再論煤層頂板涌(突)水危險性預測評價的“三圖－雙預測法”

武　強，許　珂，張　維

(1．中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京　100083;2．國家煤礦水害防治工程技術研究中心，北京　100083)

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再論煤層頂板涌(突)水危險性預測評價的“三圖－雙預測法”

武強1，2，許珂1，張維1

(1．中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京100083;2．國家煤礦水害防治工程技術研究中心，北京100083)

摘要:針對煤層直接頂板隔水層缺失或沉積較薄、且上覆充水含水層富水性較弱條件下的頂板水害評價預測，在“三圖－雙預測法”理論與方法指導下，分別從頂板冒裂程度和含水層富水性強度2個方面入手再次討論了頂板含水層涌(突)水危險性評價方法。頂板冒裂程度以導水裂縫帶擾動破壞上覆含水層距離作為評價指標;含水層富水性評價方法則進一步提升，以富水性指數法為依托，一方面充分挖掘地質和水文地質勘查數據中與含水層富水性相關的信息，包括滲透系數、砂巖厚度、沖洗液消耗量、巖芯采取率和脆塑性巖厚度比等，并將其作為主控地質因素，另一方面將數量有限的單位涌水量作為含水層富水性的實測指標對富水性指數法的評價結果進行校正，解決了在水文地質勘查程度較低情況下含水層富水性合理準確評價與分區難題。在此基礎上運用Visual Modflow的DRN邊界子模塊對天然狀態下和采取防治水措施狀態下工作面的涌水量進行了動態預測。最后以臺格廟礦區為例，說明了特殊水文地質結構條件下煤層頂板涌(突)水危險性評價和涌水量預測方法的具體實施步驟。

關鍵詞:頂板水害;薄隔水層;導水裂隙帶;富水性;DRN邊界

武強，許珂，張維．再論煤層頂板涌(突)水危險性預測評價的“三圖－雙預測法”［J］．煤炭學報，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

華北型煤田西部和西北早中侏羅紀煤田煤層層數多，厚度大，資源十分豐富，是我國重要的戰略性煤炭工業基地［1－2］。隨著開采規模和開采強度不斷加大，煤礦頂板水害威脅日漸突出，嚴重影響了礦井正常生產，構成了嚴重的安全隱患［3］。因此，如何有效地評價煤層頂板水害危險性，如何符合實際地預測、圈定煤層頂板水害重點防控“靶區”或“疑區”，對礦井安全生產具有極其重要的理論指導意義和實用價值。

早在2000年，筆者在總結多年科學研究和大量工程實踐成果的基礎上，提出了解決煤層頂板涌(突)水危險性評價預測的“三圖－雙預測法”，從對煤層頂板涌(突)水危險區的定量圈定，到回采工作面工程涌(突)水量模擬預測，形成了一整套系統的研究思路和工作方法［4－8］，該方法在解決煤層頂板涌(突)水危險性評價預測難題方面，發揮了巨大作用，填補了我國頂板水害評價預測方法的空白。但是，自然界的地質和水文地質條件是千變萬化的，對于煤層直接頂板隔水層缺失或沉積較薄、且上覆充水含水層富水性較弱條件下的頂板水害評價預測，僅考慮煤層開采誘發的導水裂縫帶發育高度是否觸及到頂板充水含水層，顯然就不夠全面了，導水裂縫帶擾動破壞上覆充水含水層的距離、范圍成為非常關鍵的因素，冒裂到含水層高度愈高，擾動破壞范圍愈大，充水含水層相應部位富水性愈強，頂板涌(突水)危險性就愈大，反之亦然。另外，由于我國大部分煤礦區水文地質勘探程度較低，抽(放)水試驗數量有限，僅僅依靠抽(放)水試驗確定的單位涌水量來評價充水含水層富水性，數據信息不夠，難以準確評價含水層富水性的真實分布規律。根據上述分析，筆者再次討論了煤層頂板涌(突)水危險性評價預測的“三圖－雙預測法”。

