华北型煤田矿井岩溶水涌(突)出机理与涌(突)水量预测方法探讨

傅耀军

(中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039)

华北型煤田叠置于奥陶系岩溶水系统之上，煤炭资源与岩溶水资源相伴、共存。煤炭开采，尤其是下组煤开采，往往对岩溶水系统形成干扰，甚至对岩溶水资源造成破坏。同时，高承压岩溶水又严重威胁着矿井的安全。由于对岩溶发育与岩溶水赋存规律、岩溶水系统发育规律与发育史、岩溶水系统动力学特征以及与之密切相关的承压岩溶水释放或涌(突)出机理等北方岩溶水诸方面认识的局限，因此，对承压岩溶水一旦释放或涌(突)入矿井，其流量(强度)及延续时间的累积水量预测的研究少有涉及或严重滞后。设防或防止水措施抑或事故应急处理，往往只能经验使然，不可避免地存在盲目性。

研究表明，不同岩溶水系统模式，岩溶水对矿井威胁程度及涌(突)水危险性不同，或者说，采煤对不同岩溶水系统水资源的干扰、破坏程度不同。矿井所处岩溶水系统位置及功能区域不同，岩溶发育、岩溶水赋存及岩溶水动力特征等不同，岩溶水对煤矿开采的影响及涌(突)水危险性、涌(突)水量也各不相同。

本文从奥陶系岩溶水系统的形成，岩溶水系统模式，岩溶水赋存及其动力学等特征方面入手，探讨承压岩溶水释放或涌(突)出机理，并应用非稳定流理论研究其涌(突)水量预测方法。

1 北方奥陶系岩溶水系统

1.1 岩溶水系统的形成

北方奥陶系岩溶水系统是地层、构造、地貌、水文、气候等自然因素共同作用、塑造而成，演化历史复杂、漫长。就其岩溶发育历程看，在奥陶纪之后的漫长地质年代，伴随着地壳律动，气候、水文变迁，古岩溶作用交替更迭，造就了纷繁的岩溶遗存，为岩溶水赋存提供了巨大地下空间，也为岩溶水系统发育奠定了物质基础。容易理解，岩溶地下水与地表水共同参与特定地质、地貌单元(或流域)的水循环，同步塑造了地表水系和岩溶地下水系统。因此，北方奥陶系岩溶水系统与同流域地表水系是相辅相成的伴生关系。这一认识，为从地表水系的发育、形成过程，研究岩溶水系统发育史及岩溶水赋存、运移的系统性规律，提供了水文依据和路径。

与南方岩溶地下水以地下暗河系统与地表水交织、转换为典型特征不同，北方岩溶水系统多形成岩溶水径流带系统，以岩溶泉(群)的形式集中排泄，反补于与之伴生的地表水系。

黄河中游流域和太行山东麓的海河流域是北方岩溶水系统及岩溶大泉集中发育区。以黄河及其支流汾河为例，150KaBP(距今15万年前)，黄河中游贯通，形成黄河东流入海，中更新世末或晚更新世初，黄河中游曾发育若干独立的沉积盆地，盆地贯通是黄河形成的重要标志。在150KaBP左右，三门峡古湖盆切穿，使得流经黄土高原、渭河地堑的河流汇集三门峡并东流入海，是现代意义上黄河形成的重要标志。中更新世末或晚更新世初，该区又经历了一次更为强烈的构造运动，并与当时温暖多雨的间冰期气候配合，形成现代汾河河谷的雏形。岩溶泉的形成及其岩溶水系统的发育、完善，应是河流贯通、形成之后，以及水系下切发育过程中，它们的形成时代有因果呼应关系。岩溶水系统是地形、地貌切割，岩溶水出露形成泉(群)后，在泉群集中排泄所控制的岩溶水动力场作用下，伴随着岩溶水径流带的发育逐步演化而成。岩溶水径流带是岩溶水对前期(古)岩溶继承、改造的结果，是北方岩溶水系统的基本特征。海河流域的太行山东、南麓岩溶水系统有着与之类似的形成过程，如，黑龙洞泉、辛安泉岩溶水系统等。图1为黑龙洞泉岩溶水系统径流带平面图。

