评价煤层顶板涌（突）水条件的“三图-双预测法”
摘 要：针对我国煤矿日益严重的顶板涌（突）水问题，提出了解决煤层顶板涌（突）水条件定量评价的“三图-双预测法”，并在开滦荆各庄矿和东欢坨矿得到成功的应用.在对荆各庄矿煤9顶板直接充水含水层的富水性和开采顶板冒落的安全性进行分区研究的基础上，运用多源地学信息复合叠加原理，提出了煤9顶板冒落涌（突）水条件综合分区的划分方案.最后运用国际先进的Visual Modflow 专业软件对即将回采的2099，2393两工作面的工程涌水量和顶板直接充水含水层的采前预疏放方案进行了动态预测.
关键词：“三图-双预测法”；顶板涌（突）水条件；工程涌水量预测；多源地学信息复合
分类号：TD742 文献标识码：A
文章编号：0253-9993(2000)01-0060-06
“Three maps-two predictions” method to evaluate
water bursting coditions on roof coal
WU Qiang, HUANG Xiao-ling,DONG Dong-lin
(Beijing Campus, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China)
YIN Zuo-ru, LI Jian-min, HONG Yi-qing, ZHANG Hou-jun
(Kailuan Mining Bureau, Tangshan 063018， China)
Abstract：In the light of more and more serious water bursting problems on roof of coal layers, a new method which is called as “three maps-two predictions” is put forward firstly. The method has been successfully applied to solve the roof water bursting problems at Jinggezhuang and Donghuantuo Coal Mine in Kailuan. On basis of division researchs for aquifer water-enrichment and inbreak in safety of coal seam No.9 in Jinggezhuang Coal Mine, the final comprehensive division program of water bursting conditions is presented through overlapping of multiple source geo-information. Finally, both water bursting inflows of mining faces 2099 and 2393 and beforehand dewatering program for the water-filling aquifer are predicted by utilizing advanced professional software Visual Modflow.
Key words：“there maps-two predictions”; water bursting condition in coal roof; prediction of engineering inflow; overlapping of multiple source geo-information▲
煤层底板突水问题一直是困扰华北型煤田煤炭工业可持续性发展的主要水患，其顶板水问题可用留设有效防水煤柱措施加以解决.但是，随着矿山开采深度逐渐加大和下组煤开采，顶板冒落沟通上覆含水层而导致顶板涌(突)水灾害发生或恶化工作面生产环境的实例日益增多，例如开滦矿务局目前近一半的生产矿井遭受顶板水害的严重威胁.以荆各庄矿为例，该矿自1979 年正式投产以来，共发生了3次大的突水事故，均为煤9顶板突水，突水水源是煤9上覆的煤5顶板砂岩裂隙含水层，其最大突水量高达44 m3/min，造成工作面整体被淹，生产被迫终止.另外，根据目前矿井涌水量实测资料统计，荆各庄矿煤5顶板砂岩裂隙水占矿井总涌水量的50%左右，即将开采的2099和2393工作面正位于断层带附近，故上覆充水含水层对矿井安全生产威胁很大.
因此，如何解决煤9回采的顶板涌(突)水条件定量评价问题，对扭转荆各庄矿目前煤炭生产的被动局面具有极其重要的理论指导意义和实用价值.
笔者根据多年工作实践，提出了解决煤层顶板涌(突)水灾害定量评价的“三图-双预测法”，即顶板直接充水含水层的富水性分区图、顶板冒落安全性分区图、顶板涌(突)水条件综合分区图及回采工作面整体和分段工程涌水量预测、顶板直接充水含水层采前预疏放方案预测.其中涌(突)水条件综合分区图由富水性和冒落安全性分区图复合叠加而成.
1 矿井水文地质背景
根据对荆各庄矿井水文地质条件的系统综合分析认为，与煤9顶板突水关系密切的主要充水含水层为煤5顶板砂岩裂隙含水层和第四系底部卵砾石孔隙含水层，它们分别是煤9顶板突水的直接和间接充水含水层，在两含水层之间存在一粉粘土弱透水层.
荆各庄井田东部和东南部以F1～F3断层组为界，其余部分以隐伏露头为界.由于第四系底部卵砾石含水层覆盖于整个井田之上，因此该含水层的边界条件属于二类流量边界；煤5顶板砂岩裂隙含水层四周均为隔水边界，在垂向上通过窄条状隐伏露头内边界接受上部含水层补给；底卵底部粘土层为一弱透水层，它的外边界均作为隔水边界，该层在矿区东南部不发育，致使底卵含水层几乎与基岩含水层直接接触，而在西北部发育较厚，底卵含水层与砂岩裂隙含水层的水力联系较弱.
