基于雙指標的底板突水危險性評價方法

朱開鵬

（1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安710054；2.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安710077）

隨著我國東部傳統產煤區資源日益枯竭、開采深度日趨增大，全國煤炭產能逐漸向西部轉移，蒙晉陜成為我國主要的產煤區，年產量約占全國煤炭總產量的70%，而處于3 個省交界的準格爾礦區屬于全國14 大煤炭基地之首神東煤炭基地重要組成部分，為億噸級煤炭生產區，現階段受底板奧陶紀、寒武紀碳酸鹽巖類巖溶裂隙承壓含水層水威脅的生產礦井有9 對，均為現代化大型、特大型礦井，年度總產量約8 000 萬t/a。科學合理地進行底板突水危險性評價和分區，制定有針對性的防治水技術措施，是解除底板承壓水突水威脅、保障礦井防治水安全的關鍵。我國學者對底板突水機理及突水危險性評價問題進行了大量的研究，提出了突水系數[1-2]、下三帶理論[3]、“原位張裂-零位破壞”[4]、關鍵層理論[5]、脆弱性指數法[6-8]等理論和方法。其中應用最為廣泛的是突水系數法，其應用以及改進一直是研究的熱點[9-15]，而突水系數臨界值從根本上屬于統計分析結果，表征的是突水發生的概率，所以針對突水系數本身的研究和改進始終只是在一定程度上提高了其預測的精度，但不能回答突水威脅程度這一問題。故單純依靠突水系數指標無法進行全面的底板突水危險性評價，還需引入可表征充水強度的富水性指標進行綜合評價。為此，以準格爾礦區6 煤帶壓開采為例，嘗試在突水系數評價基礎上，耦合富水性評價指標，綜合評價底板承壓含水層突水危險性。

1 研究區概況

廣義的準格爾礦區位于黃河以西、煤層沉積邊界以南、烏蘭格爾礦區以東、蒙陜邊界以北，包括薛家灣鎮、大路鎮、龍口鎮、沙圪堵鎮、布爾陶亥蘇木鎮等，面積約2 876 km2。狹義的準格爾礦區指奧陶系地層頂界面埋深約800 m 以東部分，主要位于薛家灣鎮、龍口鎮和大路鎮的一部分，南北長約65 km、東西寬約21 km、面積1 365 km2，生產礦井均分布于這一區域。目前區域奧灰水位標高為+870 m 水平，有9 對生產礦井全部或局部面臨底板承壓水帶壓開采問題，處于帶壓分界線以西的塊段屬于本次底板突水危險性評價研究區，面積約350 km2，研究區位置示意圖如圖1。

研究區總體呈東部隆起、西部凹陷、走向近南北、向西傾斜的單斜構造，地層產狀整體平緩，傾角一般小于10°，屬華北型石炭二疊系煤田，主采煤層為太原組6 煤，其在研究區南部分叉為6 上、6 煤，統一以6 煤底板標高進行底板突水危險性評價。6 煤底板互層發育有以細砂巖、粗砂巖為主的薄層砂巖裂隙含水層，及以鐵質泥巖、鋁土質泥巖、黏土巖、9號煤層等為主的較為穩定的隔水層，煤系基底為寒武-奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層。

研究區所在的準格爾礦區位于天橋泉域西北端，為整體傾向西的單斜構造，接受來自黃河及黃河東岸廣袤的碳酸鹽巖巖層裸露區的側向補給，巖溶地下水在礦區北部自北東向南西徑流，遇到西部滯流區邊緣相對隔水邊界受阻，在北高南低水力梯度作用下經礦區中部自北向南沿窯溝→龍王溝→黑岱溝→龍口方向徑流，由位于礦區最南端的榆樹灣泉排泄入黃河，水力坡度0.04‰～10‰左右，鉆孔單位涌水量0.001～153.65 L/（s·m），富水性弱～極強。從補給區向排泄區，K+、Na+、Mg2+、Ca2+、SO42-、C1-離子含量明顯增加，水化學類型呈現出HCO3-、HCO3--SO42-或HCO3--C1-的演化規律。研究區北部的不連溝礦位于補給區、唐家會礦位于滯流區，其他7 對礦井處于徑流和滯留交界區，地下水動力作用強烈、滲透性好。

圖1 研究區位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of study area location

2 雙指標評價法

2.1 突水系數指標

突水系數法是進行煤層底板突水危險性評價的主要方法，20 世紀60 年代，在焦作水文地質大會戰基礎上，并綜合分析峰峰、淄博和井陘等大水礦區底板突水經驗，將底板隔水層厚度上承受的靜水壓力定義為突水系數，提出了相應的計算公式：

