離層積水量估算方法及離層突水預(yù)測(cè)
——以陜西招賢煤礦1304工作面突水為例

許進(jìn)鵬,周 宇，浦早紅 ,龐思遠(yuǎn)

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇 徐州 221116; 2.陜西金源招賢礦業(yè)有限公司,陜西 寶雞 721000)

作為煤礦五大自然災(zāi)害之一的礦井水害，歷來(lái)受到各煤礦和相關(guān)科研工作者的重視。在充分進(jìn)行水文地質(zhì)探查、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、超前治理等工作的前提下，水害的監(jiān)測(cè)預(yù)警越來(lái)越受到重視，文獻(xiàn)[1-5]論述了水害監(jiān)測(cè)的重要性。國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局2018年頒布的《煤礦防治水細(xì)則》提出了“探、防、堵、疏、排、截、監(jiān)”7字方針。在礦井水害監(jiān)測(cè)中，地下水水位的監(jiān)測(cè)是一個(gè)常用的傳統(tǒng)項(xiàng)目。當(dāng)?shù)V井發(fā)生突水時(shí)，相應(yīng)含水層水位有明顯的變化。通過(guò)對(duì)地下水水位的監(jiān)測(cè)，可以迅速判別突水水源，也可以通過(guò)地下水水位的監(jiān)測(cè)，來(lái)分析突水通道。如文獻(xiàn)[6-8]通過(guò)水位變化及綜合其他因素對(duì)張雙樓煤礦、王樓煤礦、黃玉川礦突水水源進(jìn)行了判定。

近年來(lái)，離層水害作為一種新的突水形式，對(duì)礦井造成了重大危害。從東部礦區(qū)到西部礦井，均有離層水害發(fā)生，較為典型的有淮北海孜礦、寧夏紅柳礦等礦井發(fā)生的水害。離層水害也引起較多科研工作者關(guān)注并進(jìn)行研究。綜合文獻(xiàn)[11-14]，目前對(duì)離層水害的機(jī)理已有了較為統(tǒng)一認(rèn)識(shí)：認(rèn)為離層水害是由于煤層覆巖頂板巖性的差異，發(fā)生了不均衡沉降，在一定位置，軟硬巖間形成了離層空間，當(dāng)離層空間積水且下部破壞時(shí)，發(fā)生突水事故?；诖藱C(jī)理，文獻(xiàn)[15-17]提出了離層水害的預(yù)測(cè)方法和以提前施工疏放孔為主要手段的離層水害防治方法，并相繼得到應(yīng)用。但離層突水的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和超前預(yù)警，尚需要進(jìn)一步的研究，離層積水水量也未有準(zhǔn)確計(jì)算方法。

筆者通過(guò)陜西金源招賢煤礦1304工作面3次突水前水位變化和離層積水的機(jī)理，尋求離層積水水量的計(jì)算方法，從理論上分析離層突水過(guò)程中地下水水位響應(yīng)機(jī)理，說(shuō)明可以通過(guò)地下水水位變化預(yù)警離層突水，并進(jìn)一步提出可以通過(guò)積水量計(jì)算預(yù)計(jì)突水總水量及突水可能性。

1 地質(zhì)背景及突水過(guò)程

1.1 地質(zhì)背景

招賢煤礦位于陜西省寶雞市麟游縣西北部，屬陜西省黃隴侏羅紀(jì)煤田永隴礦區(qū)。礦區(qū)內(nèi)地層由老至新依次有：三疊系中統(tǒng)銅川組(T)，侏羅系下統(tǒng)富縣組(J)、中統(tǒng)延安組(J)、直羅組(J)、安定組(J)，白堊系下統(tǒng)宜君組(K)、洛河組(K)，新近系(N)及第四系中-上更新統(tǒng)(Q)、全新統(tǒng)(Q)。首采區(qū)主采煤層為3煤層，煤厚0.46～25.79 m，平均厚12.68 m。全礦井目前發(fā)現(xiàn)落差5 m以上斷層37條，全部為正斷層，構(gòu)造復(fù)雜程度為中等。井田內(nèi)的主要含水層包括：第四系全新統(tǒng)沖-洪積層孔隙潛水含水層、第四系中上更新統(tǒng)黃土孔隙-裂隙潛水含水層、新近系砂卵礫含水層段、白堊系下統(tǒng)洛河組砂巖孔隙～裂隙含水層、白堊系下統(tǒng)宜君組礫巖裂隙含水層、侏羅系中統(tǒng)直羅組砂巖裂隙含水層、侏羅系中統(tǒng)延安組煤層及其頂板砂巖含水層、三疊系中統(tǒng)銅川組砂巖裂隙含水層。

