天窗補(bǔ)給型衍生式礦井動力突水模式及其評價(jià)與治理技術(shù)

曾一凡 ，孟世豪 ，武 強(qiáng) ，龐振忠，龐 凱，楊國慶，梅傲霜，李 強(qiáng)，王嗣桐

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)國家煤礦水害防治工程技術(shù)研究中心,北京 100083；2.礦業(yè)大學(xué)(北京)內(nèi)蒙古研究院,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；3.礦山水害防治國家礦山安全監(jiān)察局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083；4.中國中煤能源集團(tuán)有限公司,北京 100120；5.陜西陜煤曹家灘礦業(yè)有限公司,陜西 榆林 719000)

中西部侏羅紀(jì)煤田是我國煤炭資源富集程度最高、煤質(zhì)最優(yōu)、開發(fā)前景最好的大煤田[1]。煤與水賦存空間組合總的特點(diǎn)是“煤水共生，水在上、煤在下”[2]，因此頂板水害威脅成為限制該區(qū)域煤礦生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的主要問題。西部礦區(qū)普遍氣候干旱，降雨稀少，根據(jù)前期勘探工作，煤層頂板直接充水含水層普遍富水性差，礦井涌水量預(yù)測值小，而在實(shí)際采掘過程中，礦井涌水量大且持續(xù)的情況時(shí)有發(fā)生，榆神府礦區(qū)就存在大于3 000 m3/h 涌水量的礦井[3]，預(yù)測與實(shí)際涌水不符的巨大矛盾給防治水工作帶了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。西部高強(qiáng)度的采煤過程無疑提高了采煤效率，但其對覆巖結(jié)構(gòu)和地下水系統(tǒng)的擾動程度也隨之提升，水害致災(zāi)機(jī)理也更加復(fù)雜，如何進(jìn)一步細(xì)致刻畫礦井涌水過程和建立更為準(zhǔn)確的水害危險(xiǎn)性評價(jià)方法是當(dāng)前礦井水綜合防治與利用的最大瓶頸。

當(dāng)前礦井頂板的涌突水模式主要認(rèn)為煤層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至頂板含水層，且含水層富水性較強(qiáng)，就會發(fā)生礦井涌水，此類突水模式通過“三圖法”[4-10]已廣泛應(yīng)用于各類礦區(qū)的突水危險(xiǎn)性評價(jià)當(dāng)中。而在實(shí)際礦井生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，隨著煤層開采，頂板覆巖破壞導(dǎo)致地下水系統(tǒng)的演化會誘發(fā)新的災(zāi)害源，從而導(dǎo)致不同形式的突水模式，即衍生式動力突水模式。其內(nèi)涵是將定義衍生式水害模式的基礎(chǔ)從傳統(tǒng)的開采前靜態(tài)分析轉(zhuǎn)變?yōu)榭紤]采礦全周期內(nèi)變化的動態(tài)評價(jià)。根據(jù)大量防治水案列和礦區(qū)地質(zhì)條件[11-17]，礦井衍生式水害模式可初步分為三大類:第1 類是“天窗補(bǔ)給型”，開采過程中導(dǎo)水裂隙帶觸及的直接充水含水層水位持續(xù)下降，進(jìn)而激發(fā)了上覆間接含水層的越流補(bǔ)給[18]，從而加大礦井涌水。在一定開采條件下導(dǎo)致高發(fā)育觸及或進(jìn)入黃土層，造成黃土層隔水性能不足或被破壞，并在間接充水含水層加持作用下可能發(fā)生潰水潰砂[19]；第2 類是“離層災(zāi)害型”，由于覆巖強(qiáng)度的不同，彎曲下沉的差異形成了離層儲水空間，開采過程中離層水量的不斷加大，且離層巖體承載能力的不斷減弱，從而導(dǎo)致礦井涌水突增；第3 類是“導(dǎo)水通道增滲型”，在弱膠結(jié)砂巖地層中，除了采動覆巖結(jié)構(gòu)的宏觀破壞以外，在物理沖刷和化學(xué)溶蝕的雙重作用下含水層介質(zhì)中鹽類膠結(jié)物不斷析出，導(dǎo)致含水層導(dǎo)水通道滲透性增強(qiáng)。其中，新疆煤炭基地的弱膠結(jié)砂巖易出現(xiàn)此類現(xiàn)象[20]，另外弱膠結(jié)斷層活化[21]的致災(zāi)模式也屬于此類模式的特殊情況。

作為典型的衍生式水害模式，“離層補(bǔ)給型”水害已被發(fā)現(xiàn)于各大礦區(qū)，通過離層空間的原位監(jiān)測[22]、室內(nèi)物理相似模擬實(shí)驗(yàn)[23]和數(shù)值模擬[24]等多種手段對離層水害的致災(zāi)機(jī)理進(jìn)行大量研究。當(dāng)前研究往往關(guān)注于采動破壞的力學(xué)機(jī)制，而常常忽略了地下水系統(tǒng)擾動對于水害過程的促進(jìn)作用。例如非導(dǎo)水?dāng)鄬拥幕罨饔?、襲奪越流作用等等都是基于開采破壞后地下水系統(tǒng)進(jìn)一步演化的水動力作用形成的，此類衍生水動力作用下的突水模式為當(dāng)前的礦井水害防治帶來了極大隱患。“天窗補(bǔ)給型”衍生式水害模式往往會浪費(fèi)大量地下水資源，對地表生態(tài)形成巨大影響。筆者針對此類衍生式水害模式進(jìn)行初步探討，以近些年高強(qiáng)度大采高的淺埋煤層礦區(qū)——陜西榆神礦區(qū)為例，對其衍生災(zāi)害的孕災(zāi)機(jī)理進(jìn)行分析，給出災(zāi)害衍生模式評價(jià)的新方法，最后提出衍生動力突水的綜合防治技術(shù)體系，為生態(tài)脆弱區(qū)的地下水資源保護(hù)與礦井安全低碳開采提供科學(xué)依據(jù)。

