再論煤層頂板涌(突)水危險(xiǎn)性預(yù)測評(píng)價(jià)的“三圖－雙預(yù)測法”

武　強(qiáng)，許　珂，張　維

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

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再論煤層頂板涌(突)水危險(xiǎn)性預(yù)測評(píng)價(jià)的“三圖－雙預(yù)測法”

武強(qiáng)1，2，許珂1，張維1

(1．中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京100083;2．國家煤礦水害防治工程技術(shù)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(píng)價(jià)預(yù)測，在“三圖－雙預(yù)測法”理論與方法指導(dǎo)下，分別從頂板冒裂程度和含水層富水性強(qiáng)度2個(gè)方面入手再次討論了頂板含水層涌(突)水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法。頂板冒裂程度以導(dǎo)水裂縫帶擾動(dòng)破壞上覆含水層距離作為評(píng)價(jià)指標(biāo);含水層富水性評(píng)價(jià)方法則進(jìn)一步提升，以富水性指數(shù)法為依托，一方面充分挖掘地質(zhì)和水文地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)中與含水層富水性相關(guān)的信息，包括滲透系數(shù)、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(zhì)因素，另一方面將數(shù)量有限的單位涌水量作為含水層富水性的實(shí)測指標(biāo)對富水性指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行校正，解決了在水文地質(zhì)勘查程度較低情況下含水層富水性合理準(zhǔn)確評(píng)價(jià)與分區(qū)難題。在此基礎(chǔ)上運(yùn)用Visual Modflow的DRN邊界子模塊對天然狀態(tài)下和采取防治水措施狀態(tài)下工作面的涌水量進(jìn)行了動(dòng)態(tài)預(yù)測。最后以臺(tái)格廟礦區(qū)為例，說明了特殊水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件下煤層頂板涌(突)水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)和涌水量預(yù)測方法的具體實(shí)施步驟。

關(guān)鍵詞:頂板水害;薄隔水層;導(dǎo)水裂隙帶;富水性;DRN邊界

武強(qiáng)，許珂，張維．再論煤層頂板涌(突)水危險(xiǎn)性預(yù)測評(píng)價(jià)的“三圖－雙預(yù)測法”［J］．煤炭學(xué)報(bào)，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(jì)煤田煤層層數(shù)多，厚度大，資源十分豐富，是我國重要的戰(zhàn)略性煤炭工業(yè)基地［1－2］。隨著開采規(guī)模和開采強(qiáng)度不斷加大，煤礦頂板水害威脅日漸突出，嚴(yán)重影響了礦井正常生產(chǎn)，構(gòu)成了嚴(yán)重的安全隱患［3］。因此，如何有效地評(píng)價(jià)煤層頂板水害危險(xiǎn)性，如何符合實(shí)際地預(yù)測、圈定煤層頂板水害重點(diǎn)防控“靶區(qū)”或“疑區(qū)”，對礦井安全生產(chǎn)具有極其重要的理論指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。

早在2000年，筆者在總結(jié)多年科學(xué)研究和大量工程實(shí)踐成果的基礎(chǔ)上，提出了解決煤層頂板涌(突)水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)預(yù)測的“三圖－雙預(yù)測法”，從對煤層頂板涌(突)水危險(xiǎn)區(qū)的定量圈定，到回采工作面工程涌(突)水量模擬預(yù)測，形成了一整套系統(tǒng)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(xiǎn)性評(píng)價(jià)預(yù)測難題方面，發(fā)揮了巨大作用，填補(bǔ)了我國頂板水害評(píng)價(jià)預(yù)測方法的空白。但是，自然界的地質(zhì)和水文地質(zhì)條件是千變?nèi)f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(píng)價(jià)預(yù)測，僅考慮煤層開采誘發(fā)的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度是否觸及到頂板充水含水層，顯然就不夠全面了，導(dǎo)水裂縫帶擾動(dòng)破壞上覆充水含水層的距離、范圍成為非常關(guān)鍵的因素，冒裂到含水層高度愈高，擾動(dòng)破壞范圍愈大，充水含水層相應(yīng)部位富水性愈強(qiáng)，頂板涌(突水)危險(xiǎn)性就愈大，反之亦然。另外，由于我國大部分煤礦區(qū)水文地質(zhì)勘探程度較低，抽(放)水試驗(yàn)數(shù)量有限，僅僅依靠抽(放)水試驗(yàn)確定的單位涌水量來評(píng)價(jià)充水含水層富水性，數(shù)據(jù)信息不夠，難以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)含水層富水性的真實(shí)分布規(guī)律。根據(jù)上述分析，筆者再次討論了煤層頂板涌(突)水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)預(yù)測的“三圖－雙預(yù)測法”。