1.2 1304工作面情況及出水過(guò)程

招賢煤礦1304工作面為礦井的第3個(gè)工作面，1304工作面走向長(zhǎng)1 675 m，傾斜寬186 m。主采侏羅紀(jì)延安組3煤層，煤層厚度為4～16 m，平均厚度11.0 m；煤層埋深為401～694 m。煤層傾角4°～24°，平均值為16°，工作面采用綜采放頂煤方式開(kāi)采。如圖1所示，工作面上方延安組地層以灰色～深灰色泥巖為主；直羅組地層主要以灰綠色粉砂巖、細(xì)砂巖為主；安定組地層主要以泥巖、粉砂巖為主，細(xì)粒砂巖、中粒砂巖與粗粒砂巖也發(fā)育；宜君組主要為厚層狀的礫巖和粗砂巖。

圖1 3煤頂板地層柱狀

在1304工作面開(kāi)采的過(guò)程中，4個(gè)月內(nèi)發(fā)生了3次涌水。第1次(2020-03-29)涌水最大涌水量為280 m/h，100 m/h以上涌水持續(xù)不足4 d，累計(jì)涌水2萬(wàn)m；第2次(2020-05-07)最大涌水量260 m/h，100 m/h以上涌水持續(xù)5 d，總涌水量與第1次相當(dāng)；第3次(2020-07-01)最大涌水量420 m/h，100 m/h以上涌水持續(xù)6 d，總涌水量3.6萬(wàn)m，造成部分支架被埋、工作面斷風(fēng)。具體出水位置如圖2所示，出水過(guò)程如圖3所示。從該出水過(guò)程及其上覆巖層結(jié)構(gòu)及相關(guān)文獻(xiàn)等多方面分析，1304工作面出水屬于離層出水。主要依據(jù)有：① 據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究認(rèn)為該工作面突水為離層突水；② 巖性結(jié)構(gòu)上宜君組與下方安定組泥巖分界面處由于撓度差異易產(chǎn)生不協(xié)調(diào)沉降，有形成一定的離層空間的條件；③ 間歇性出水特征符合離層水的特征。

圖2 1304工作面涌水位置

圖3 1304工作面涌水量與水位的變化關(guān)系

1.3 突水過(guò)程中水位超前響應(yīng)現(xiàn)象

1304工作面周邊已施工了長(zhǎng)期觀測(cè)孔G3，G4。其中G3距工作面第1次出水位置424 m，觀測(cè)的地下水層位為宜君組；G4觀測(cè)孔距工作面第1次出水位置1 116 m，觀測(cè)的地下水層位為宜君組。在1304工作面出水過(guò)程中，G3，G4孔均先于突水時(shí)間出現(xiàn)水位下降現(xiàn)象。

以第1次出水為例：2020-03-28 T 11：00，水量3 m/h，2020-0-29 T 2：00，水量40 m/h。G3水文孔水位在3月24日0時(shí)開(kāi)始下降，比出水時(shí)間早了約5 d時(shí)間，3月1日至3月23日，水位由1 249.09 m下降至1 246.78 m，下降2.31 m，日均下降0.1 m，自3月24日0時(shí)之后水位開(kāi)始急速下降，截至3月29日0時(shí)，水位累計(jì)下降10.97 m，日均下降速度2.194 m(圖4(a))。

G4水文觀測(cè)孔自3月23日12時(shí)之后水位開(kāi)始急速下降，截止到3月29日0時(shí)(出水時(shí)間)，水位累計(jì)下降23.39 m，平均下降速度4.253 m/d(圖4(b))。

圖4 出水前G3，G4水文孔水位監(jiān)測(cè)

第2次出水和第3次出水，2個(gè)水文長(zhǎng)觀孔的水位也都出現(xiàn)了先于突水時(shí)間水位下降的現(xiàn)象(圖3)。

2 離層積水量的計(jì)算

通過(guò)分析1304工作面出水過(guò)程中長(zhǎng)觀孔水位變化情況及參考相關(guān)文獻(xiàn)，認(rèn)為離層突水有離層形成、離層積水到離層破裂突水的一個(gè)過(guò)程。離層出水的涌水量由離層積水量、煤層上覆直接含水層補(bǔ)給量組成。為了研究突水過(guò)程中地下水水位的響應(yīng)機(jī)理，首先要研究離層積水量的大小。