1-第四系沉积物(其下伏层为石炭二叠系砂岩层)；2-石炭系和二叠系砂页岩夹煤层(其下伏岩层为奥陶系石灰岩)；3-奥陶系石灰岩；4-寒武系页岩夹灰岩；5-闪长岩体；6-断层；7-岩溶径流带(岩溶地下水脉)；8-黑龙洞泉群图1 河北峰峰黑龙洞泉群岩溶水系统岩溶径流带平面图Figure 1 Karstic water system runoff zone plan of HeilongdongSprings in Fengfeng, Hebei

1.2 岩溶水系统模式及其动力学特征

在长期系统研究、总结的基础上，梁永平研究员将我国北方岩溶水系统模式概括为5种类型，即单斜顺置型、单斜逆置型、向斜—盆地型、走向型和断块及其它型(表1)。单斜顺置型、单斜逆置型及向斜—盆地型数量多、规模(面积)大,具有北方岩溶水系统的典型特征(图2)。

表1 中国北方岩溶水系统模式特点汇总表

(a)单斜逆置型(顶板阻溢型)；(b)单斜顺置型(底板阻溢型)；(c)向斜-盆地型图2 北方岩溶水系统剖面水动力网示意图Figure 2 A schematic diagram of North China karstic water system section hydrodynamic network

由岩溶水系统剖面水动力网图2及表1可看出，单斜顺置型岩溶水系统(亦称顶板阻溢型岩溶水系统)，地层总体倾向与岩溶水径流方向相同，煤系地层主要分布在岩溶水系统下游的排泄区和滞留承压区，构成岩溶水系统的顶板阻(隔)水边界。在补给区同一钻孔中，岩溶水头随深度而降低；在排泄区，岩溶水头随深度而增高；在煤系地层分布的承压区，由于回流作用，使岩溶水头也产生随深度而增高的现象。因此，排泄区岩溶发育很深，一般可达到溶蚀基准面，并可向煤系地层分布的承压区发展。承压区岩溶发育深度与补给、排泄区水头差有关。而单斜逆置型岩溶水系统(亦称底版阻溢型岩溶水系统)地层总体倾向与岩溶水径流方向相反，煤系地层主要分布在岩溶水系统上游的滞留承压区。在补给区及滞留承压区，钻孔揭露岩溶水头随深度而逐渐加深，岩溶水有明显向下及顺层运动趋势；在排泄区，等水头线呈向上弯曲的弧形，水流有明显向上运动趋势。向斜—盆地型岩溶水系统则大面积被煤系地层所覆盖，岩溶水径流方向与地层倾向由相同转为相反，煤系地层多分布在岩溶水系统的承压径流区。受奥陶系灰岩埋深等因素控制，埋深较浅者，岩溶水可穿过向斜轴部向排泄区运动；深者，岩溶水不穿越向斜轴部，而是在翼部浅循环形成泉群。

岩溶水系统模式所决定的岩溶发育、岩溶水赋存规律及岩溶水动力网特征，为分析、研究煤矿井岩溶水释放或涌(突)水机理和规律，及岩溶水防治与合理开发利用提供了水文地质依据。

2 华北型煤田矿井岩溶水涌(突)出机理

华北型煤田岩溶水系统模式及其岩溶水动力学特征，决定了其煤(采煤)、水(岩溶水)关系的基本格局。单斜顺置型及向斜—盆地型岩溶水系统之上的矿井(工作面)，多位于岩溶水系统集中排泄区—泉群出露河床标高之下，属径流承压或滞留承压区，岩溶水动力特征决定其涌(突)水危险性或概率通常高于其它系统模式(与单斜逆置型岩溶水系统比较尤为明显)。

岩溶水径流带所控制的岩溶水网络系统，使得岩溶水赋存、分布在空间上极不均匀，这与构造对岩溶发育规律的控制相一致。因此，在构造不发育(或发育简单)，灰岩相对完整的区段(块)，岩溶不发育，岩溶水贫乏甚至为无水区。这些区段(块)之上的矿井(工作面)，也就无水可涌，无突水危险性可言。构造发育区段(块)，岩溶相对发育，岩溶水相对富集，往往构成岩溶水网络的一脉或局部，采掘工程一旦揭露其延展于煤系地层中的形迹要素，往往引(诱)发岩溶水弹性释放，类如定降深承压水流，形成矿井涌(突)水。