1　評(píng)價(jià)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(xiǎn)性評(píng)價(jià)預(yù)測難題，在“三圖－雙預(yù)測”基本理論和方法指導(dǎo)下，結(jié)合大量工程實(shí)踐，綜合探究了特殊水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件下煤層頂板涌(突)水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)預(yù)測方法的基本原理和具體實(shí)施步驟。

1.1頂板冒裂程度評(píng)價(jià)與分區(qū)圖

在煤層直接頂板隔水層缺失或沉積較薄礦區(qū)，煤層開采誘發(fā)的導(dǎo)水裂縫帶必然會(huì)進(jìn)入并擾動(dòng)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(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的主要因素，采厚主要影響頂板垮落空間、支撐穩(wěn)定性，一般情況下采厚越大導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度越大，頂板含水層受擾動(dòng)破壞的距離就越大;導(dǎo)水裂縫帶發(fā)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(shí)，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度不再增加［9］。因此，用導(dǎo)水裂縫帶擾動(dòng)破壞上覆充水含水層的距離作為評(píng)價(jià)頂板冒裂程度的定量指標(biāo)，導(dǎo)水裂縫帶擾動(dòng)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(qū)勘查資料基礎(chǔ)上，根據(jù)具體采厚，開采方法、工藝、覆巖巖性與結(jié)構(gòu)和其力學(xué)參數(shù)等，選用規(guī)程規(guī)范或其他合理的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度計(jì)算公式，或選擇應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值仿真模擬方法，根據(jù)井下現(xiàn)場導(dǎo)水裂縫帶實(shí)測數(shù)據(jù)的校正，確定導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度。如果其發(fā)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(dǎo)水裂縫帶擾動(dòng)破壞含水層的最大距離。最后運(yùn)用具有強(qiáng)大空間數(shù)據(jù)分析處理功能的GIS軟件生成頂板采動(dòng)冒裂程度分區(qū)圖。

1.2頂板充水含水層富水性評(píng)價(jià)與分區(qū)圖

含水層富水性評(píng)價(jià)理論與方法還處于不斷發(fā)展與完善之中，從水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)理論來講，含水層富水性強(qiáng)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(shí)的單井出水量，單位涌水量越大，含水層的富水性越強(qiáng)，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(qiáng)弱;從工程實(shí)踐來看，我國大部分煤礦區(qū)水文地質(zhì)勘探程度較低，抽(放)水試驗(yàn)有限，所獲取的單位涌水量數(shù)量較少，控制范圍不夠，未能充分反映含水層富水性分布規(guī)律，無法實(shí)現(xiàn)含水層富水性的高精度、多級(jí)別評(píng)價(jià)與合理分區(qū)。

針對這個(gè)難題，筆者充分挖掘煤田地質(zhì)勘查和水文地質(zhì)勘探過程中所有與含水層富水性有關(guān)的鉆孔多源信息，實(shí)現(xiàn)了對含水層富水性多角度、全方位的評(píng)價(jià)。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(shù)和脆塑性巖厚度比等含水層富水性的主控因素后，運(yùn)用諸如層次分析法(AHP)等信息融合方法計(jì)算出能夠反映各主控因素對含水層富水性貢獻(xiàn)的權(quán)重值，利用GIS的強(qiáng)大空間信息分析處理功能，按權(quán)重對所有主控因素進(jìn)行信息疊加，得到綜合反映含水層富水性相對強(qiáng)弱的指標(biāo)——富水性指數(shù)，并依據(jù)富水性指數(shù)評(píng)價(jià)充水含水層富水性規(guī)律，建立富水性分區(qū)圖，最后利用有限的抽(放)水試驗(yàn)所確定的單位涌水量數(shù)據(jù)對富水性指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行校正。該評(píng)價(jià)方法既符合水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)理論，同時(shí)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(zhì)勘探程度較低礦區(qū)的充水含水層富水性合理準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)與分區(qū)難題。