1 衍生式水害的定義及孕災(zāi)條件分析

1.1 天窗補(bǔ)給型衍生式動力突水的定義

衍生式動力突水是隨著煤層開采，頂板覆巖破壞導(dǎo)致地下水系統(tǒng)的演化誘發(fā)新的災(zāi)害源，從而導(dǎo)致不同形式的突水模式。其內(nèi)涵可以概況為“2 個(gè)整體”：一是將覆巖地質(zhì)體作為一個(gè)整體，包括整個(gè)覆巖地層和地下水系統(tǒng)；二是將整個(gè)采動周期作為一個(gè)整體，由傳統(tǒng)的開采前靜態(tài)分析轉(zhuǎn)變?yōu)榭紤]采礦全周期內(nèi)變化的動態(tài)評價(jià)。

在煤層開采過程中，直接充水含水層水位大幅下降的同時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育范圍之外含水層的地下水逐漸參與到礦井涌水過程中，此類涌水模式稱為“天窗補(bǔ)給型”衍生式動力突水(圖1)。“天窗”是一個(gè)廣義的概念，即上下含水層產(chǎn)生水力聯(lián)系的通道，此處不僅僅包括原生結(jié)構(gòu)的沉積尖滅，隔水層的缺失形成的“原生天窗”；更加隱蔽、更加危險(xiǎn)的是在煤層開采過程中逐漸形成的“衍生式天窗”，其可細(xì)分為2 個(gè)類型：一是隔水薄弱區(qū)上下2 個(gè)含水層水頭差逐漸增大，僅在水力梯度作用下產(chǎn)生水力聯(lián)系;二是隔水層遭到采動作用破壞，隔水能力劣化從而使得上下含水層產(chǎn)生水力聯(lián)系。此類水害往往會造成淺表水資源的大量流失，增大礦井水害危險(xiǎn)的同時(shí)，也破壞了當(dāng)?shù)氐牡乇砩鷳B(tài)環(huán)境[25-27]。

圖1 天窗補(bǔ)給型衍生式水害模式示意Fig.1 Diagram of skylight recharge derived dynamic water inrush mode

1.2 衍生式水害模式的孕災(zāi)條件分析

榆神府礦區(qū)位于陜西省榆林市北部，隸屬神木縣和榆林市榆陽區(qū)管轄。榆神府礦區(qū)地表地層多被新近系、第四系覆蓋，總面積5 298 km2，是陜北侏羅紀(jì)煤田地質(zhì)條件、煤質(zhì)特征最好的地區(qū)。此地區(qū)煤厚大，開采條件極好，但同時(shí)又存在大量隔水層缺失的地區(qū)，極易造成“天窗補(bǔ)給型”衍生式動力突水。本地區(qū)主采2-2 煤，上覆3 套含水層：最下面是基巖裂隙含水層，由侏羅系延安組和直羅組砂巖組成，結(jié)構(gòu)致密，富水性弱；往上是風(fēng)化基巖孔隙裂隙含水層，由侏羅系安定組砂巖組成，其風(fēng)化程度大、節(jié)理裂隙發(fā)育、透水性強(qiáng)、孔隙大，以上2 套含水層均是被導(dǎo)水裂隙帶觸及的直接充水含水層；最上面是第四系松散孔隙含水層，主要由薩拉烏蘇組含水層及離石組弱含水層組成，極易接受降雨補(bǔ)給，側(cè)向補(bǔ)給充分。隔水層主要為新近系保德組紅土，發(fā)育在第四系含水層和風(fēng)化基巖含水層之間，最厚可達(dá)134 m，存在局部尖滅缺失，整個(gè)榆神礦區(qū)紅土缺失區(qū)面積達(dá)63.5% (圖2)。