1　評價方法原理

針對煤層直接頂板隔水層缺失或沉積較薄、且上覆充水含水層富水性較弱條件下的頂板涌(突)水危險性評價預測難題，在“三圖－雙預測”基本理論和方法指導下，結合大量工程實踐，綜合探究了特殊水文地質結構條件下煤層頂板涌(突)水危險性評價預測方法的基本原理和具體實施步驟。

1.1頂板冒裂程度評價與分區圖

在煤層直接頂板隔水層缺失或沉積較薄礦區，煤層開采誘發的導水裂縫帶必然會進入并擾動破壞上覆充水含水層。顯然，在其他條件相同的情況下，采厚和工作面斜長是控制其覆巖導水裂縫帶發育高度的主要因素，采厚主要影響頂板垮落空間、支撐穩定性，一般情況下采厚越大導水裂縫帶發育高度越大，頂板含水層受擾動破壞的距離就越大;導水裂縫帶發育高度隨工作面傾向斜長的增長而增加，但存在極限值，超過該值時，導水裂縫帶發育高度不再增加［9］。因此，用導水裂縫帶擾動破壞上覆充水含水層的距離作為評價頂板冒裂程度的定量指標，導水裂縫帶擾動破壞充水含水層的距離越大，頂板冒裂程度越高，反之則冒裂程度較低。

在充分收集研究區勘查資料基礎上，根據具體采厚，開采方法、工藝、覆巖巖性與結構和其力學參數等，選用規程規范或其他合理的導水裂縫帶發育高度計算公式，或選擇應力應變數值仿真模擬方法，根據井下現場導水裂縫帶實測數據的校正，確定導水裂縫帶發育高度。如果其發育高度大于上覆充水含水層厚度，則取充水含水層厚度作為導水裂縫帶擾動破壞含水層的最大距離。最后運用具有強大空間數據分析處理功能的GIS軟件生成頂板采動冒裂程度分區圖。

1.2頂板充水含水層富水性評價與分區圖

含水層富水性評價理論與方法還處于不斷發展與完善之中，從水文地質學基礎理論來講，含水層富水性強弱是由單位涌水量來決定的，單位涌水量是指抽(放)水井水位降深換算為1 m時的單井出水量，單位涌水量越大，含水層的富水性越強，反之則越弱，因此單位涌水量可直觀地反映含水層的富水性強弱;從工程實踐來看，我國大部分煤礦區水文地質勘探程度較低，抽(放)水試驗有限，所獲取的單位涌水量數量較少，控制范圍不夠，未能充分反映含水層富水性分布規律，無法實現含水層富水性的高精度、多級別評價與合理分區。

針對這個難題，筆者充分挖掘煤田地質勘查和水文地質勘探過程中所有與含水層富水性有關的鉆孔多源信息，實現了對含水層富水性多角度、全方位的評價。在獲得諸如含水層(組)厚度、沖洗液消耗量、巖芯采取率、滲透系數和脆塑性巖厚度比等含水層富水性的主控因素后，運用諸如層次分析法(AHP)等信息融合方法計算出能夠反映各主控因素對含水層富水性貢獻的權重值，利用GIS的強大空間信息分析處理功能，按權重對所有主控因素進行信息疊加，得到綜合反映含水層富水性相對強弱的指標——富水性指數，并依據富水性指數評價充水含水層富水性規律，建立富水性分區圖，最后利用有限的抽(放)水試驗所確定的單位涌水量數據對富水性指數法的評價結果進行校正。該評價方法既符合水文地質學基礎理論，同時又最大程度的利用了礦井已有的各類勘查資料，解決了在水文地質勘探程度較低礦區的充水含水層富水性合理準確地評價與分區難題。