1.3頂板涌(突)水危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)與分區(qū)圖

頂板水害的發(fā)生取決于導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育范圍內(nèi)含水層的富水性強(qiáng)度，導(dǎo)水裂縫帶擾動(dòng)破壞含水層距離較大同時(shí)富水性相對較強(qiáng)的區(qū)域，其涌(突)水危險(xiǎn)性則相對較高，反之亦然。因此，頂板涌(突)水危險(xiǎn)性由頂板冒裂擾動(dòng)程度和充水含水層富水性共同決定，復(fù)合疊加這2個(gè)分區(qū)圖的地學(xué)信息可實(shí)現(xiàn)頂板涌(突)水危險(xiǎn)性的評(píng)價(jià)與分區(qū)，值得一提的是在復(fù)合疊加之前，應(yīng)結(jié)合研究區(qū)的具體情況制定頂板涌(突)水危險(xiǎn)性劃分標(biāo)準(zhǔn)，不同條件劃分標(biāo)準(zhǔn)可能不同，然后依據(jù)劃分標(biāo)準(zhǔn)對頂板冒裂程度分區(qū)圖和充水含水層富水性分區(qū)圖進(jìn)行疊加，建立頂板涌(突)水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)和分區(qū)圖。

1.4涌水量動(dòng)態(tài)預(yù)測

針對頂板充水含水層富水性較弱的特點(diǎn)，選用Visual Modflow中的DRN邊界子模塊來預(yù)測工作面涌水量［10－12］。DRN邊界可以解決眾多礦井涌水量預(yù)測的實(shí)際問題［13］，尤其在高精度模擬巷道掘進(jìn)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(qū)用抽水井模擬礦井涌水量不準(zhǔn)確的缺點(diǎn)。運(yùn)用DRN邊界子模塊結(jié)合Zone Budget功能分別對天然狀態(tài)下和采取防治水措施情況下的工作面涌水量進(jìn)行了預(yù)測。

2　實(shí)例分析

2.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于鄂爾多斯市東勝區(qū)，呈不規(guī)則長方形，面積約737.76 km2。區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)較大斷層、褶皺及巖漿巖侵入體，地質(zhì)構(gòu)造較簡單。地層近水平狀，主要為全新統(tǒng)風(fēng)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(tǒng)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(qū)地質(zhì)條件、水文地質(zhì)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(xì)－粗粒砂巖夾薄層紫紅色、灰綠色泥巖、砂質(zhì)泥巖。砂巖中含大量青灰色泥質(zhì)包裹體，阻水效果好，是阻斷上下含水層水力聯(lián)系的重要隔水層。直羅組含水層在全礦區(qū)分布，連續(xù)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(zhì)泥巖。在地表出露較少，主要接受側(cè)向徑流補(bǔ)給，并以側(cè)向徑流排泄為主。

2.2首采煤層頂板冒裂程度評(píng)價(jià)與分區(qū)

臺(tái)格廟礦區(qū)煤層厚度介于0.71～7.77 m，依據(jù)建井設(shè)計(jì)采用綜放開采方法。根據(jù)800多個(gè)鉆孔巖芯資料，煤層頂板巖性以砂巖和砂質(zhì)泥巖為主，抗壓強(qiáng)度多在20～40 MPa。因此，煤層頂板砂巖為中硬巖石，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度應(yīng)選用《煤礦防治水手冊》中的綜放開采條件下、中硬巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度計(jì)算公式［14］(式(1))。

式中，M為采厚，m。

礦區(qū)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度均未超過含水層厚度，因此用導(dǎo)水裂縫帶高度來表征導(dǎo)水裂縫帶對含水層的擾動(dòng)破壞，由圖1可以看出導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育較高的地方主要位于礦區(qū)東北部和中南部，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度較低的區(qū)域呈帶狀分布于礦區(qū)西北、中部和東南部，其他區(qū)域?qū)芽p帶發(fā)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(píng)價(jià)與分區(qū)

單位涌水量的大小直接反映含水層富水性的強(qiáng)弱，是檢驗(yàn)含水層富水性強(qiáng)度的最終指標(biāo)。礦區(qū)面積737.76 km2，僅44組首采煤層頂板含水層的抽水試驗(yàn)，控制程度較低，單位涌水量數(shù)據(jù)較少，因此本次評(píng)價(jià)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(shí)測指標(biāo)對富水性指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行校正。