2.1 基于地下水動(dòng)力學(xué)理論進(jìn)行的離層積水量計(jì)算

離層積水水量，可以通過(guò)動(dòng)下水動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論進(jìn)行計(jì)算。

2.1.1 離層空間匯水模型

根據(jù)1304工作面頂板覆巖結(jié)構(gòu)及文獻(xiàn)[18]的分析，得出離層空間發(fā)育于宜君組含水層底部的隔水層中，因此，宜君—洛河組含水層中的水進(jìn)入離層空間的過(guò)程中，只有離層的頂部接受水源補(bǔ)給。在地下水動(dòng)力學(xué)中，這一進(jìn)水形式可以概化為半無(wú)限含水層空間匯點(diǎn)，也可稱為半無(wú)限厚含水層進(jìn)底井水的承壓不完整井模型，如圖5所示。

圖5 離層進(jìn)水模型

為求得半無(wú)限含水層匯點(diǎn)的解，首先求取無(wú)限邊界含水層中空間匯點(diǎn)的解，假定含水層均值各向同性，則形成的等位線為球形狀，按照Darcy定律，流向空間匯點(diǎn)的流量表達(dá)式為式(1)，將式(1)分離變量后得距井任意點(diǎn)的降深，表達(dá)式為式(2)。在有下部隔水層阻水的情況下，為半無(wú)限含水層匯點(diǎn)模型，離層邊界的滲流呈半球形，匯水流量為無(wú)邊界空間匯點(diǎn)模型的一半，表達(dá)式為式(3)。根據(jù)積水量時(shí)間關(guān)系，離層積水量表達(dá)式為式(4)。為了計(jì)算方便，可以根據(jù)水位觀測(cè)的時(shí)間間距將式(4)離散化，為式(5)。

(1)

(2)

=2π

(3)

(4)

(5)

式中，為離層邊界匯水流量，m/d；為滲透系數(shù)，m/d；為水位降深，m；為某時(shí)間段水位降深，m；為觀測(cè)點(diǎn)距匯水點(diǎn)的距離，m；為離層積水量，m；為離層積水持續(xù)時(shí)間，d；為某時(shí)間段時(shí)長(zhǎng)，d。

2.1.2 估算公式參數(shù)確定及計(jì)算結(jié)果

(1)水文地質(zhì)參數(shù)確定。滲透系數(shù)采用礦區(qū)對(duì)宜君—洛河組含水層混合抽水試驗(yàn)，根據(jù)本礦井6個(gè)抽水孔的實(shí)測(cè)值，取平均值=0.011 063 m/d；觀測(cè)點(diǎn)距匯水點(diǎn)距離根據(jù)G4觀測(cè)孔距工作面涌水?dāng)嗝娴闹本€距離確定。水位降深根據(jù)觀測(cè)孔數(shù)據(jù)確定，定第1次離層積水開(kāi)始前的觀測(cè)孔水位為初始水位，即3月23日0時(shí)的G4水位，其他時(shí)段的水位降深取該時(shí)段的G4孔的觀測(cè)水位與初始水位的水位差。

(2)離層積水持續(xù)時(shí)間取值確定。根據(jù)水位觀測(cè)數(shù)據(jù)，認(rèn)為觀測(cè)孔水位出現(xiàn)同步明顯下降為離層積水開(kāi)始時(shí)刻，根據(jù)G3和G4觀測(cè)孔的水位降速，正常情況下水位降速均小于0.02 m/h。因此，G4觀測(cè)孔的水位變化速率大于0.02 m/h為離層空間積水時(shí)間。如第1次出水時(shí)水位降速如圖6所示，由圖6估算離層積水時(shí)間為10 d。其他2次出水的離層積水時(shí)間也采用同樣方法求得。

圖6 “3·29”工作面涌水前后G4觀測(cè)孔水位降速

(3)計(jì)算結(jié)果。綜合上述分析，按式(5)計(jì)估算離層積水量。以第1次離層積水為例，G4孔每4 h進(jìn)行1次水位觀測(cè)，因此，取4 h為1個(gè)時(shí)間段，各段計(jì)算積水量累計(jì)為總積水量。