由岩溶水系统模式及岩溶水动力学特征不难看出，岩溶水弹性释放是承压滞留区矿井岩溶水涌(突)出的本质特征。

大量岩溶水害案例表明，奥陶系和煤系共同发育的张性断层、裂隙带及岩溶陷落柱，其煤系层段是岩溶水弹性释放的主要途径或通道(表2)。如图3所示，F2、F3断层因未一并切割奥陶系和煤系，采掘工程中不易或不能引(诱)发岩溶水弹性释放；F4断层虽发育于煤系和奥陶系中，但因其压扭性，断层带岩性致密，通常岩溶不发育，不能构成岩溶水网络系统的有效组成，因此也难以引(诱)发岩溶水弹性释放；唯有F1断层，其断层带张性裂隙发育，在灰岩中往往形成岩溶发育带和富水带，是岩溶水网络系统的重要组成部分，其煤系层段也往往具有相对好的含(透)水性，构成岩溶水弹性释放涌(突)入矿井的通道(天然状态下，往往是岩溶水系统与煤系砂岩地下水系统水力联系的通道)。这种连接岩溶水网络系统与采空区，具有透水空隙的断层、裂隙带及陷落柱，称为岩溶水弹性释放或涌(突)水通道。

采掘工程揭露岩溶水弹性释水通道，造成岩溶水涌(突)出的方式大体可分为两种，一种是一触即发式，意指一经揭露即刻涌(突)出。往往天然状态下，煤层顶板地下水系统与下伏岩溶地下水系统一通过上述通道保持着水力联系；另一种是滞后延迟式，通道在岩溶水顶托“压裂”及压差作用下，或逐渐开裂、或扩大，进而连(疏)通，引(诱)发岩溶水弹性释放。释水流量通常有小渐大，进而衰减直至断流。这一过程同样存在于一触即发式。这种在水压作用下，介质(通道)开裂、扩大、连通的原理与油气层水力压裂相似。根据水力压力学原理，只要有足够的压力液及使裂隙延伸的压力，裂隙就会沿阻力最小的方向发展；同时在水压裂扩容作用下，在主裂隙周围产生“翼”状次生裂隙，形成局部剪切贯穿裂隙带。采煤工作面(采空区)的形成，改变了地层的应(压)力平衡，形成承压岩溶水与煤层底板间的水头压差即水力梯度，张性断层、裂隙带所控制的岩溶水网络中的承压水，在水头压力作用下，对连接其与采空区的构造带施以类如水力压裂的揳劈作用，压裂裂隙逐渐扩大、连通，形成岩溶水弹性释放通道。显然，通道形成速度、规模与岩溶水承压水头，岩溶水与采空区间的水力梯度，构造带岩性结构及厚度有关。图4显示了天然裂隙与压裂裂隙的相互作用关系。

表2 华北型煤田煤矿岩溶水主要突水淹井一览表

(据《煤矿防治水手册》)

图3 岩溶水涌(突)水通道示意图Figure 3 A schematic diagram of karstic water inrush (bursting) channel

图4 天然裂缝和水力裂缝的相互作用Figure 4 Interaction between natural fissures and hydraulically fractured fissures

承压岩溶水弹性释放，流量往往随着通道的形成由小变大，水流由清变浊，而之后的由大变小，由浊变清，逐渐衰减，则是由于承压水头逐渐降低，岩溶水弹性释放逐渐减少所致。

3 岩溶水涌(突)水流量、累积涌(突)水量预测

3.1 岩溶水涌(突)水流量预测

张性断层、裂隙带及陷落柱的煤系层段是奥陶系岩溶水释放涌(突)入矿井的主要通道。当采掘工程揭露与岩溶水裂隙网络系统相连的通道时，承压岩溶水通过压裂、揳劈等作用，疏通通道，进入矿井，岩溶水承压水头即刻降至接近煤层底板，岩溶水弹性释放形成定降深承压自涌水流，类如定降深承压自流井(群)(图5)。

图5 张性断层引发承压岩溶水弹性释放示意图Figure 5 A schematic diagram of confined karstic waterelastic release initiated by tensional fault