圖2 榆神礦區(qū)紅土厚度分布Fig.2 Red clay thickness distribution in Yushen mining area

從地質(zhì)特征來說，紅土隔水層的缺失，導(dǎo)致第四系含水層與風(fēng)化基巖含水層之間存在水力聯(lián)系的可能。而通過礦井涌水特征和水化學(xué)特征則更好的說明了這一現(xiàn)象。在榆神礦區(qū)I 期規(guī)劃區(qū)內(nèi)西中部，曹家灘煤礦東西兩翼盤區(qū)同時(shí)開采，東翼紅土分布均勻，厚度平均為62.3 m，而西翼紅土逐漸尖滅，在礦區(qū)西部邊界存在紅土缺失區(qū)位于東翼的122108 工作面涌水量(圖3(a))隨開采過程逐步增大至487 m3/h。期間遇到多個(gè)富水區(qū)，導(dǎo)致涌水量呈現(xiàn)多次突然增加。2022 年3 月工作面完成后涌水量持續(xù)減少。西翼盤區(qū)和東翼盤區(qū)的涌水量不在同一水平，位于西翼的122109 工作面(圖3(b))于2021 年7 月回采完畢，目前涌水量穩(wěn)定在650 m3/h。西翼122107 工作面于2021 年7 月開始回采，涌水量持續(xù)增加。目前最大涌水量已接近1 000 m3/h (圖3(c))。另外，對開采過程中和開采后涌水的水化學(xué)特征進(jìn)行了測試，并利用隨機(jī)森林模型進(jìn)行了水源識別[28]。通過輸入水樣測試數(shù)據(jù)后，先對每棵決策樹進(jìn)行單獨(dú)判別分類，然后選擇分類結(jié)果最多的類別作為最終輸出。判別結(jié)果得分見表1，得分越高表明來自該含水層的可能性越大。122108 工作面回采期間和回采后涌水量分別來自基巖含水層和風(fēng)化基巖含水層。122107 工作面回采期間和回采后涌水分別來自風(fēng)化基巖含水層和第四系含水層。122109 工作面開采后涌水來源于第四系含水層。

表1 礦井涌水水源判別結(jié)果Table 1 Water inflow source prediction results

圖3 曹家灘煤礦工作面涌水量歷時(shí)曲線Fig.3 Duration curves of water inflow rate in working face of Caojiatan Coal Mine

綜上，天窗補(bǔ)給型衍生式動力突水首先需要明確礦井水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，根據(jù)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育范圍確定直接充水含水層，以及上覆的間接充水含水層。其次根據(jù)地質(zhì)特征、水化學(xué)特征和涌水特征等判斷間接充水含水層在未被導(dǎo)水裂隙帶觸及，大量礦井涌水和超前疏放的過程中是否存在越流補(bǔ)給，進(jìn)而構(gòu)成衍生災(zāi)害。

2 衍生式動力突水的危險(xiǎn)性評價(jià)方法

煤層回采導(dǎo)致的頂板涌(突)水災(zāi)害發(fā)生的根本原因就是煤層回采形成的頂板導(dǎo)水裂隙帶溝通了上覆直接充水含水層并且含水層在回采工作面垮落范圍對應(yīng)的部位富水性較強(qiáng)。因此傳統(tǒng)頂板涌(突)水條件分析主要包括2 個(gè)方面內(nèi)容：煤層回采頂板垮落安全性分析和頂板直接充水含水層富水性分析。而在衍生式突水模式中，雖然導(dǎo)水裂隙并未直接溝通間接充水含水層，但其通過越流補(bǔ)給直接充水含水層，也參與到了礦井涌水過程當(dāng)中?；凇疤齑啊钡母拍睿P者對于透過原生天窗的部分成為直接天窗補(bǔ)給，對于經(jīng)過弱透水層的稱為間接越流補(bǔ)給，對于開采破壞造成的稱為次生劣化補(bǔ)給。此3 類越流補(bǔ)給共同構(gòu)成了衍生水害來源。筆者通過區(qū)分直接水害來源和衍生水害來源，定量計(jì)算直接與間接充水含水層之間的水力聯(lián)系，綜合判定衍生水害來源的補(bǔ)給強(qiáng)度和位置。綜合利用GIS 與權(quán)重計(jì)算模型結(jié)合，預(yù)測開采過程中礦山涌水優(yōu)勢響應(yīng)區(qū)，形成多元地學(xué)因素信息融合的煤層頂板衍生式動力突水危險(xiǎn)性定量預(yù)測模型與動態(tài)評價(jià)技術(shù)。

2.1 衍生突水模式的指標(biāo)體系

主控因素的合理選擇對評價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性起關(guān)鍵性的作用。通過區(qū)分直接和衍生水害來源，結(jié)合含(隔)水層的巖性差異、水力特性、構(gòu)造因素、地球物理參數(shù)、阻水性能等方面的系統(tǒng)分析，構(gòu)建了礦井衍生式動力突水危險(xiǎn)性評價(jià)的指標(biāo)體系，如圖4 所示。直接水害來源包括直接充水含水層富水性分析和煤層回采頂板冒裂安全性分析，衍生水害來源包括間接充水含水層富水性分析、水力聯(lián)系強(qiáng)度分析和煤層回采隔水層阻水性能劣化分析。

圖4 礦井衍生式動力突水危險(xiǎn)性評價(jià)體系Fig.4 Mine derived dynamic water inrush risk assessment system

主控因素可分為定量指標(biāo)、定性指標(biāo)與半定量指標(biāo)3 類。由于各控制因素之間的量綱不一致，甚至有些主控因素沒有量綱，不具有直接可比性，為消除預(yù)測模型主控因素指標(biāo)值間的單位和量度的差異，需對主控因素指標(biāo)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和無量綱化處理。其中正向相關(guān)因素主要是富水性、構(gòu)造線密度、斷層交點(diǎn)與端點(diǎn)分布、斷層規(guī)模指數(shù)、水壓。各正向相關(guān)因素的指標(biāo)值越大越易誘發(fā)頂板突水。負(fù)向相關(guān)因素主要是有效隔水層厚度、隔水層阻水性能、脆性巖厚度。各負(fù)向相關(guān)因素的指標(biāo)值越小越易誘發(fā)頂板突水。