3次離層積水量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 1304工作面離層積水量估算結(jié)果

2.2 突水過(guò)程中水量分割

為了驗(yàn)證以上計(jì)算結(jié)果的可靠性，可通過(guò)實(shí)際出水量進(jìn)行驗(yàn)證，但實(shí)際出水量中包含了離層積水量和含水層正常出水量。為確定離層積水量，可采用水文學(xué)中洪水量分析方法——分割法求出離層積水量。一次離層突水過(guò)程相當(dāng)于一次獨(dú)立的流量過(guò)程，且離層積水與含水層出水關(guān)系不大，含水層出水量基本可以看成是一個(gè)穩(wěn)定的流量。因此，可采用平割法或斜割法進(jìn)行離層積水量劃分。

圖7(a)為第1次出水水量過(guò)程線，從3月29日0時(shí)工作面開(kāi)始涌水，涌水中離層積水涌水持續(xù)近3 d，按照平割法劃分的離層積水量為13 619 m；圖7(b)為第2次出水水量過(guò)程線，從5月6日12時(shí)工作面開(kāi)始涌水，離層涌水持續(xù)時(shí)間近5 d，采用平割法劃分的離層積水量為11 410 m；圖7(c)為第3次出水過(guò)程線，從7月1日20時(shí)開(kāi)始涌水，離層涌水持續(xù)時(shí)間不足7 d，劃分的離層積水量為19 409 m。

圖7 1304工作面第1，2，3次離層積水量劃分

2.3 離層積水量估算結(jié)果分析

對(duì)比采用井底進(jìn)水的承壓非完整井公式計(jì)算的離層積水量與實(shí)測(cè)涌水量劃分的離層積水量，見(jiàn)表2。由表2中可知，總體上公式計(jì)算值和過(guò)程線劃分值相差不大，特別是第1次出水和第2次出水，相對(duì)誤差非常小，這說(shuō)明本文對(duì)離層積水量計(jì)算方法是可靠的。第3次計(jì)算較第1次出水和第2次出水的誤差相對(duì)較大，但對(duì)于涌水量計(jì)算而言，8.35%也是在可接受的范圍之內(nèi)。第3次出水量預(yù)計(jì)誤差較大的原因，可能是第經(jīng)過(guò)第1次出水和第2次出水后，裂隙中的細(xì)小顆粒被帶走，整個(gè)含水層滲透性增大造成的。

表2 估算值與劃分值對(duì)比

3 應(yīng) 用

3.1 突水預(yù)警及突水量預(yù)測(cè)

首先，對(duì)離層積水的計(jì)算過(guò)程可以明確，離層積水有個(gè)時(shí)間過(guò)程，在積水開(kāi)始時(shí)(尚未突水)，水位就開(kāi)始下降。這就從理論上說(shuō)明了地下水水位可以預(yù)警離層水害。從招賢煤礦1304工作面出水案例實(shí)際情況分析，3次發(fā)生離層突水前，水文長(zhǎng)觀孔的水位均提前下降，提前時(shí)間為2～6 d。這些數(shù)據(jù)也充分說(shuō)明，可以利用地下水水位變化來(lái)預(yù)警離層突水。

進(jìn)一步，可以通過(guò)離層積水量的計(jì)算公式,更加精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)出水時(shí)間和出水量大小。

(1)根據(jù)水位下降速度，可以預(yù)測(cè)地下水向離層空間的滲入流量。根據(jù)式(1)，地下水向離層空間的滲入流量與地下水水位的降速d、觀測(cè)孔距離及滲透系數(shù)有關(guān)，而后2者是已知量，因此，可以根據(jù)水位的降速d來(lái)計(jì)算地下水向離層空間的滲入流量。

(2)根據(jù)地下水水位的下降時(shí)間，可以進(jìn)一步預(yù)測(cè)離層積水量的大小。根據(jù)式(4)，(5)，有了時(shí)間及降深，可以計(jì)算離層積水量。根據(jù)離層積水量，可以及時(shí)配備必要的抗災(zāi)排水的設(shè)備。

3.2 離層空間高度的推算和突水可能性預(yù)測(cè)

3.2.1 離層空間大小及離層高度的推算及結(jié)果討論

從理論上分析，工作面回采過(guò)程中的離層空間大小應(yīng)等于根據(jù)式(5)計(jì)算出的最大積水量。如果將離層空間概化為一個(gè)半橢球體，根據(jù)半橢球體積式(6)，可以得到離層高度計(jì)算式。