2 煤9顶板充水含水层富水性分区研究
针对矿井水文地质条件的复杂多变性、各种勘探资料在地域上的局限性和在观测精度上的不真实性，笔者运用多源地学信息复合叠加原理［1］，尽可能多地挖掘了荆各庄矿自建矿以来的所有勘探资料，对各种水文地质物理场的地学信息进行了系统综合叠加处理，信息源之间相互对比印证，取得了很好的效果.
2.1 第四系底部卵砾石孔隙含水层
本含水层为煤9顶板突水的间接充水水源，根据现有资料对含水层厚度和渗流场特征进行了分析.
(1)含水层厚度 本充水含水层位于冲积层下部，厚度随整个冲积层的沉积厚度变化而变化，具有北薄南厚的特点，大、小极值分别为1.12和53.10 m，茅草营以北不足10 m，向南最厚达53.10 m.
(2)渗流场特征 根据底卵含水层抽水试验结果可知，其渗透系数由南向北逐渐增大，在井田南部大约为4 m/d，而在井田北部可达32 m/d，说明该含水层北部渗透性大于南部；含水层单位涌水量为0.93～2.25 L/(s.m)，由西向东逐渐增大.
综上可知，底卵含水层北部渗透性较好，南部却较差，而富水性从西向东逐渐增强，在东南部达到最佳.
2.2 煤5顶板砂岩裂隙充水含水层
通过对该充水含水层的岩性岩相变化、构造场、水化学场、抽水试验场、突水事件渗流场和钻孔冲洗液消耗量变化等6个方面地学信息的综合分析，提出了煤5顶板砂岩含水层富水性分区的划分方案.
(1)岩性岩相变化特征 在分析岩性岩相变化时，主要考虑了充水含水层厚度和脆性岩（以砂岩、粉砂岩为主）、塑性岩（以泥、页岩为主）所占的比例.该含水层中间厚、两边薄，在向斜轴附近较厚，大约为170 m.从轴线向东西两侧逐渐变薄，西部坡度较大，厚度变化明显，在边缘地带为30 m左右，东部坡度较小，厚度变化缓慢，在荆1和湾水3号钻孔附近略有波状起伏，在东部边缘大约也为30 m.煤5顶板砂岩裂隙含水层的厚度变化趋势与整个盆状向斜相符.
煤5顶板砂岩裂隙含水层主要由砂岩、粉砂岩和页岩组成，脆性岩厚度远大于塑性岩，其厚度为2.65～185.1 m，平均为80.81 m；而塑性岩厚度为0.025～66.07 m，平均12.73 m.脆性岩与塑性岩比值变化较大，荆26孔最小，为0.42，荆27孔最大，为152.03，在轴线以东，比值相对较小，一般为0.42～30，而在轴线西部，比值较大，多为30～150.
(2)构造场特征 荆各庄矿地质构造以断裂为主，褶曲不发育.落差大于3～5 m的断层共有50多条，走向主要为NEE向，其次为NW向，近似呈直角.因受来自南西和北西2个方向挤压力的作用，井田内节理裂隙以NEE向最为发育，其次为NNW（NNE）和NW向.在井田中部，地层产状平缓，节理面较陡，大部分在70°以上，有的甚至直立，而在边部，节理产状较缓.
(3)水化学场特征 根据钻孔水样六大常规离子的水质分析结果，井田东部水化学特征具有明显的一致性，故可划分为一个独立的水流系统.井田西部各钻孔的阴阳离子含量有所不同，这需要结合其它物理场信息进一步细化.
(4)抽水试验场特征 荆各庄矿煤5顶板砂岩含水层的单孔抽水试验资料显示，含水层的单位涌水量为0.206～1.942 L/(s.m)，平均0.974 L/(s.m)，渗透系数为1.586～8.945 m/d，平均4.617 m/d.二者的变化趋势为：单位涌水量由西向东逐渐变大，在湾水1号孔处达到最大，为1.942 L/(s.m)，表明含水层西部富水性差，东部富水性强，且由西向东均匀增大.含水层的渗透系数在湾37号孔最大，为8.945 m/d，其变化趋势与单位涌水量相同，由西向东逐渐增大，说明东部渗透性强于西部.但单位涌水量的最大点与渗透系数最大点却不重合，说明富水性最强的地段，其渗透性不一定最好，因此，仅据渗透系数不能说明含水层的出水能力.一个渗透系数较大的含水层，如果其厚度非常小，它的出水能力也是有限的.虽然湾37孔处渗透系数很大，但含水层的厚度较小，约为30 m，因而它的富水性不是最强.
(5)突水事件渗流场特征 根据对1096和1093工作面两次突水全过程资料的系统分析认为，荆各庄井田东部富水性明显强于西部，并且在整个突水过程中，沿主渗透方向观测孔的水位变化幅度最大.这与前面各物理场分析结论相符.