工作面(采掘工程)揭露通道形式，如图6所示。在目前地震等勘探精度及采煤技术条件下，通常设计工作面所及断层规模较小(断距一般小于5m)。

图6 工作面释水通道示意图Figure 6 A schematic diagram of working face waterrelease channel

前已述及，承压岩溶水弹性释放涌(突)入矿井，水头降至接近煤层底板，属定降深自涌承压水流，假定其满足非稳定流完整井定降深井流条件，则可用非稳定流定降深井流理论研究、预测(计算)承压岩溶水释放即涌(突)水流量问题。在侧向无限延伸、均质各向同性含水层中，水头下降引起地下水从贮存量中释放是瞬时完成的。据此，非稳定流定降深井流可用下式描述，

(1)

式中：Q-自流井流量，m3d-1；

Sw-自流井降深，m；

T-承压含水层导水系数，m2d-1；

a-承压含水层水头扩散系数或压力传导系数，m2d-1；

t-自流井涌水时间，d。

图7 G(λ)-λ(Q-t)曲线Figure 7 G(λ)-λ(Q-t) curve

基于承压含水层弹性释放的非稳定流理论，及其定降深井流方程，为华北型煤田矿井承压岩溶水涌(突)出流量及累积水量预测等提供了科学方法。

通常情况下，华北型煤田下伏奥陶系岩溶含水层可概化或理解为无限承压含水层。由(1)式可知，在已知岩溶水系统模式、矿井所处岩溶水系统位置，获取岩溶承压含水层水文地质参数、岩溶水承压水头(由煤层底板或揭露通道处算起)等数据及探获工作面将揭露通道空间展布特征情况下，将经突水危险性评价为危险区域的构造之线状过水断面和释水通道(图5、图6)，概化成环状过水断面和释水通道，线状过水断面长度等效于承压自流井含水层段井壁周长，就可用非稳定流定降深承压水井流方程预测断层、裂隙带、陷落柱等线形构造可能引(诱)发的涌(突)水流量及其动态变化。

设r线为概化自流井灰岩(出水)段半径，则，

(2)生产指标大幅改善。产品数质量得到优化，矸石损失降低2百分点、洗混煤损失下降4百分点，综合回收率提高1百分点，精煤回收率提高1.5百分点，增加销售收入约3 600万元。

(2)

式中：L-揭露线状构造长度，m。

用S定表示概化自流井定降深，即由煤层底板算起的岩溶水承压水头，与(2)式一并代入(1)式，则得预测岩溶构造可能的涌(突)水流量(Q涌)

公式，

(3)

此为华北型煤田矿井岩溶水涌(突)水流量预测公式，简称岩溶涌(突)水流量公式。

图8为给定合理的岩溶含水层水文地质参数值及S定、L值，由(3)式给出的涌(突)水流量与岩溶含水层水文地质参数、要素关系曲线。反映出的流量随时间延续而衰减之特征，与图7G(λ)-λ曲线特征相同；Q-T曲线表明，涌(突)水流量与岩溶含水层导水系数为线性关系，随着导水系数等幅增加，涌(突)水流量几乎呈倍增式加大；Q-S定曲线呈现出，涌(突)水流量随定降深加大，呈直线上升(加大)趋势；Q-u﹡曲线显示，随岩溶含水层贮水系数增大，涌(突)水流量增大，且有增速加快趋势；Q-L曲线反映出，涌(突)水流量随岩溶构造规模(过水断面长度)增大而加大的趋势，但增速逐渐变缓。

图8 Q-t、T、L、S定、u※关系曲线Figure 8 Relationship curve betweenQ-t,T,L,Sconstant andu※

3.2 累积涌(突)水量计算

矿井累积涌(突)水量，简称涌(突)水量，指承压岩溶水涌(突)过程中，从始涌(突)延续到某时间点(或某时间段内)涌(突)入矿井的总水量，为体积量。

由(1)、(3)式可知，岩溶含水层水文地质参数、定降深及线状构造长度确定，涌(突)水流量随时间延续而衰减，流量是时间的函数，即，

(4)

(5)

设起算时间为t1(t1>0)，截止时间为t2(t1

(6)

(6)式为承压岩溶水矿井涌(突)水量预测公式。由定积分原理可知，W为图9所示曲边梯形面积。至此，用计算程序或科学计算器可快捷计算(预测)任意延续时间的岩溶水涌(突)水量。