(6)

(7)

式中，為離層區(qū)的長(zhǎng)度，m；為離層空間的寬度，m；為最大離層高度，m。

現(xiàn)根據(jù)式(7)對(duì)1304工作面的3次突水時(shí)的最大離層高度進(jìn)行計(jì)算。離層積水量取前文計(jì)算得出的數(shù)據(jù)，取工作面寬度為180 m，取工作面的相對(duì)推進(jìn)距離，分別為101.4,57.0和107.0 m。張嚴(yán)靜通過(guò)采用數(shù)值模擬對(duì)郭家河煤礦的離層空間發(fā)育規(guī)律進(jìn)行探索，得出該礦區(qū)離層發(fā)育到閉合的間距為100 m，而郭家河煤礦為招賢煤礦的鄰近礦區(qū)(相距20 km)。該文獻(xiàn)也說(shuō)明本文推進(jìn)長(zhǎng)度為離層空間寬度是合理的。

經(jīng)計(jì)算，得出3次出水時(shí)的離層高度為0.75,1.08,0.87 m，見(jiàn)表3。由于以上計(jì)算中積水量為突水時(shí)的積水量，所得出的離層高度也為突水時(shí)的離層高度，大于或等于離層高度的臨界值。

表3 離層空間的發(fā)育高度

趙團(tuán)芝等通過(guò)鉆孔電視錄像技術(shù)對(duì)淮北某礦4段離層進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，結(jié)果顯示離層的層段高0.14～1.63 m。本文計(jì)算數(shù)值位于該測(cè)試結(jié)果范圍之內(nèi)，認(rèn)為計(jì)算合理。

3.2.2 離層突水可能性預(yù)測(cè)

根據(jù)礦井煤層頂板覆巖的特征，可以預(yù)測(cè)離層突水發(fā)生的可能性。煤層開(kāi)采時(shí)頂板出現(xiàn)離層是一種常見(jiàn)現(xiàn)象，但離層不一定突水，只有當(dāng)離層空間的一部分巖層被破壞以后，才發(fā)生突水。針對(duì)具體礦井，可以根據(jù)煤層頂板覆巖的結(jié)構(gòu)和巖性力學(xué)確定離層空間下部破壞的離層高度的臨界值()。同時(shí)，根據(jù)上文所述，可以推算出離層高度,當(dāng)≥時(shí)，會(huì)發(fā)生突水事故。反之，離層下部巖層不會(huì)破壞，不會(huì)發(fā)生突水事故。

上述預(yù)測(cè)中最重要的是關(guān)于的確定，可以采用巖體力學(xué)理論分析，如蘇仲杰等，得到離層高度計(jì)算的理論公式；更好的方法是采用數(shù)據(jù)模擬計(jì)算，如文獻(xiàn)[20]；也可以根據(jù)前期突水案例進(jìn)行推算，如本文計(jì)算出3次突水時(shí)的離層高度為0.75，1.08，0.87 m，為安全起見(jiàn)，可取其最小值0.75作為本礦井今后預(yù)警的臨界值。

4 結(jié) 論

(1)離層突水前，有一個(gè)離層積水過(guò)程，離層開(kāi)始積水時(shí)，相應(yīng)的地下水水位會(huì)下降，這種先于離層突水的地下水水位下降可以作為離層突水的預(yù)警依據(jù)。

(2)離層積水一般是從離層頂部進(jìn)水，相當(dāng)于一個(gè)半無(wú)限含水層空間匯點(diǎn)模型，依據(jù)此模擬，可以建立離層積水量計(jì)算公式，并據(jù)此公式計(jì)算了3次離層積水的積水量。

(3)離層突水的水量由積水量和含水層補(bǔ)給水量?jī)刹糠纸M成，采用水文學(xué)中的分割法可以分割出離層突水過(guò)程中的積水量大小。

(4)通過(guò)對(duì)公式計(jì)算的離層積水量與分割法得出的積水量大小比較，表明本文所建模型及其公式是適合離層積水量計(jì)算的。

(5)通過(guò)離層積水量的計(jì)算，可以進(jìn)一步計(jì)算離層高度，并據(jù)此可進(jìn)一步準(zhǔn)確預(yù)測(cè)離層水害的發(fā)生。