(6)冲洗液消耗量变化特征 对所有勘探钻孔柱状图的分析表明，几乎所有钻孔通过本层时均有冲洗液消耗，消耗量大于5 m3/h的钻孔占总数的58%，而且漏水严重的钻孔均分布在井田东部，这说明井田东部裂隙较为发育，其富水性较好.
另外在井田西南的向斜轴附近，冲洗液消耗量也相当大，呈纺锤型，冲洗液消耗量大于15 m3/h，说明此区富水性也较好.
综合上述各物理场的水文地质特征，经过多源地学信息相互验证，复合叠加，确定了该充水含水层富水性分区的划分方案（见图1）.整个井田共分为5个区，富水性由强到弱依次为A，B，C，D，E.A区内又以FE9断层为界分为两个区，A-1区的富水性强于A-2区.
图1 煤5顶板砂岩裂隙充水含水层富水性分区
Fig.1 Water-rich division map for sandstone
aquifer on coal seam No.5
3 煤9开采顶板冒落安全性分区研究
按照“上三带”理论，导水裂隙带发育高度是煤层开采顶板涌(突)水灾害发生的基础.目前我国大多数煤矿区均采用《矿井水文地质规程》的经验公式计算导水裂隙带发育高度［2］.但由于这些经验公式在考虑覆岩段的地层岩性组合和空间分布位置等方面较粗糙，实际应用误差较大.为此，笔者从覆岩段岩性岩相的变化入手，在系统查阅整理了144个勘探钻孔柱状图的基础上，对采用经验公式计算的导水裂隙带发育高度进行了合理的岩性岩相变化校正，效果较好.
3.1 煤9至煤5之间的覆岩段岩性岩相变化分析
煤9与上覆煤5顶板砂岩裂隙含水层之间仅存在7.52～76.44 m的覆岩段，主要以粉砂岩、砂岩和粘土岩为主，呈中间厚、两边薄的趋势，最厚处分布在荆21、荆19和湾39号钻孔附近，厚度大于70 m，向两侧逐渐变薄，东部变化较缓，西部变化较快，到达边缘处为20 m左右.覆岩段中塑性岩大部分位于煤9顶板或与砂岩互层.由于塑性岩厚度较小，在煤9顶板发生冒落时，位于煤9顶的塑性岩基本处于冒落带，起不到隔水作用.与砂岩互层的塑性岩石虽然有一定的隔水作用，但因厚度有限，其隔水作用不会太大.
3.2 导水裂隙带发育高度的计算
在开滦矿区，所采煤层均为缓倾斜煤层（0～35°），上覆岩石为砂岩、粉砂岩和泥岩等中硬型岩石，因而根据《矿井水文地质规程》采用如下计算公式，即
式中，Hl为导水裂隙带高度；Mi为煤层累计厚度；n为开采分层数.
3.3 煤9顶板开采冒落安全性分区
若导水裂隙带发育高度小于煤9至煤5之间覆岩段厚度，则顶板冒落时，煤5顶板裂隙水一般不会泄入巷道；反之，则会发生涌(突)水灾害.因此，将覆岩段厚度减去导水裂隙带发育高度，即可确定冒落安全区与非安全区的界限.但由于影响导水裂隙带发育高度的因素很多，除采厚外，开采方法、覆岩段岩性岩相变化及地质构造等均是其控制因素.因此综合考虑多方因素，确定了煤9顶板冒落安全性分区方案（见图2）.
图2 煤9开采顶板冒落安全性分区
Fig.2 Division map of caving in safety
for mining coal seam No.9
整个井田分为A，B，C，D，E 5个区域.最安全的区域是A区，该区导水裂隙带发育高度小于覆岩段厚度，E区最危险，其导水裂隙带高度远大于覆岩厚度.
4 煤9开采顶板涌(突)水条件综合分区研究
开采深部煤层导致顶板涌(突)水灾害发生，其充分必要条件是煤层回采形成的导水裂隙带沟通了上覆充水含水层,且直接充水含水层在回采工作面对应位置的富水性较强.
根据上述煤9开采顶板冒落安全性分区和煤5顶板砂岩裂隙含水层富水性分区的研究成果，笔者复合叠加两个分区所有地学信息，提出了煤9开采顶板涌(突)水条件定量评价的综合分区划分方案（见图3）.整个井田以向斜轴为界，分为A和B两大区.其中A区突水危险性小，因为该区上覆充水含水层的富水性较差，即使煤层开采顶板冒落至上覆含水层，也不会诱发大的涌(突)水灾害；B区则突水危险性较大，因为该区上覆充水含水层的富水性较好，而且在该区范围内，大部分区域导水裂隙带发育高度均大于覆岩段厚度.A区可进一步细分为2个子区，B区可细分为4个子区，其突水危险性由小到大依次为
A-1区→A-2区→B-1区→B-2区→B-3区→B-4区.