式中：Ts為突水系數，MPa/m；p 為煤層底板隔水層承受的水壓力，MPa；M 為煤層底板隔水層的厚度，m。

眾多專家學者對突水系數進行持續研究，提出了眾多改進公式，其中主要的修訂公式有：

式中：Cp為采礦對底板擾動的破壞深度，m；i 為各分層編號；n 為分層數；Mi為各分層厚度，m；di為各分層的強度比系數；h1為導升發育高度，m。

修訂公式雖然考慮了礦壓作用、開采方式、原始導升等因素，更全面地刻畫了底板突水的物理概念模型，特別是式（2）曾經入選《煤礦防治水工作條例》推薦計算公式。但是這些修訂的公式所依據的臨界突水系數值均采用的是式（1）所確定的臨界值，顯然是不合適的。所以在2009 年編制《煤礦防治水規定》及2018 年正式實施的《煤礦防治水細則》仍規定采用式（1）計算突水系數，底板受構造破壞的地段突水系數一般不得大于0.06 MPa/m，隔水層完整無斷裂構造破壞的地段不得大于0.1 MPa/m[16]。所以，依據突水系數指標的物理含義，制定下列判別標準，將帶壓開采區劃分為突水小概率區、過渡區、突水大概率區。

2.2 富水性指標

在礦井水害防治領域，充水強度對應的指標是礦井涌水量，其最主要的預測方法是解析法和數值法，其核心參數為滲透系數，是描述介質滲透能力的重要參數。滲透系數與含水層厚度相乘即得到含水層的導水系數，其表示含水層導水能力大小。滲透系數與導水系數均無統一的分級標準，無法直接作為評價指標。而表征含水層出水能力大小即富水性的參數為單位涌水量，具有統一的分級標準。以有限含水層穩定流抽水試驗模型為例，側向徑流平面邊界示意圖如圖2。

單位涌水量與導水系數呈正相關關系[17-18]：

圖2 側向徑流平面邊界示意圖Fig.2 Schematic diagram of boundary conditions in the plan view for horizontal flow in a confined aquifer

式中：q 為單位涌水量，L/(s·m)；T 為導水系數，m2/d；W1為井函數；d 為定水頭邊界間距離，m；D 為隔水邊界間距離，m，rw為井半徑，m；i 為疊加的虛井序號；h 為水位標高，m。

研究區水文孔單井穩定流抽水試驗所計算的單位涌水量及導水系數也顯示兩者呈正相關關系，單井穩定流抽水試驗q、T 統計表見表1，研究區q-T散點圖如圖3。

富水性指標可代替滲透系數和導水系數間接表征礦井涌水量大小，從而作為評價底板突水強度的指標，在華北型石炭二疊系煤田得到應用，主要用于解放受底板高承壓水威脅的煤炭資源[19-21]，可按如下單位涌水量q 分級標準將底板充水含水層劃分為弱富水區、中等富水區、強富水區、極強富水區：

2.3 雙指標評價標準及流程

2.3.1 評價標準

雙指標評價即從表征底板突水概率的突水系數指標與表征突水強度的富水性指標2 個維度進行底板突水危險性綜合評價，將評價區劃分為相對安全區、過渡區、危險區，雙指標評價分區圖如圖4。

表1 單井穩定流抽水試驗q、T 統計表Table 1 Statistical table of q，T insingle wellsteady flow pumping test

圖3 研究區q-T 散點圖Fig.3 Scatter diagram of q-T in study area

圖4 雙指標評價分區圖Fig.4 Partition diagram for double indexes evaluation

1） 相對安全區。Ts≤0.06 MPa/m、q≤1 L/（s·m），發生底板突水概率小、含水層富水性弱～中等，做好超前探、地下水動態監測等常規防治水工作即可實現防治水安全。對應于圖4 中①區。