1.3頂板涌(突)水危險性綜合評價與分區圖

頂板水害的發生取決于導水裂縫帶發育范圍內含水層的富水性強度，導水裂縫帶擾動破壞含水層距離較大同時富水性相對較強的區域，其涌(突)水危險性則相對較高，反之亦然。因此，頂板涌(突)水危險性由頂板冒裂擾動程度和充水含水層富水性共同決定，復合疊加這2個分區圖的地學信息可實現頂板涌(突)水危險性的評價與分區，值得一提的是在復合疊加之前，應結合研究區的具體情況制定頂板涌(突)水危險性劃分標準，不同條件劃分標準可能不同，然后依據劃分標準對頂板冒裂程度分區圖和充水含水層富水性分區圖進行疊加，建立頂板涌(突)水危險性評價和分區圖。

1.4涌水量動態預測

針對頂板充水含水層富水性較弱的特點，選用Visual Modflow中的DRN邊界子模塊來預測工作面涌水量［10－12］。DRN邊界可以解決眾多礦井涌水量預測的實際問題［13］，尤其在高精度模擬巷道掘進或工作面回采過程中的疏排水量更為合適，克服了在富水性較弱地區用抽水井模擬礦井涌水量不準確的缺點。運用DRN邊界子模塊結合Zone Budget功能分別對天然狀態下和采取防治水措施情況下的工作面涌水量進行了預測。

2　實例分析

2.1研究區概況

研究區位于鄂爾多斯市東勝區，呈不規則長方形，面積約737.76 km2。區內未發現較大斷層、褶皺及巖漿巖侵入體，地質構造較簡單。地層近水平狀，主要為全新統風積沙覆蓋，侏羅系安定組、延安組隱伏于第4系、新近系與白堊系之下。含煤地層為侏羅系中下統延安組，賦存大部可采煤層7層，分別為2－2上，2－2，3－1，5－1，6－1，6－2和6－3煤層，首采2煤組和3煤組。

通過對礦區地質條件、水文地質條件和煤層開采條件的分析，確定了侏羅系直羅組碎屑巖類孔隙－裂隙承壓含水層是首采煤層的直接充水含水層;白堊系伊金霍洛組碎屑巖類孔隙－裂隙承壓含水層是首采煤層的間接充水含水層;直羅組與伊金霍洛組之間為安定組，巖性組合為絳紫色或棕紅色細－粗粒砂巖夾薄層紫紅色、灰綠色泥巖、砂質泥巖。砂巖中含大量青灰色泥質包裹體，阻水效果好，是阻斷上下含水層水力聯系的重要隔水層。直羅組含水層在全礦區分布，連續性較好，厚度大，富水性弱～中等。巖性以中粗砂巖為主，局部為粗粒砂巖、粉砂巖及砂質泥巖。在地表出露較少，主要接受側向徑流補給，并以側向徑流排泄為主。

2.2首采煤層頂板冒裂程度評價與分區

臺格廟礦區煤層厚度介于0.71～7.77 m，依據建井設計采用綜放開采方法。根據800多個鉆孔巖芯資料，煤層頂板巖性以砂巖和砂質泥巖為主，抗壓強度多在20～40 MPa。因此，煤層頂板砂巖為中硬巖石，導水裂縫帶發育高度應選用《煤礦防治水手冊》中的綜放開采條件下、中硬巖導水裂隙帶發育高度計算公式［14］(式(1))。

式中，M為采厚，m。

礦區導水裂縫帶發育高度均未超過含水層厚度，因此用導水裂縫帶高度來表征導水裂縫帶對含水層的擾動破壞，由圖1可以看出導水裂縫帶發育較高的地方主要位于礦區東北部和中南部，導水裂縫帶發育高度較低的區域呈帶狀分布于礦區西北、中部和東南部，其他區域導水裂縫帶發育高度介于前兩者之間。