2.2 衍生突水模式的危險(xiǎn)性評價(jià)模型

(1)直接水害來源危險(xiǎn)性評價(jià)模型。衍生突水危險(xiǎn)性評價(jià)模型的構(gòu)建為直接水害來源和衍生水害來源危險(xiǎn)性的疊加。其中，傳統(tǒng)危險(xiǎn)性評價(jià)只包括直接水害來源的分析，即通過GIS 的空間信息處理和分析功能，將煤層回采頂板垮落安全性分析和頂板直接充水含水層富水性分析進(jìn)行耦合(式(3))。頂板垮落安全性由冒裂高度和其對應(yīng)的導(dǎo)水強(qiáng)度計(jì)算而得，首先通過采煤厚度計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，并減去含水層與煤層之間的基巖厚度獲得冒裂高度，通過含水層性質(zhì)進(jìn)一步確定導(dǎo)水強(qiáng)度(式(1))。富水性分析是引入富水性指數(shù)概念[6]，通過各主控因素與其對應(yīng)的變權(quán)權(quán)重[8]進(jìn)行耦合，通過信息處理與分析，應(yīng)用頻率直方圖對各個(gè)區(qū)域的富水性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，通過已知點(diǎn)進(jìn)一步擬合分析和反演識別，最終確定富水性評價(jià)的分區(qū)閾值，進(jìn)而構(gòu)建含水層的富水性評價(jià)模型(式(2))。

式中，IM為冒裂安全性指數(shù)；E為冒裂高度和導(dǎo)水強(qiáng)度之間的關(guān)系函數(shù)；C為導(dǎo)水裂隙帶計(jì)算函數(shù)；M為采煤厚度；M′為直接充水含水層以下的基巖厚度；(x,y)為對應(yīng)地理坐標(biāo)；IW,di為直接充水含水層的富水性指數(shù)；wi為影響因素變權(quán)向量；fi為單個(gè)因素影響值函數(shù)；、為常權(quán)向量；Si(X)、Sj(X)為m維分區(qū)狀態(tài)變的權(quán)向量；ID,di為直接水害來源的危險(xiǎn)性指數(shù)。

(2)衍生水害來源危險(xiǎn)性評價(jià)模型。天窗補(bǔ)給型的衍生水害致災(zāi)模式主要為間接充水含水層通過弱隔水層越流補(bǔ)給直接充水含水層，導(dǎo)致直接充水含水層富水性增大，進(jìn)而造成涌(突)水。所以，首先通過同樣的富水性指數(shù)法(式(2))對間接充水含水層的富水性進(jìn)行評價(jià)分區(qū)，之后利用隔水層的厚度、阻水性能和水力壓差對兩含水層之間的水力聯(lián)系強(qiáng)度進(jìn)行評價(jià)，再通過冒裂高度對隔水層的劣化程度，將水力聯(lián)系強(qiáng)度進(jìn)行修正，從而形成衍生水害來源危險(xiǎn)性評價(jià)分區(qū)，確定衍生水害的強(qiáng)度和位置(式(4))。最后將直接和間接水害來源的危險(xiǎn)性強(qiáng)度及分區(qū)進(jìn)行疊加耦合(式(5))，由式(1)～(5)共同構(gòu)成衍生突水危險(xiǎn)性評價(jià)模型，綜合判定天窗補(bǔ)給型動力突水的危險(xiǎn)區(qū)域。

式中，ID,de為間接水害來源的危險(xiǎn)性指數(shù)；H(h)為與隔水層厚度h有關(guān)的水力聯(lián)系強(qiáng)度關(guān)系函數(shù)；θ(h′)為與隔水層冒裂高度h′有關(guān)的修正函數(shù)，隔水層冒裂高度h′通過導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度減去隔水層以下基巖厚度獲得；IW,ind為衍生水害來源的危險(xiǎn)性指數(shù)；ID,t為綜合突水危險(xiǎn)性指數(shù)；ni為直接和衍生水害來源危險(xiǎn)性對應(yīng)的權(quán)重。

2.3 實(shí)例應(yīng)用

以榆神礦區(qū)曹家灘煤礦的衍生突水模式為例，利用衍生式動力突水危險(xiǎn)性評價(jià)模型，對12 盤區(qū)西翼的突水危險(xiǎn)性進(jìn)行綜合評價(jià)。

2.3.1 直接水害來源危險(xiǎn)性評價(jià)