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

充分挖掘礦區(qū)勘查資料，確定采用滲透系數(shù)、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(shù)數(shù)據(jù)采用水文地質(zhì)勘查時(shí)期的44組抽水試驗(yàn)資料獲得;脆塑性巖依據(jù)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(jì)算范圍為導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度內(nèi)的巖層;其余各地質(zhì)因素?cái)?shù)據(jù)采用水文地質(zhì)勘查和地質(zhì)詳查期間的800多個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)獲得，各主控地質(zhì)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(qū)的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件有了較為深刻的認(rèn)識(shí)后，充分征求專家意見，運(yùn)用層次分析法計(jì)算各主控因素的權(quán)重見表1，對各主控因素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)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(quán)重綜合成一個(gè)富水性量化指標(biāo)，即富水性指數(shù)，并據(jù)此進(jìn)行含水層富水性分區(qū)(圖3)。

表1　含水層富水性各主控因素權(quán)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(qiáng)的區(qū)域呈條帶狀分布于位區(qū)中部偏西，東南角也有小范圍分布;富水性相對較弱區(qū)主要位于礦區(qū)中北部和西南部，其余地區(qū)為過渡區(qū)。實(shí)測單位涌水量大于0.06 L/(m· s)的鉆孔大部分位于紅色區(qū)域(相對較強(qiáng)富水區(qū))，單位涌水量小于0.45 L/(m·s)的鉆孔大部分位于綠色區(qū)域(相對較弱富水區(qū))，其余鉆孔多位于黃色區(qū)域(過渡區(qū))，說明用以上5個(gè)主控地質(zhì)因素按適合該礦區(qū)條件的權(quán)重進(jìn)行疊加所得富水性分區(qū)符合礦區(qū)含水層的富水性實(shí)際情況，評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確性較高。

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

如果含水層富水性評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)測單位涌水量的擬合度較低，一方面應(yīng)對各主控因素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行檢查，排除干擾數(shù)據(jù)，另一方面要充分結(jié)合評(píng)價(jià)區(qū)的地質(zhì)及水文地質(zhì)條件不斷調(diào)整各主控因素的權(quán)重，直至富水性分區(qū)圖與實(shí)測單位涌水量數(shù)據(jù)相符合。

2.4首采煤層頂板涌(突)水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)與分區(qū)

首先，在充分征求專家意見并結(jié)合臺(tái)格廟礦區(qū)地質(zhì)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上提出了頂板涌(突)水危險(xiǎn)性劃分標(biāo)準(zhǔn)表(表2)，不同評(píng)價(jià)區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同;其次，對含水層富水性分區(qū)圖和首采煤層頂板冒裂程度分區(qū)圖的各個(gè)等級(jí)賦標(biāo)示值，等級(jí)較低的區(qū)域賦較小的值，等級(jí)較高的區(qū)域賦較大的值，然后利用GIS中的union工具將賦值后的兩個(gè)專題圖進(jìn)行疊加同時(shí)對標(biāo)示值求和，得到疊加后各等級(jí)的標(biāo)示值;最后，依據(jù)表2按照求和后的標(biāo)示值再次分區(qū)并將標(biāo)示值相同的區(qū)域合并為一個(gè)區(qū)，最終得到首采煤層頂板涌(突)水危險(xiǎn)性分區(qū)圖(圖4)。

表2　頂板涌(突)水危險(xiǎn)性劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 2　Roof water bursting risk evaluation standard

圖4　首采煤層頂板涌(突)水危險(xiǎn)性分區(qū)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(xiǎn)區(qū)位于二井田的中北部、四井田也有小范圍分布，該區(qū)含水層富水性相對較強(qiáng)、導(dǎo)水裂縫帶發(fā)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(xiǎn)區(qū)含水層富水性較強(qiáng)，但導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度中等，位于三井田中部的較危險(xiǎn)區(qū)含水層富水性中等但導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度較大;其他區(qū)域涌(突)水危險(xiǎn)性相對較低。

