 0.1 MPa/m。突水系数可以作为太灰含水层突水风险判别的重要变量。

2.2 富水性

太灰含水层的富水性是其突水的物质基础，其富水程度决定了突水水量大小和持续时间。如果岩溶发育、富水性强，受其影响的采掘工作面突水频率及突水量均较大，反之则影响较小。根据《煤矿防治水细则》[18]，将含水层富水性分为4级：弱富水性、中等富水性、强富水性、极强富水性。该含水层富水性分类方法同样适用于太灰含水层，太灰含水层富水性强弱，是影响含水层突水水量大小的基础变量之一。

2.3 补给条件

太灰含水层在没有补给的条件下一般为静水储量，但是如果出露地表或直接被第四系覆盖，将接受降水、地表水或第四系松散含水体的动水补给。另外，奥灰含水层可能通过断裂裂隙、构造破碎带对太灰含水层越层补给。根据以往突水事故分析，太灰含水层是否有动水补给源，直接影响突水量的大小和持续时间，同时会影响防治水措施，因此含水层的补给条件是突水风险判别的基础变量之一。

2.4 断裂构造是否导通煤层与含水层

断裂构造尤其是断层、陷落柱等，是造成太灰含水层突水的主要原因之一，大多数突水事故都与断裂构造相关，从某种意义上也可称其为突水的控制因素。断裂构造对突水的影响主要考虑两个方面：一是断裂构造造成煤层与太灰含水层导通，导致太灰含水层突水；二是断裂构造造成太灰含水层与奥灰含水层导通，导致太灰含水层与奥灰含水层复合型突水。因此，断裂裂隙、断层及陷落柱是否导通煤层与含水层，可以被视为突水风险判别的控制变量。

2.5 煤层与太灰含水层层位关系

太灰含水层可能赋存在开采煤层的顶板或底板。顶板太灰含水层将会成为直接充含水层，随着煤层开采，含水层将直接与开采空间形成贯通，其富水性强弱，以及是否接受其他含水层的补给，对防治水措施的制订影响较大。对于赋存在煤层底板的太灰含水层，则可以通过突水系数法、是否存在断裂裂隙导通等因素进行其突水风险性评判，并制订针对性的防治技术方法。因此，太灰含水层与煤层的层位关系是影响突水风险评判及防治方法制订的一个影响变量。

3 突水风险性分类判别及防治方法

太灰含水层多变量突水风险分类判别如表2 所示。

表2 太灰含水层多变量突水风险分类判别

3.1 安全型

3.1.1 顶板安全型

1)风险性判别：太灰含水层位于煤层的顶板，煤层导水断裂带可以波及含水层，但是富水性弱，与其他含水层及地表水体无水力联系，对煤层采掘影响较小，属于顶板安全型，如图1所示。

图1 顶板安全型

2)防治方法：回采前进一步查明顶板太灰含水层富水性，确定富水性弱，并对顶板太灰水进行探放，确定疏干放净之后方可正常回采。

3.1.2 底板安全型

1)风险性判别：太灰含水层位于煤层的底板，并距离较远，突水系数小于0.06 MPa/m，且煤层底板完整无裂隙、构造发育，对煤层采掘影响较小，属于底板安全型，如图2所示。

图2 底板安全型

2)防治方法：可以正常回采。

3.2 顶板突水危险型

3.2.1 顶板突水危险型(无补给)

1)风险性判别：太灰含水层位于煤层的顶板，煤层导水断裂带可以波及含水层，富水性中等及以上，与其他含水层及地表水体无水力联系，采掘过程中具有顶板突水风险，属于顶板突水危险型(无补给),如图3所示。

图3 顶板突水危险型(无补给)

2)防治方法：构建矿井在线水文监测系统，设立防治水专业组织机构，并组建专业探放水队伍；提前勘探、查明富水区并进行安全评估；采前提前疏放、加强排水系统建设、分区隔离。

3.2.2 顶板突水危险型(有补给)

1)风险性判别：太灰含水层位于煤层的顶板，煤层导水断裂带可以波及含水层，富水性中等及以上，与第四系松散含水层或地表水体有水力联系，采掘过程中具有顶板突水风险，属于顶板突水危险型(有补给)，如图4所示。

图4 顶板突水危险型(有补给)