以曹家灘煤礦12 盤區(qū)開采可采2-2 煤層厚度11.55～12.03 m，平均厚11.8 m?；? 個(gè)工作面的實(shí)測數(shù)據(jù)對計(jì)算公式進(jìn)行矯正，覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度和開采煤層厚度呈線性關(guān)系，通過導(dǎo)高與直接充水含水層以下基巖厚度相減，得到冒裂程度分區(qū)如圖5 所示，盤區(qū)中北部和西北角位置為非冒裂區(qū)，其余地區(qū)均有不同程度的冒裂?；诙嘣磾?shù)據(jù)融合和變權(quán)理論，對含水層的富水性進(jìn)行評價(jià)。通過對鉆孔數(shù)據(jù)的充分挖掘，選取含水層厚度、滲透系數(shù)、沖洗液消耗量、脆塑巖厚度比和巖心采取率作為富水性主控因素。通過對各個(gè)主控因素的分析并結(jié)合專家意見，依照9/9-9/1 標(biāo)度方法，確定各因素的量化分?jǐn)?shù)并以此構(gòu)建相關(guān)判斷矩陣，進(jìn)而計(jì)算出各信息的權(quán)重。為了體現(xiàn)各主控因素的改變對富水性的影響，進(jìn)一步反映各因素的權(quán)重，采用懲罰、不變、激勵和強(qiáng)激勵4 種模式調(diào)整某主控因素對富水性的影響作用，建立變權(quán)模型。結(jié)合GIS 的信息處理與強(qiáng)大的復(fù)合疊加能力，并運(yùn)用自然分級法將含水層富水性指數(shù)分為5 級，最終建立基于變權(quán)理論的頂板含水層的富水性評價(jià)空間分布(圖6)，122107 工作面開切眼部分和盤區(qū)中南部分富水性強(qiáng)。通過0-1 函數(shù)設(shè)置冒裂高度和導(dǎo)水強(qiáng)度之間的關(guān)系E，進(jìn)而得到直接水害來源的位置及強(qiáng)度分區(qū)(圖7)。

圖5 煤層頂板含水層冒裂安全區(qū)分區(qū)Fig.5 Coal roof aquifer caving and fracture safety zoning

圖6 直接充水含水層富水性分區(qū)Fig.6 Water-richness zoning of direct water-filled aquifer

圖7 直接水害強(qiáng)度分區(qū)Fig.7 Direct disaster intensity assessment zoning

2.3.2 衍生水害來源危險(xiǎn)性評價(jià)

頂板間接充水含水層往往近于地表，水量大且與生態(tài)保護(hù)息息相關(guān)，也是當(dāng)?shù)鼐用褚约肮I(yè)用水的主要含水層。根據(jù)現(xiàn)場水文試驗(yàn)選取含水層厚度、滲透系數(shù)與單位涌水量作為主控因素進(jìn)行間接充水含水層的富水性分區(qū)評價(jià)(圖8)。

圖8 間接充水含水層富水性分區(qū)Fig.8 Water-richness zoning of indirect water-filled aquifer

除了間接充水含水層的富水性以外，直接與間接含水層之間的隔水層阻水能力也至關(guān)重要，它們之間的水力聯(lián)系強(qiáng)度決定了衍生災(zāi)害的強(qiáng)度與位置。本次研究通過鉆探成果確定隔水層厚度分布，通過水化學(xué)特征確定產(chǎn)生水力聯(lián)系的臨界厚度，通過微觀和力學(xué)試驗(yàn)確定厚度與水力聯(lián)系強(qiáng)度的關(guān)系，最終確定兩含水層之間的水力聯(lián)系強(qiáng)度分布。

(1)隔水層厚度。本研究綜合曹家灘煤礦2003 年勘探、2012 年井筒檢查、2013 年補(bǔ)充勘探、2018 年水文地質(zhì)補(bǔ)勘、2022 年紅土探查和金雞灘煤礦補(bǔ)勘等鉆探成果，共計(jì)131 個(gè)鉆孔，利用克里金插值生成曹家灘煤礦12 盤區(qū)西翼紅土層厚度分布圖(圖9)。工作面開切眼部分存在紅土缺失區(qū)，向回采方向紅土厚度逐漸增大。

圖9 紅土隔水層厚度分區(qū)Fig.9 Red clay aquiclude thickness zoning

(2)水力聯(lián)系臨界厚度。通過水化學(xué)特征空間分布的研究(圖10)，結(jié)果顯示間接含水層中的Ca2+濃度在全礦區(qū)分布均勻，平均為1.06 mmol/L；而直接充水含水層風(fēng)化基巖中分布不均，在礦區(qū)西部邊界的紅土缺失薄弱區(qū)，Ca2+濃度比東區(qū)高約37%。通過進(jìn)一步對比發(fā)現(xiàn)，在隔水層厚度為0～10 m的風(fēng)化基巖地下水中Ca2+濃度為0.71 mmol/L，而當(dāng)隔水層厚度大于10 m 時(shí)，Ca2+濃度急劇降低，平均為0.52 mmol/L。由此判斷，當(dāng)紅土厚度為0～10 m 時(shí)，薩拉烏蘇組間接充水含水層與風(fēng)化基巖直接充水含水層具有良好的水力連通性。

圖10 不同紅土厚度下Ca2+濃度對比Fig.10 Comparison of Ca2+ content under different red clay thickness

(3)隔水層厚度與水力聯(lián)系強(qiáng)度關(guān)系。通過顆粒分析、XRD 測試、SEM 電鏡測試對比常規(guī)紅土和薄弱區(qū)紅土，結(jié)果發(fā)現(xiàn)薄弱區(qū)紅土隔水層中起主要阻水作用的黏性礦物減少47%，也就是說，在隔水層薄弱地區(qū)，隔水層的阻水厚度薄且阻水性質(zhì)差。基于Hantush-Jacob 越流公式推導(dǎo)和滲透試驗(yàn)擬合，給出紅土厚度與水力聯(lián)系強(qiáng)度關(guān)系公式為