2）過渡區。防治水措施得當、效果良好，可消除底板水害威脅，避免突水事故發生；未采取防治水措施，或防治水措施針對性不強、效果不佳，則可能發生底板突水；屬于介于安全與危險之間的狀態，故稱為過渡區。是開展水害防治工作的重點關注區域，可細分為3 種類型5 個亞區：①Ts≤0.06 MPa/m、1.0 L/（s·m）＜q≤5.0 L/（s·m）及q＞5.0 L/（s·m），發生底板突水概率小，但含水層富水性強～極強，一旦發生突水則突水量相對較大，即突水嚴重程度相對較高，對應圖4 中②③區，與突水系數法單指標分析結果相比，其主要變化在于提高了預防等級和重視程度，降低了主觀上的麻痹大意，增加了底板水害防治的安全性；②0.06 MPa/m＜Ts≤0.1 MPa/m、q≤1.0 L/（s·m）及1.0 L/（s·m）＜q≤5.0 L/（s·m），發生底板突水概率相對較大，但含水層富水性弱～強，充水強度在可控范圍內，配備具備防災能力的防排水系統、規范開展超前探工作、配合注漿封堵及局部注漿加固等防治水措施，可實現底板水害的有效防治，避免底板水害事故。對應圖4 中④⑤區；③Ts＞0.1 MPa/m、q≤1 L/（s·m），發生底板突水概率大，但含水層富水性弱～中等，即使發生突水，充水強度相對較小，不足以造成淹面、淹井等突水事故，對應圖4 中⑥區，與突水系數法單指標評價結果相比，降低了評價等級，由危險區降至過渡區，避免了針對底板水害的“防衛過當”及“過度治療”，在保障防治水安全的基礎上解放了受底板承壓水壓覆煤炭資源。

3）危險區。Ts＞0.1 MPa/m、1.0 L/（s·m）＜q≤5.0 L/（s·m）及q＞5.0 L/（s·m），發生底板突水概率大、含水層富水性強～極強，極易發生淹面、淹井等突水事故，須采取區域超前治理、底板隔水層全面加固或含水層全面改造等措施，將突水系數和富水性均降至安全范圍內方能進行回采，對應圖4 中⑦、⑧、⑨區。

2.3.2 評價流程

雙指標評價可劃分為5 個步驟，即基礎資料整理分析、突水系數法適用性判別、突水系數指標評價、富水性指標評價、雙指標耦合評價，雙指標評價流程圖如圖5。

3 底板突水危險性評價

3.1 突水系數指標評價

圖5 雙指標評價流程圖Fig.5 Flow diagram for double indexes evaluation

研究區主采煤層為6 煤，在南部存在分叉現象，部分礦井同時發育有6 上煤和6 煤，統一按照6 煤進行評價。研究區底板采動破壞帶實測值為19.5～34.9 m，測試工作面斜長244.5～250 m。而位于研究區南部的長灘礦工作面斜長僅有180 m，明顯小于測試工作面斜長，所以實測資料不適用于長灘礦，需采用經驗公式法計算底板帶動破壞帶h2：

式中：h2為底板采動破壞帶高度，m；L 為工作面斜長，取180 m。

計算得長灘礦底板采動破壞帶高度為20.12 m。

根據鉆孔資料可知研究區底板隔水層厚度31.04～89.65 m，平均50.91 m，6 煤突水系數計算參數見表2。均未發現存在原始導升現象，即h1均為0。最小值位于研究區最南部長灘礦SK5-2 孔，亦大于該礦底板采動破壞帶計算值，其他鉆孔揭露的底板隔水層厚度大于35 m，均大于所在礦井底板采動破壞帶實測值。所以各礦井均符合采用突水系數指標進行底板突水危險性評價的條件。

采用式（1）計算研究區6 煤突水系數，依據突水系數指標的判別標準，進行單指標底板突水危險性評價，底板突水概率分區圖如圖6。

基于突水系數單指標評價，研究區西南部個別塊段突水系數大于0.1 MPa/m，處于底板突水大概率區，需通過疏水降壓、底板改造等措施將突水系數降至安全范圍內方能進行開采；研究區大部分區域突水系數小于0.06 MPa/m 的臨界值，屬于底板突水小概率區。但是通過國內眾多礦井帶壓開采實踐及突水案例可知，突水概率與是否發生突水事故無正相關性，不能因為處于突水小概率區就對底板水害防治的警惕性有所松懈，還應結合所在區域底板充水含水層的富水性指標，從危險程度的維度對底板突水危險性進行綜合評價。

表2 6 煤突水系數計算參數Table 2 Calculation parameters of water inrush coefficient for coal No.6

圖6 底板突水概率分區圖Fig.6 Partition diagram for probability of floor water inrush

3.2 富水性指標評價

根據勘探資料，準格爾礦區奧陶紀-寒武紀碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層鉆孔單位涌水量0.001～153.65 L/（s·m），富水性弱～極強。研究區內鉆孔單位涌水量0.007～7.599 L/（s·m），表明部分塊段補給充分、富水性極強，具備造成突水事故的物質條件。利用研究區鉆孔數據，繪制底板灰巖含水層單位涌水量等值線圖，按照富水性分區標準劃分為弱富水區、中等富水區、強富水區、極強富水區，并繪制富水性分區圖，研究區富水性分區圖如圖7。