2)防治方法：构建矿井在线水文监测系统，设立防治水专业组织机构，并组建专业探放水队伍；提前勘探、查明富水区、查明补给通道并进行安全评估；采前提前疏放、帷幕截流、加强排水系统建设、分区隔离；如果第四系松散含水层或地表水体与季节相关，可以在枯水季进行治理和回采。

3.3 底板太灰突水危险型

3.3.1 底板太灰单一突水危险型(无补给)

1)风险性判别：太灰含水层位于煤层的底板，突水系数大于0.06 MPa/m，富水性中等及以上，与其他含水层及地表水体无水力联系，采掘过程中具有底板突水风险，属于底板突水危险型(无补给)，如图5 所示。

图5 底板太灰单一突水危险型(无补给)

2)防治方法[18]：构建矿井在线水文监测系统，设立防治水专业组织机构，并组建专业探放水队伍；提前勘探、查明富水区、查明构造发育情况并进行安全评估；可以采取疏水降压的方法，将突水系数降到0.06 MPa/m以下，并兼顾矿井排水、供水、环境保护“三位一体”的管理模式。

3.3.2 底板太灰单一突水危险型(有补给)

1)风险性判别：太灰含水层位于煤层的底板，突水系数大于0.06 MPa/m，富水性中等及以上，且与松散含水层或地表水体有水力联系，采掘过程中具有底板突水风险，属于底板突水危险型(有补给)，如图6所示。

图6 底板太灰单一突水危险型(有补给)

2)防治方法[18]：构建矿井在线水文监测系统，设立防治水专业组织机构，并组建专业探放水队伍；提前勘探、查明富水区、查明构造发育情况、查明补给通道并进行安全评估；如果补给通道清楚，可以采取帷幕截流、疏水降压开采的方法；如果补给充沛，不适宜采用帷幕截流、疏水降压开采的方法，可采用地面区域治理或注浆改造含水层等方法，并编制专项设计，煤矿总工程师审批。

3.4 底板太灰与奥灰含水层关联突水危险型

1)风险性判别：太灰含水层位于煤层的底板，突水系数大于0.06 MPa/m，富水性中等及以上，且因裂隙(非断层和陷落柱)发育与奥灰含水层有水力联系，采掘过程中具有发生底板太灰与奥灰含水层关联突水的风险，属于底板太灰与奥灰含水层关联突水危险型，如图7所示。

图7 底板太灰与奥灰关联突水危险型

2)防治方法[18]：构建矿井在线水文监测系统，设立防治水专业组织机构，并组建专业探放水队伍；提前勘探、查明富水区、查明构造发育情况并进行安全评估；采前注浆改造、底板注浆阻截奥灰与太灰的水力联系、加强排水系统建设、分区隔离；编制注浆加固或改造含水层设计和安全措施，并由煤矿总工程师组织注浆效果评价，采煤工作面突水系数不得大于0.1 MPa/m。

3.5 陷落柱或断层贯通突水危险型

1)风险性判别：一是断裂构造造成煤层与太灰含水层的导通，存在导致太灰含水层突水的较大风险；二是断裂构造造成太灰含水层与奥灰含水层的导通，存在导致太灰含水层与奥灰含水层复合型突水较大风险。该类型属于陷落柱或断层贯通突水危险型，如图8、图9所示。

图8 断层贯通突水危险型

图9 陷落柱贯通突水危险型

2)防治方法：对陷落柱及断层的特性及赋存条件进行分析，开展陷落柱及断层钻探、物探井上下综合探查工作，分析陷落柱、断层成因及导富水性，对陷落柱及断层突水风险性进行评价，合理留设保护煤柱、注浆封堵导水通道或采取安全技术措施直接推过。

4 结论

1)从不同维度对近年太灰含水层突涌水事故进行了不完全统计，并对突水事故特点进行了分析，确定突水系数、含水层富水性、补给条件、断裂构造是否导通煤层、层位关系为太灰含水层突水风险分类判别的主要变量。

2)根据确定的突水风险分类判别变量，将太灰含水层突水风险性划分为安全型(顶板型或底板型)、顶板突水危险型(有补给或无补给)、底板太灰单一突水危险型(有补给或无补给)、底板太灰与奥灰含水层关联突水危险型、陷落柱或断层贯通突水危险型等类型，并分别阐明了防治方法。