式中，E為水力聯(lián)系強(qiáng)度；h為紅土厚度；H′為能夠產(chǎn)生阻水能力的最小厚度；H為能夠產(chǎn)生水力聯(lián)系的隔水層最大臨界厚度；α、β為修正參數(shù)。

需要注意的是，當(dāng)冒裂程度較強(qiáng)時(shí)，會導(dǎo)致隔水層劣化而使直接與間接含水層之間的水力聯(lián)系增強(qiáng)，本次研究中發(fā)現(xiàn)當(dāng)導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)入紅土隔水層以后會迅速減緩發(fā)育速度，并影響最終的發(fā)育高度，所以將計(jì)算得到紅土隔水層冒裂高度乘以修正系數(shù)作為最終冒裂高度，并通過紅土厚度減去最終冒裂高度作為紅土層的有效厚度進(jìn)行水力強(qiáng)度的計(jì)算。最后通過水力聯(lián)系強(qiáng)度和間接充水含水層富水性的疊加(式(4))，生成衍生災(zāi)害強(qiáng)度評價(jià)分區(qū)圖(圖11)。

圖11 衍生災(zāi)害強(qiáng)度評價(jià)分區(qū)Fig.11 Derivative disaster intensity assessment zoning

2.3.3 衍生突水模式的危險(xiǎn)性評價(jià)與分區(qū)

衍生突水模式危險(xiǎn)性評價(jià)的本質(zhì)是在導(dǎo)水裂隙帶分布范圍內(nèi)含水層富水性分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮煤層采動過程中造成衍生災(zāi)害的強(qiáng)度和位置分布。通過疊加直接和衍生水害來源的危險(xiǎn)性指數(shù)(式(5))，構(gòu)成頂板水害危險(xiǎn)性的綜合評價(jià)分區(qū)。即在“三圖法”的基礎(chǔ)上，運(yùn)用GIS 軟件對上述預(yù)測分區(qū)結(jié)果進(jìn)行復(fù)合疊加，最后得到曹家灘煤礦充水含水層涌(突)水危險(xiǎn)性分區(qū)圖(圖12)。根據(jù)分區(qū)結(jié)果可知，相對危險(xiǎn)區(qū)與較危險(xiǎn)區(qū)分布在122107、122109 工作面開切眼區(qū)域，相對安全區(qū)與較安全區(qū)分布在12 盤區(qū)西翼的中東部大部分地區(qū)。

圖12 頂板綜合突水危險(xiǎn)性評價(jià)分區(qū)Fig.12 Roof water inrush risk assessment zoning

2.4 衍生突水危險(xiǎn)性評價(jià)的驗(yàn)證分析

突水危險(xiǎn)性評價(jià)的準(zhǔn)確性是礦井開展水害預(yù)測預(yù)報(bào)和進(jìn)行防治水工程布設(shè)的基礎(chǔ)。本節(jié)首先通過瞬變電磁的物探數(shù)據(jù)，對直接充水含水層的富水性評價(jià)進(jìn)行驗(yàn)證，之后通過工作面不同位置的涌水量大小驗(yàn)證其對應(yīng)的危險(xiǎn)性分區(qū)。

僅對比122107 工作面的危險(xiǎn)性分區(qū)可知，由傳統(tǒng)直接水害來源形成的水害危險(xiǎn)性評價(jià)分區(qū)(圖7)中，危險(xiǎn)區(qū)僅分布在距開切眼0～500 m 的位置，而考慮了衍生水害來源的綜合危險(xiǎn)性評價(jià)分區(qū)中，危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，長度達(dá)到2 500 m。而在122107 工作面實(shí)際回采過程中，距開切眼1 600 m 和1 900 m 均發(fā)生了涌水量突然增大的情況(圖3)，此距離已遠(yuǎn)大于圖7 危險(xiǎn)區(qū)分布范圍。為了進(jìn)一步確定涌水量增大的具體原因，對122107 工作面頂板含水層進(jìn)行了瞬變電磁的物探研究，根據(jù)風(fēng)化基巖頂板電阻率分布(圖13)可以看到，距開切眼300 m 范圍內(nèi)存在低電阻異常區(qū)，其余位置電阻較高，這與風(fēng)化基巖富水性分區(qū)結(jié)果基本一致。

圖13 122107 工作面風(fēng)化基巖頂界面電阻分布平面Fig.13 Plan view of resistance distribution at the top of weathered bedrock at 122107 working face

在122107 工作面不同位置密閉墻涌水量(圖14)可知，此時(shí)工作面已回采到距開切眼3 500 m 左右，而距開切眼100 m 位置仍存在持續(xù)涌水的情況，密閉墻內(nèi)的水位和排水量處于動態(tài)平衡，此位置的涌水量約為100 m3/h，而同一時(shí)間，距離開切眼1 300 m 位置的密閉墻水位更高，排水量更大，涌水量達(dá)到了300 m3/h。

圖14 122107 工作面不同位置密閉墻的水位水量分布Fig.14 Distribution of water level and drainage at different locations at 122107 working face