3　首采工作面涌水量預(yù)測

依據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)概念模型，運(yùn)用Visual Modflow軟件建立了礦區(qū)地下水系統(tǒng)的三維可視化模擬與預(yù)測模型，并采用44組抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行了識(shí)別和驗(yàn)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(yùn)用矯正好的模型，預(yù)測天然狀態(tài)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(jìn)行了回采前預(yù)先疏放模擬，在此基礎(chǔ)上，對首采工作面又進(jìn)行了涌水量的2次動(dòng)態(tài)預(yù)測，涌水量減小到220.4 m3/h。分析其原因主要在于第2次預(yù)測時(shí)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(shù)整體較小，首采工作面以外的地下水需要較長時(shí)間才能對疏降區(qū)進(jìn)行補(bǔ)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(jié)　　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(píng)價(jià)預(yù)測，綜合考慮了導(dǎo)水裂縫帶對含水層擾動(dòng)破壞的距離和含水層的富水性強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了對特殊條件下煤層頂板含水層涌(突)水危險(xiǎn)性的科學(xué)評(píng)價(jià)。

(2)在確定了富水性主控因素的基礎(chǔ)上，依照合適的權(quán)重對各主控因素進(jìn)行了疊加獲得含水層富水性分區(qū)圖，評(píng)價(jià)結(jié)果得到了實(shí)測單位涌水量的校正，該法可為水文地質(zhì)資料較為缺乏地區(qū)的含水層富水性評(píng)價(jià)提供參考。

(3)對于含水層富水性較弱地區(qū)的礦井涌水量計(jì)算方法，提出在工作面底部設(shè)置DRN邊界的方法實(shí)現(xiàn)了對預(yù)測精度要求較高的回采工作面涌水量動(dòng)態(tài)預(yù)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(xiǎn)區(qū)是富水性相對較強(qiáng)和導(dǎo)水裂縫帶擾動(dòng)破壞含水層距離較大的區(qū)域，建議對含水層進(jìn)行注漿加固并提前分階段、多鉆孔、長時(shí)間疏放水;二、四井田交界處及一井田南部較危險(xiǎn)區(qū)，主要是富水性較強(qiáng)造成的，建議采取提前疏放水措施，三井田中北部較危險(xiǎn)區(qū)主要是由導(dǎo)水裂縫帶對含水層的破壞造成，建議對裂隙發(fā)育區(qū)進(jìn)行注漿加固;對于過渡區(qū)、較安全區(qū)和相對安全區(qū)，發(fā)生涌(突)水的可能性較小但也應(yīng)時(shí)刻關(guān)注回采工作面涌水量和含水層水位變化，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)上報(bào)，以便及時(shí)采取防治水措施，確保安全回采。

參考文獻(xiàn):

［1］陳守建，王永，伍躍中，等．西北地區(qū)煤炭資源及開發(fā)潛力［J］．西北地質(zhì)，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(qū)煤炭資源綜合評(píng)價(jià)及開發(fā)潛力分析［J］．煤田地質(zhì)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(jìn)技術(shù)在礦井頂板水患治理中的應(yīng)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(qiáng)．我國礦井水防控與資源化利用的研究進(jìn)展、問題和展望［J］．煤炭學(xué)報(bào)，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(qiáng)，趙蘇啟，孫文潔，等．中國煤礦水文地質(zhì)類型劃分與特征分析［J］．煤炭學(xué)報(bào)，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(qiáng)，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(xué)報(bào)，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(qiáng)，樊振麗，劉守強(qiáng)，等．基于GIS的信息融合型含水層富水性評(píng)價(jià)方法——富水性指數(shù)法［J］．煤炭學(xué)報(bào)，2011，36(7):1124－1128．Wu Qiang，F(xiàn)an 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(qiáng)，黃曉玲，董東林，等．評(píng)價(jià)煤層頂板涌(突)水條件的“三圖－雙預(yù)測法”［J］．煤炭學(xué)報(bào)，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(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算研究［J］．煤炭科學(xué)技術(shù)，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(zhì)泉流量衰減過程試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬［J］．水利學(xué)報(bào)，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(yù)測礦井涌水量過程中邊界條件問題探討［J］．礦業(yè)安全與環(huán)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(qiáng)，趙蘇啟，董書寧，等．煤礦防治水手冊［M］．北京:煤炭工業(yè)出版社，2013:679．

中圖分類號(hào):TD745

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0253－9993(2016)06－1341－07

收稿日期:2015－08－18修回日期:2015－12－29責(zé)任編輯:韓晉平

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41272276);教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)聯(lián)合資助項(xiàng)目(IRT1085)

作者簡介:武強(qiáng)(1959—)，男，內(nèi)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