2.3首采煤層頂板充水含水層富水性評價與分區

單位涌水量的大小直接反映含水層富水性的強弱，是檢驗含水層富水性強度的最終指標。礦區面積737.76 km2，僅44組首采煤層頂板含水層的抽水試驗，控制程度較低，單位涌水量數據較少，因此本次評價未將單位涌水量作為含水層的主控因素，而是作為富水性的實測指標對富水性指數法的評價結果進行校正。

圖1　頂板冒裂程度分區Fig.1　Zoning map of caving and fractured degree

充分挖掘礦區勘查資料，確定采用滲透系數、砂巖厚度、沖洗液消耗量、巖芯采取率和脆塑性巖厚度比作為含水層的富水性的主控因素，其中滲透系數數據采用水文地質勘查時期的44組抽水試驗資料獲得;脆塑性巖依據測井反映的砂泥比劃分，砂泥比大于30%為脆性巖，小于5%為塑性巖，計算范圍為導水裂縫帶發育高度內的巖層;其余各地質因素數據采用水文地質勘查和地質詳查期間的800多個鉆孔數據獲得，各主控地質因素專題圖如圖2所示。

圖2　含水層富水性各主控因素專題圖Fig.2　Thematic map of each main controlling factor of aquifer water yield capacity

對礦區的地質、水文地質條件有了較為深刻的認識后，充分征求專家意見，運用層次分析法計算各主控因素的權重見表1，對各主控因素數據進行歸一化處理，利用GIS的空間信息疊加功能將各主控因素按其權重綜合成一個富水性量化指標，即富水性指數，并據此進行含水層富水性分區(圖3)。

表1　含水層富水性各主控因素權重Table 1　Weight of each main controlling factor of aquifer water yield capacity

由圖3可以看出，富水性相對較強的區域呈條帶狀分布于位區中部偏西，東南角也有小范圍分布;富水性相對較弱區主要位于礦區中北部和西南部，其余地區為過渡區。實測單位涌水量大于0.06 L/(m· s)的鉆孔大部分位于紅色區域(相對較強富水區)，單位涌水量小于0.45 L/(m·s)的鉆孔大部分位于綠色區域(相對較弱富水區)，其余鉆孔多位于黃色區域(過渡區)，說明用以上5個主控地質因素按適合該礦區條件的權重進行疊加所得富水性分區符合礦區含水層的富水性實際情況，評價結果準確性較高。

圖3　首采煤層頂板含水層富水性分區Fig.3　Zoning map of aquifer water yield capacity of first mined coal seam

如果含水層富水性評價結果與實測單位涌水量的擬合度較低，一方面應對各主控因素數據進行檢查，排除干擾數據，另一方面要充分結合評價區的地質及水文地質條件不斷調整各主控因素的權重，直至富水性分區圖與實測單位涌水量數據相符合。

2.4首采煤層頂板涌(突)水危險性評價與分區

首先，在充分征求專家意見并結合臺格廟礦區地質特點的基礎上提出了頂板涌(突)水危險性劃分標準表(表2)，不同評價區劃分標準也不盡相同;其次，對含水層富水性分區圖和首采煤層頂板冒裂程度分區圖的各個等級賦標示值，等級較低的區域賦較小的值，等級較高的區域賦較大的值，然后利用GIS中的union工具將賦值后的兩個專題圖進行疊加同時對標示值求和，得到疊加后各等級的標示值;最后，依據表2按照求和后的標示值再次分區并將標示值相同的區域合并為一個區，最終得到首采煤層頂板涌(突)水危險性分區圖(圖4)。

表2　頂板涌(突)水危險性劃分標準Table 2　Roof water bursting risk evaluation standard

圖4　首采煤層頂板涌(突)水危險性分區Fig.4　Zoning map of roof water bursting risk of first mined coal seam

由圖4可以看出首采煤層頂板涌(突)水危險區位于二井田的中北部、四井田也有小范圍分布，該區含水層富水性相對較強、導水裂縫帶發育高度較高;位于二井田和四井田的交界處、一井田南部的較危險區含水層富水性較強，但導水裂縫帶發育高度中等，位于三井田中部的較危險區含水層富水性中等但導水裂縫帶發育高度較大;其他區域涌(突)水危險性相對較低。