綜上說明，通過對比瞬變電磁的物探數(shù)據(jù)，表明風(fēng)化基巖的富水性評價(jià)非常準(zhǔn)確，但是由此計(jì)算的直接水害來源危險(xiǎn)性分區(qū)與井下涌水量情況并不相符。也就是說，僅分析導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)的直接水害來源并不能準(zhǔn)確劃分涌(突)水危險(xiǎn)性分區(qū)，而結(jié)合衍生水害來源的綜合危險(xiǎn)性分區(qū)更加準(zhǔn)確。通過對比瞬變電磁和不同位置密閉墻涌水的數(shù)據(jù)，更加說明了存在衍生災(zāi)害源持續(xù)補(bǔ)給的情況，且本研究提出的方法可以更好地評價(jià)此類災(zāi)害的危險(xiǎn)性分布。

3 衍生動力突水綜合防治技術(shù)體系

“天窗補(bǔ)給型”衍生式水害模式往往會浪費(fèi)大量地下水資源，對地表生態(tài)造成巨大影響。本章依據(jù)“煤-水”雙資源的建設(shè)內(nèi)涵，充分掌握當(dāng)前防治技術(shù)的水平，將煤和礦井水共同視為資源，通過主動的開采技術(shù)方法和被動的水害防治技術(shù)，挖掘其“資源屬性”的正效應(yīng)，從而達(dá)到煤炭和水的“雙資源”共同開發(fā)與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展目的，最終實(shí)現(xiàn)煤礦區(qū)水害防控、水資源保護(hù)利用、生態(tài)環(huán)境改善的多贏目標(biāo)。

3.1 衍生式動力突水的主動防控體系

通過“煤-水”雙資源的建設(shè)內(nèi)涵，針對“天窗補(bǔ)給型”礦井的開采現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了衍生式動力突水的主動防控體系(圖15)，該體系可總結(jié)為“三查、一定、兩驗(yàn)證、兩跟蹤”十字方針，其擯棄了傳統(tǒng)“地質(zhì)、采礦、生態(tài)”三張皮、“先破壞后治理”的不恰當(dāng)做法，該協(xié)同開采架構(gòu)4 者間彼此相輔相成、互相制約，在增加計(jì)算生態(tài)成本的基礎(chǔ)上，劃分了2 種開采方式，從而確保高效開采煤炭資源的同時(shí)，也保障了生態(tài)水環(huán)境安全。

圖15 衍生式動力突水的主動防控體系Fig.15 Active prevention system of derivative dynamic water inrush

(1)“高效益”開采。本開采方式的內(nèi)涵是轉(zhuǎn)變噸煤成本的計(jì)算方式，將生態(tài)環(huán)境修復(fù)、塌陷地治理與賠償?shù)乳_采帶來的“次生災(zāi)害”產(chǎn)生的成本計(jì)算之內(nèi)，重新定義“高效益”開采。傳統(tǒng)的噸煤成本基本只計(jì)算了與生產(chǎn)相關(guān)的成本，后期治理成本完全忽略，實(shí)際上是“高效率低效益”開采。然而，隨著我國煤礦開采重心從中東部礦區(qū)向西部礦區(qū)轉(zhuǎn)移，其西部的地表生態(tài)脆弱性嚴(yán)重大于中東部，同樣的開采厚度中東部礦區(qū)地表生態(tài)的可修復(fù)度要大于西部礦區(qū)。如果繼續(xù)在西部現(xiàn)代化礦區(qū)延續(xù)中東部的開采模式，會對地下水生態(tài)環(huán)境造成極大的影響。因而，礦區(qū)在回采過程中，應(yīng)綜合核算噸煤成本，構(gòu)建“高效益”開采理念為礦區(qū)的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展奠定經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)。

(2)控制水位線的開采方式。依據(jù)西部因高強(qiáng)度開采給礦區(qū)造成的生態(tài)水環(huán)境影響，究其主要原因是高強(qiáng)度開采造成了大量的地下水資源破壞，潛水水位大幅降低。在地表植被所需最低的生態(tài)水位線、工作面水文地質(zhì)條件、周邊礦區(qū)覆巖破壞規(guī)律確認(rèn)的前提下，即“三查”工作確認(rèn)的前提下選擇最佳的開采方式是解決該問題的主要也是唯一辦法。然而，導(dǎo)致地下水位線的大幅下降，究其直接原因是高強(qiáng)度開采形成的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度達(dá)到并穿透了覆巖含水層，導(dǎo)致水體沿著形成的導(dǎo)水通道進(jìn)入了采空區(qū)或者潛水水體進(jìn)入了地表塌陷坑，最終使其水資源造成了破壞。因此，選擇合適的開采方式對地下水資源的合理控制以及確保地表生態(tài)植物的正常生長具有重要的作用。根據(jù)現(xiàn)礦井采煤方法兩大體系：短壁開采技術(shù)和長壁開采技術(shù)，該兩大開采技術(shù)的主要區(qū)別是因工作面面長不同，造成的采空區(qū)面積不同，最終體現(xiàn)為上覆巖梁破斷形式、導(dǎo)水裂隙帶高度不同，進(jìn)而影響工作面開采導(dǎo)水裂隙帶高度。