图9 涌(突)水量定积分计算Figure 9 Definite integral computation of water inrush(bursting) flow

例如，某煤矿井，根据抽(放)水试验资料获得奥陶系岩溶含水层导水系数T=200m2/d，贮水系数u※=10-4，由煤层底板算起的岩溶水承压水头为500m(S定=500m)，工作面揭露一条发育于煤系和奥陶系的正断层，所及长度20m(L=20m)。用上述方法可预测该断层一旦涌(突)水，其最大涌(突)水流量，之后任意时间的涌(突)水流量及任意时间段的总涌(突)水量。用Q(0.5)、Q(5)、Q(10)分别表示涌(突)水0.5h、5h、10h的流量，W5、W10、W15分别表示从0.5h到5h、10h、15h的涌(突)水量，相关数据输入程序，即得预测水量，

Q(0.5)=5 729m3/d

Q(5)=4 575m3/d

Q(10)=4 314m3/d

Q(15)=4 174m3/d

W5=22 092m3

W10=44 226m3

W15=65 419m3

矿井涌(突)水量预测可为矿井排水系统及防治水工程等提供科学依据，将有效提升矿井岩溶水防治水平。

4 相关问题再述

岩溶泉群及其岩溶水系统形成地质年代和与地表水系相辅相成关系的分析、研究，为通过地文期比对及新构造运动作用研究，进一步揭示岩溶发育和岩溶水赋存规律，进而精细刻画岩溶水系统特征，提供了地质、地理及水文等因素的时、空依据。

岩溶水强径流带控制的岩溶水网络系统是北方岩溶水系统的基本特征，也是岩溶水赋存不均一的根本原因。岩溶水系统模式的研究，揭示了不同模式岩溶水动力学特征，对矿井岩溶水防治有重要指导意义。

矿井涌(突)水是承压岩溶水弹性贮存的释放，属非稳定流范畴，可用非稳定流理论描述、模拟并定量评价。

承压岩溶水对断层、裂隙带及陷落柱煤系层段的水力压裂作用，是引(诱)发承压岩溶水弹性释放或涌(突)出的重要因素。水力压裂作用始于采掘空间形成，煤层顶、底板地下水系统间水压失衡之后。天然状态下，煤层顶板地下水系统与底板岩溶地下水系统水力联系的通道，经采掘工程揭露，往往构成承压岩溶水弹性释放通道。

岩溶含水层是由以溶隙、溶孔为主的岩溶空隙(主要是古岩溶遗存)构成的岩溶水网络系统，受构造控制，其所展布的空间即所谓岩溶含水空间。因此，引用非稳定流承压完整井井流公式是适宜的。将断层等线状构造概化成等长过水断面的井(孔)，未见先例，实际过水断面面积是所揭露断层带(岩溶裂隙带)充(释)水面积，若所揭露长度范围断层带(线状构造带)连续充水，则概化合理。基于承压岩溶水弹性释放及非稳定流理论的矿井承压岩溶水涌(突)水预测，着眼于涌(突)水概率最大或有着最多涌(突)水案例的张性断层、裂隙带及陷落柱，一旦引(诱)发涌(突)水的流量(强度)及某时间段的涌(突)水总量，深化和丰富了“涌(突)水危险性评价”的内涵，突破了岩溶涌(突)水难以预测的禁锢，将促进矿井岩溶水防治更科学、主动和有效。

岩溶含水层(岩溶水系统)导水系数、贮水系数以及岩溶水承压水头(定降深)、线状构造规模对涌(突)水量影响直接而敏感，因此，应是勘查、研究的重点。有效的抽(放)水试验及获取相应精度的试(实)验数据，获取水文地质参数至关重要。

致谢：首都师范大学朱一心教授、河北地质大学彭建萍教授及中国地质调查局康宁帮助解决了定积分求解问题；中国煤炭地质总局勘查研究总院林恬编制了涌(突)水量定积分计算程序，赵岳、万贵龙给予了定积分问题的帮助，丁莹莹、赵欣、孙杰提供了黄河、汾河及太行山东麓河流发育史和油气层水力压裂的相关参考资料，韩金辉计算机绘制了全部图表。对他们的热心帮助和辛苦劳动致以衷心感谢。