圖7 研究區富水性分區圖Fig.7 Partition diagram for water abundance in study area

整體來講，研究區北部及東南部富水性強～極強，一旦發生突水事故，災害水量有可能超過礦井排水能力從而造成淹面甚至淹井事故，所以突水的危險程度較高。研究區東南部的富水性強～極強區域建設有巖溶含水層水源地，且井下鉆孔超前探過程中涌水量可達到220 m3/h，穩定無衰減趨勢。在這些塊段一旦遇到底板隔水層薄弱區、斷裂帶發育區或垂向導水構造，必然增加礦井充水強度，甚至造成突水事故，屬于突水危險性較大區域。

3.3 雙指標評價

基于突水系數和富水性雙指標對研究區6 煤底板突水危險性進行分區，底板突水危險性分區圖如圖8。

圖8 底板突水危險性分區圖Fig.8 Partition diagram for floor water inrush risk in study area

將圖6～圖8 對比分析，與傳統的突水系數法單指標評價結果相比，主要有2 方面變化：

1）研究區北部由傳統的相對安全區升級為過渡區，屬過渡區的②、③亞區，該區唐家會礦、不連溝礦針對底板水害防治等級均需提高，分別采取了有針對性的防治水措施，如唐家會礦開展了針對斷層帶及煤層底板薄弱帶的超前區域治理，不連溝礦開展了工作面回采前綜合勘探及注漿治理，均取得了良好的效果，降低了底板水害隱患，避免了底板水害事故。

2）研究區西南部由傳統的危險區降低為過渡區，屬于過渡區的⑥亞區，將酸刺溝礦、黃玉川礦西部受底板承壓水威脅的煤炭資源解放出來，在保障防治水安全基礎上增加了經濟效益，這2 對礦井不必因底板水害威脅而“故步自封”，其井巷系統可在做好相應防治水措施基礎上向西部和深部延伸，以便超前合理規劃采掘布局，科學組織礦井生產。

4 結果分析

1）在突水系數指標評價結果基礎上耦合富水性指標評價結果，形成底板突水危險性綜合評價結果，更符合研究區各礦井帶壓開采實際情況。例如，位于研究區北部富水性強區域的唐家會煤礦曾于2014 年5 月28 日井筒掘進過程中發生奧灰水突水淹井事故，延緩了礦井基建速度，造成了較大的經濟損失，將其劃分為相對安全區顯然是不符合實際的，而雙指標評價結果更符合其實際情況。總之，雙指標評價法既提高了底板水害防治安全系數，又解放了受底板承壓水威脅煤炭資源。

2）研究區主采煤層底板含水層以巖溶裂隙水為主，其不均一性和各向異性較強，所以富水性分區某種程度上由勘探程度決定，隨著勘探程度的進一步提高，富水性分區也會相應變化，基于雙指標的底板突水威脅性評價結果及相應的防治水措施也需做相應的動態調整。例如，龍王溝礦井田東部建有陳家溝門、唐公塔、蘇計溝、永興店等4 個水源地，說明該塊段巖溶水富水性強、徑流條件好，但水源地所在塊段處于非帶壓開采區，所以對礦井生產無威脅；而位于井田西部的帶壓開采區已取得的勘探資料顯示巖溶水富水性弱～中等，那么隨著勘探程度的加深，如果發現帶壓開采區也發育有富水性極強的區域，則評價結果需做相應的調整，由過渡區升級為危險區。

3）本次劃分僅利用具有代表性的鉆孔資料作評價示范，屬于大尺度的宏觀性評價；各礦井在利用雙指標法時，還需充分利用已有資料并輔以必要的勘探工作，進行更為精細的底板突水危險性評價，以確保評價結果的準確性、客觀性。

4）根據研究區各礦井實際揭露情況，斷層、陷落柱等垂向導水構造較為發育，構造控水規律較為明顯，原則上所有發育垂向導水構造的塊段均應劃分為底板突水危險區。

5 結 論

1）基于突水系數統計學意義，將Ts≤0.06 MPa/m區域劃分為突水小概率區、0.06 MPa/m＜Ts≤0.10 MPa/m 區域劃分為過渡區、Ts＞0.10 MPa/m 區域劃分為突水大概率區。

2）提出基于富水性及突水系數雙指標進行底板突水危險性評價的判別標準，劃分為相對安全區、過渡區、危險區，分別對應1 個、5 個、3 個亞區，并制定雙指標評價流程，能夠更科學精確地指導評價工作。

3）利用雙指標法對準格爾礦區6 煤底板突水危險性進行評價，在研究區北部強～極強富水性區域提高了底板水害防治等級，在西南部弱富水性區域降低了防治等級，既提高了整個礦區底板水害防治的客觀性，又解放了大量受底板承壓水壓覆的煤炭資源，是適用于該礦區的評價方法。