3.2 衍生式動力突水的被動防控體系

針對“天窗補(bǔ)給型”礦井，在不影響開采規(guī)劃的條件下，提出了衍生式動力突水的被動防控體系，該體系將采前多目標(biāo)疏降技術(shù)和采后局部精準(zhǔn)治理技術(shù)相結(jié)合(圖16)，在充分考慮地下水系統(tǒng)特征基礎(chǔ)上，降低含水層水位，切斷含水層之間水力聯(lián)系，在保障礦井安全的同時(shí)，減少超前疏放水量，同時(shí)對當(dāng)?shù)刭囈陨娴牡谒南禎撍挠绊戯@著降低，可有效解決生態(tài)水資源保護(hù)與礦井安全開采之間的矛盾，為生態(tài)脆弱性地區(qū)地下水資源的管理與礦井安全低碳開采提供了科學(xué)依據(jù)。

圖16 衍生式動力突水的被動防控體系Fig.16 Passive prevention system of derivative dynamic water inrush

(1)采前多目標(biāo)疏降技術(shù)[3]。本方法以系統(tǒng)工程和多目標(biāo)規(guī)劃為基礎(chǔ)，基于煤層頂板充水含水層地下水系統(tǒng)的特征參數(shù)來確定決策變量，并根據(jù)礦山生產(chǎn)安全設(shè)置涌水量約束目標(biāo)、根據(jù)生態(tài)環(huán)境安全設(shè)置第四系含水層越流補(bǔ)給量約束目標(biāo)、根據(jù)經(jīng)濟(jì)效益設(shè)置鉆孔和疏排水成本約束目標(biāo)，構(gòu)建多個(gè)目標(biāo)函數(shù)，然后構(gòu)建多約束條件下的分布參數(shù)地下水管理模型，并通過線性目標(biāo)規(guī)劃算法對分布參數(shù)地下水管理模型進(jìn)行求解，得到目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解集，實(shí)現(xiàn)礦井的疏放水執(zhí)行方案的構(gòu)建。基于該執(zhí)行方案，進(jìn)行礦井的超前疏放鉆孔布置、疏放水量及疏放時(shí)間的綜合管理，從而有效解決生態(tài)水資源保護(hù)與礦井安全開采之間的矛盾，在減少礦區(qū)疏放水成本、保證煤炭資源持續(xù)高效開采的同時(shí)，評估了研究區(qū)控水疏降的臨界值，防止整個(gè)地下水系統(tǒng)內(nèi)的水資源浪費(fèi)，避免了對礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境的破壞，為生態(tài)脆弱性地區(qū)地下水資源的管理與礦井安全低碳開采提供了科學(xué)依據(jù)。

(2)采后局部精準(zhǔn)治理技術(shù)。根據(jù)紅土隔水層薄弱區(qū)、物探和危險(xiǎn)性評價(jià)富水區(qū)與流場降落漏斗區(qū)的分布特征及工作面涌水情況，結(jié)合覆巖破壞觀測結(jié)果和覆巖破壞規(guī)律等條件綜合分析，借助于采動裂隙(圖17)，對采動后直接充水含水層富水區(qū)，進(jìn)行采后注漿；對揭露的直接充水含水層頂界面高壓劈裂注漿，內(nèi)部分段注漿封堵導(dǎo)水裂隙，實(shí)現(xiàn)垂向封堵間接充水含水層，側(cè)向改造了直接充水含水層。采用“地面直孔+小半徑分支水平孔”和“長距離定向水平孔”至直接充水含水層頂部，選用高強(qiáng)度套管下至直接與間接含水層交界面位置，下部基巖層位注漿完成后，退孔至風(fēng)化頂界面加強(qiáng)補(bǔ)注，形成上下兩段聯(lián)合治理，同時(shí)根據(jù)實(shí)際施工過程中不斷更新的水文地質(zhì)參數(shù)，優(yōu)化施工方案，保證施工質(zhì)量。綜上，通過直接充水含水層改造與局部間接充水含水層底部隔水墊層再造，切斷直接與間接充水含水層之間的水力溝通，減少工作面的涌水量，保障生態(tài)脆弱區(qū)淺表水體的安全。

圖17 局部注漿治理技術(shù)示意Fig.17 Local grouting treatment technology schematic

4 結(jié)論

(1)初步總結(jié)了礦井衍生式動力突水的三大類型，分別是開采過程中激發(fā)上覆間接充水含水層越流的“天窗補(bǔ)給型”、開采過程中儲水空間和儲水量不斷增大的“離層災(zāi)害型”、開采過程中含水介質(zhì)不斷弱化的“導(dǎo)水通道增滲型”。

(2)深入探討了“天窗補(bǔ)給型”衍生災(zāi)害的孕災(zāi)條件，當(dāng)未被導(dǎo)水裂隙帶觸及的間接充水含水層參與礦井涌水，則構(gòu)成衍生災(zāi)害。

(3)提出了災(zāi)害衍生模式的評價(jià)方法體系，通過補(bǔ)充衍生水害來源的強(qiáng)度及位置，實(shí)現(xiàn)對頂板含水層涌(突)水危險(xiǎn)性的綜合評價(jià)。通過實(shí)例應(yīng)用與驗(yàn)證分析，新方法的評價(jià)分區(qū)更加準(zhǔn)確。

(4)通過開采方式的轉(zhuǎn)變，建立了“三查、一定、兩驗(yàn)證、兩跟蹤”的主動防治體系；通過采前多目標(biāo)疏降和采后局部注漿治理建立了被動防治體系。基于“煤-水”雙資源協(xié)同開采理念，通過主被動相結(jié)合的方式構(gòu)建了針對衍生水害模式的防治技術(shù)體系。