3　首采工作面涌水量預測

依據礦區水文地質概念模型，運用Visual Modflow軟件建立了礦區地下水系統的三維可視化模擬與預測模型，并采用44組抽水試驗數據對模型進行了識別和驗證，鑒于篇幅所限僅以XJ－1，XJ－6鉆孔為例說明擬合效果(圖5)。

運用矯正好的模型，預測天然狀態下首采工作面的正常涌水量為621 m3/h，首采工作面涌水量較大，從礦井的排水能力和排水效益的角度考慮，對首采煤層頂板砂巖直接充水含水層進行了回采前預先疏放模擬，在此基礎上，對首采工作面又進行了涌水量的2次動態預測，涌水量減小到220.4 m3/h。分析其原因主要在于第2次預測時含水層水位較初始水位已有大幅下降，且一井田含水層滲透系數整體較小，首采工作面以外的地下水需要較長時間才能對疏降區進行補給。

圖5　XJ－1鉆孔和XJ－6鉆孔水位擬合曲線Fig.5　Water table fitting curves of borehole XJ－6 and borehole XJ－1

4　結　　論

(1)對于煤層直接頂板隔水層缺失或沉積較薄、且上覆充水含水層富水性較弱條件下的頂板水害評價預測，綜合考慮了導水裂縫帶對含水層擾動破壞的距離和含水層的富水性強度，實現了對特殊條件下煤層頂板含水層涌(突)水危險性的科學評價。

(2)在確定了富水性主控因素的基礎上，依照合適的權重對各主控因素進行了疊加獲得含水層富水性分區圖，評價結果得到了實測單位涌水量的校正，該法可為水文地質資料較為缺乏地區的含水層富水性評價提供參考。

(3)對于含水層富水性較弱地區的礦井涌水量計算方法，提出在工作面底部設置DRN邊界的方法實現了對預測精度要求較高的回采工作面涌水量動態預測，可克服用抽水井模擬礦井涌水量精度較低的不足。

(4)首采煤層頂板涌(突)水危險區是富水性相對較強和導水裂縫帶擾動破壞含水層距離較大的區域，建議對含水層進行注漿加固并提前分階段、多鉆孔、長時間疏放水;二、四井田交界處及一井田南部較危險區，主要是富水性較強造成的，建議采取提前疏放水措施，三井田中北部較危險區主要是由導水裂縫帶對含水層的破壞造成，建議對裂隙發育區進行注漿加固;對于過渡區、較安全區和相對安全區，發生涌(突)水的可能性較小但也應時刻關注回采工作面涌水量和含水層水位變化，發現異常及時上報，以便及時采取防治水措施，確保安全回采。

參考文獻:

［1］陳守建，王永，伍躍中，等．西北地區煤炭資源及開發潛力［J］．西北地質，2006，39(4):40－56．Chen Shoujian，Wang Yong，Wu Yuezhong，et al．Coal resources and development potential in Northwest China［J］．Northwestern Geology，2006，39(4):40－56．

［2］李恒堂，田希群．西北地區煤炭資源綜合評價及開發潛力分析［J］．煤田地質與勘探，1998，26(S1):1－4．Li Hengtang，Tian Xiqun．Comprehensive evaluation and analysis of exploitation potential of coal resource in northwest of China［J］．Coal Geology＆Exploration，1998，26(S1):1－4．

［3］曹主軍．隨鉆測量定向鉆進技術在礦井頂板水患治理中的應用研究［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2015，42(2):23－27．Cao Zhujun．Application research on directional drilling with MWD in roof water control［J］．Exploration Engineering(Rock＆Soil Drilling and Tunneling)，2015，42(2):23－27．