图3 煤9开采顶板冒落涌(突)水条件综合分区
Fig.3 Synthetic division map of caving in water-
bursting condition for mining coal seam No.9
5 煤9回采工作面顶板工程涌(突)水量动态预测
根据煤9顶板涌(突)水量预测的水文地质概念模型，应用国际上先进的Visual Modflow专业软件系统建立了三维数值模拟模型［3］，并利用1393工作面突水资料进行了模型识别，其拟合结果见图4和图5.
图4 煤5顶板砂岩裂隙含水层第四时段
观测孔水位与计算水位对比
Fig.4 Comparison map between observation level
and calculation level of fourth term in
sandstone aquifer on coal seam No.5
图5 煤5顶板砂岩裂隙含水层观测孔的
水位拟合
Fig.5 Water level fitting map for observation
holes in sandstone aquifer on coal seam No.5
应用Visual Modflow先进的Zone Budget功能，根据相邻工作面周期来压规律，对即将回采的2099和2393工作面的工程涌水量进行了随工作面不断向前推进（以周期来压步距为单位）的动态预测.随2099工作面的推进，其涌水量变化不大，变化范围为1.685～1.592 m3/min（见图6(a）).2393工作面涌水量则随其推进逐渐增大，由1.125 m3/min增加到2.17 m3/min（见图6(b)）.
图6 回采工作面工程涌水量动态变化曲线
Fig.6 Dynamic variation curves of engineering inflows in mining face
(a)2099回采工作面；(b)2393回采工作面
6 煤9顶板砂岩充水含水层采前预疏放渗流场预测
上述2个回采工作面的顶板涌水量预测结果表明，其涌水量比较大.因此，从荆各庄矿目前工作面的排水能力和提高及排水效益角度考虑，笔者对煤9顶板砂岩裂隙充水含水层进行了回采前预先疏放的预测计算.在此基础上，对煤9回采的2099和2393两工作面又进行了涌水量的二次动态预测，结果其预测涌水量大幅度减少.这些结论为荆各庄矿最终制定合理的防治水决策方案提供了极其重要的科学依据.
7 结论与建议
（1）“三图-双预测法”从对煤层顶板涌(突)水条件的定性综合分析，到回采工作面工程涌(突)水量和采前预疏放量的定量模拟预测，形成了一整套系统的研究思路和研究方法.
（2）煤层回采导致的顶板涌(突)水灾害发生的根本原因，就是煤层回采形成的顶板导水裂隙带沟通了上覆直接充水含水层，并且含水层在回采工作面冒落范围对应的部位富水性较强.因此顶板涌(突)水条件分析不外乎包括两个方面内容：煤层回采顶板冒落安全性分析和顶板直接充水含水层富水性分析.
（3）运用多源地学信息复合叠加原理，根据多个水文地质物理场的不同特征，相互对比验证，互相弥补不足，对充水含水层的富水性进行了系统综合分析.
（4）尽管本文在顶板导水裂隙带发育高度计算上未能彻底摆脱沿用《矿井水文地质规程》经验公式的弊病，但通过对大量勘探钻孔柱状图岩性岩相变化特征的系统研究，对裂隙带发育高度计算结果进行了岩性校正，因而其计算结果相对比较符合实际.笔者建议在有条件的情况下，应该采用应力应变分层数值仿真模拟方法计算煤层顶板“上三带”的发育高度.
（5）Zone Budget是目前国际上通用专业软件系统Visual Modflow 的一个独特功能，对预测精度要求较高的回采工作面的整体和分段工程涌水量的动态预测具有一定优势. ■
作者简介：武强(1959-)，男，教授，博士生导师.1991年在中国地质大学(北京)获得博士学位.主要从事矿井防治水、地质灾害和生态环境方面的研究工作.出版《华北型煤田矿井防治水决策系统》等专著3部，发表“GIS技术在预报煤层回采前方小构造的应用潜力”等论文60余篇.
作者单位：武强(中国矿业大学 北京校区，北京 100083)
黄晓玲(中国矿业大学 北京校区，北京 100083)
董东林(中国矿业大学 北京校区，北京 100083)
殷作如(开滦矿务局，河北 唐山 063018)
李建民(开滦矿务局，河北 唐山 063018)
洪益清(开滦矿务局，河北 唐山 063018)
张厚军(开滦矿务局，河北 唐山 063018)
参考文献：
［1］武 强.华北型煤田矿井防治水决策系统［M］.北京：煤炭工业出版社，1995
［2］赵全福 主编.煤矿安全手册［M］.北京：煤炭工业出版社，1992
［3］薛禹群.地下水动力学原理［M］.北京：地质出版社，1989