［4］武強．我國礦井水防控與資源化利用的研究進展、問題和展望［J］．煤炭學報，2014，39(5):795－805．Wu Qiang．Progress，problems and prospects of prevention and control technology of mine water and reutilization in China［J］．Journal of China Coal Society，2014，39(5):795－805．

［5］武強，趙蘇啟，孫文潔，等．中國煤礦水文地質類型劃分與特征分析［J］．煤炭學報，2013，38(6):901－905．Wu Qiang，Zhao Suqi，Sun Wenjie，et al．Classification of the hydrogeological type of coal mine and analysis of its characteristics in China［J］．Journal of China Coal Society，2013，38(6):901－905．

［6］武強，崔芳鵬，趙蘇啟，等．礦井水害類型劃分及主要特征分析［J］．煤炭學報，2013，38(4):561－565．Wu Qiang，Cui Fangpeng，Zhao Suqi，et al．Type classification and main characteristics of mine water disasters［J］．Journal of China Coal Society，2013，38(4):561－565．

［7］武強，樊振麗，劉守強，等．基于GIS的信息融合型含水層富水性評價方法——富水性指數法［J］．煤炭學報，2011，36(7):1124－1128．Wu Qiang，Fan Zhenli，Liu Shouqiang，et al．Water-richness evaluation method of water-filled aquifer based on the principle of information fusion with GIS:Water-richness index method［J］．Journal of China Coal Society，2011，36(7):1124－1128．

［8］武強，黃曉玲，董東林，等．評價煤層頂板涌(突)水條件的“三圖－雙預測法”［J］．煤炭學報，2000，25(1):62－67．Wu Qiang，Huang Xiaoling，Dong Donglin，et al．“Three maps-two predictions”method to evaluate water bursting coditions on roof coal ［J］．Journal of China Coal Society，2000，25(1):62－67．

［9］尹尚先，徐斌，徐慧，等．綜采條件下煤層頂板導水裂縫帶高度計算研究［J］．煤炭科學技術，2013，41(9):138－142．Yin Shangxian，Xu Bin，Xu Hui，et al．Study on height calculation of water conducted fractured zone caused by fully mechanized mining ［J］．Coal Science and Technology，2013，41(9):138－142．

［10］孫晨，束龍倉，魯程鵬，等．裂隙－管道介質泉流量衰減過程試驗研究及數值模擬［J］．水利學報，2014，45(1):50－57，64．Sun Chen，Su Longcang，Lu Chengpeng，et al．Physical experiment and numerical simulation of spring flow attenuation process in fissure-conduit media［J］．Journal of Hydraulic Engineering，2014，45(1):50－57，64．

［11］Wan Mohd Zamri W Ismail，Ismail Yusoff，Bahaa-eldin E A Rahim．Simulation of horizontal well performance using Visual Modflow［J］．Environ．Eart．Sci．，2013，68:1119－1126．

［12］Zou Y P，Li L．Application of numerical simulation in the analysis of water supply stability of power plant［J］．Advanced Materials Research，2014，955－959:3442－3447．

［13］郭小銘，李博，殷文淵，等．Visual Modflow預測礦井涌水量過程中邊界條件問題探討［J］．礦業安全與環保，2013，40(6):104－107．Guo Xiaoming，Li Bo，Yin Wenyuan，et al．Discussion on boundary conditions in mine inflow prediction with Visual Modflow ［J］．Mining Safety＆Environmental Protection，2013，40(6): 104－107．

［14］武強，趙蘇啟，董書寧，等．煤礦防治水手冊［M］．北京:煤炭工業出版社，2013:679．

中圖分類號:TD745

文獻標志碼:A

文章編號:0253－9993(2016)06－1341－07

收稿日期:2015－08－18修回日期:2015－12－29責任編輯:韓晉平

基金項目:國家自然科學基金資助項目(41272276);教育部創新團隊聯合資助項目(IRT1085)

作者簡介:武強(1959—)，男，內蒙古呼和浩特人，中國工程院院士。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