基于双指标的底板突水危险性评价方法

朱开鹏

（1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安710054；2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安710077）

随着我国东部传统产煤区资源日益枯竭、开采深度日趋增大，全国煤炭产能逐渐向西部转移，蒙晋陕成为我国主要的产煤区，年产量约占全国煤炭总产量的70%，而处于3 个省交界的准格尔矿区属于全国14 大煤炭基地之首神东煤炭基地重要组成部分，为亿吨级煤炭生产区，现阶段受底板奥陶纪、寒武纪碳酸盐岩类岩溶裂隙承压含水层水威胁的生产矿井有9 对，均为现代化大型、特大型矿井，年度总产量约8 000 万t/a。科学合理地进行底板突水危险性评价和分区，制定有针对性的防治水技术措施，是解除底板承压水突水威胁、保障矿井防治水安全的关键。我国学者对底板突水机理及突水危险性评价问题进行了大量的研究，提出了突水系数[1-2]、下三带理论[3]、“原位张裂-零位破坏”[4]、关键层理论[5]、脆弱性指数法[6-8]等理论和方法。其中应用最为广泛的是突水系数法，其应用以及改进一直是研究的热点[9-15]，而突水系数临界值从根本上属于统计分析结果，表征的是突水发生的概率，所以针对突水系数本身的研究和改进始终只是在一定程度上提高了其预测的精度，但不能回答突水威胁程度这一问题。故单纯依靠突水系数指标无法进行全面的底板突水危险性评价，还需引入可表征充水强度的富水性指标进行综合评价。为此，以准格尔矿区6 煤带压开采为例，尝试在突水系数评价基础上，耦合富水性评价指标，综合评价底板承压含水层突水危险性。

1 研究区概况

广义的准格尔矿区位于黄河以西、煤层沉积边界以南、乌兰格尔矿区以东、蒙陕边界以北，包括薛家湾镇、大路镇、龙口镇、沙圪堵镇、布尔陶亥苏木镇等，面积约2 876 km2。狭义的准格尔矿区指奥陶系地层顶界面埋深约800 m 以东部分，主要位于薛家湾镇、龙口镇和大路镇的一部分，南北长约65 km、东西宽约21 km、面积1 365 km2，生产矿井均分布于这一区域。目前区域奥灰水位标高为+870 m 水平，有9 对生产矿井全部或局部面临底板承压水带压开采问题，处于带压分界线以西的块段属于本次底板突水危险性评价研究区，面积约350 km2，研究区位置示意图如图1。

研究区总体呈东部隆起、西部凹陷、走向近南北、向西倾斜的单斜构造，地层产状整体平缓，倾角一般小于10°，属华北型石炭二叠系煤田，主采煤层为太原组6 煤，其在研究区南部分叉为6 上、6 煤，统一以6 煤底板标高进行底板突水危险性评价。6 煤底板互层发育有以细砂岩、粗砂岩为主的薄层砂岩裂隙含水层，及以铁质泥岩、铝土质泥岩、黏土岩、9号煤层等为主的较为稳定的隔水层，煤系基底为寒武-奥陶系碳酸盐岩岩溶裂隙含水层。

研究区所在的准格尔矿区位于天桥泉域西北端，为整体倾向西的单斜构造，接受来自黄河及黄河东岸广袤的碳酸盐岩岩层裸露区的侧向补给，岩溶地下水在矿区北部自北东向南西径流，遇到西部滞流区边缘相对隔水边界受阻，在北高南低水力梯度作用下经矿区中部自北向南沿窑沟→龙王沟→黑岱沟→龙口方向径流，由位于矿区最南端的榆树湾泉排泄入黄河，水力坡度0.04‰～10‰左右，钻孔单位涌水量0.001～153.65 L/（s·m），富水性弱～极强。从补给区向排泄区，K+、Na+、Mg2+、Ca2+、SO42-、C1-离子含量明显增加，水化学类型呈现出HCO3-、HCO3--SO42-或HCO3--C1-的演化规律。研究区北部的不连沟矿位于补给区、唐家会矿位于滞流区，其他7 对矿井处于径流和滞留交界区，地下水动力作用强烈、渗透性好。

图1 研究区位置示意图Fig.1 Schematic diagram of study area location

2 双指标评价法

2.1 突水系数指标

突水系数法是进行煤层底板突水危险性评价的主要方法，20 世纪60 年代，在焦作水文地质大会战基础上，并综合分析峰峰、淄博和井陉等大水矿区底板突水经验，将底板隔水层厚度上承受的静水压力定义为突水系数，提出了相应的计算公式：

式中：Ts为突水系数，MPa/m；p 为煤层底板隔水层承受的水压力，MPa；M 为煤层底板隔水层的厚度，m。

众多专家学者对突水系数进行持续研究，提出了众多改进公式，其中主要的修订公式有：

式中：Cp为采矿对底板扰动的破坏深度，m；i 为各分层编号；n 为分层数；Mi为各分层厚度，m；di为各分层的强度比系数；h1为导升发育高度，m。

修订公式虽然考虑了矿压作用、开采方式、原始导升等因素，更全面地刻画了底板突水的物理概念模型，特别是式（2）曾经入选《煤矿防治水工作条例》推荐计算公式。但是这些修订的公式所依据的临界突水系数值均采用的是式（1）所确定的临界值，显然是不合适的。所以在2009 年编制《煤矿防治水规定》及2018 年正式实施的《煤矿防治水细则》仍规定采用式（1）计算突水系数，底板受构造破坏的地段突水系数一般不得大于0.06 MPa/m，隔水层完整无断裂构造破坏的地段不得大于0.1 MPa/m[16]。所以，依据突水系数指标的物理含义，制定下列判别标准，将带压开采区划分为突水小概率区、过渡区、突水大概率区。

2.2 富水性指标

在矿井水害防治领域，充水强度对应的指标是矿井涌水量，其最主要的预测方法是解析法和数值法，其核心参数为渗透系数，是描述介质渗透能力的重要参数。渗透系数与含水层厚度相乘即得到含水层的导水系数，其表示含水层导水能力大小。渗透系数与导水系数均无统一的分级标准，无法直接作为评价指标。而表征含水层出水能力大小即富水性的参数为单位涌水量，具有统一的分级标准。以有限含水层稳定流抽水试验模型为例，侧向径流平面边界示意图如图2。

单位涌水量与导水系数呈正相关关系[17-18]：

图2 侧向径流平面边界示意图Fig.2 Schematic diagram of boundary conditions in the plan view for horizontal flow in a confined aquifer

式中：q 为单位涌水量，L/(s·m)；T 为导水系数，m2/d；W1为井函数；d 为定水头边界间距离，m；D 为隔水边界间距离，m，rw为井半径，m；i 为叠加的虚井序号；h 为水位标高，m。

研究区水文孔单井稳定流抽水试验所计算的单位涌水量及导水系数也显示两者呈正相关关系，单井稳定流抽水试验q、T 统计表见表1，研究区q-T散点图如图3。

富水性指标可代替渗透系数和导水系数间接表征矿井涌水量大小，从而作为评价底板突水强度的指标，在华北型石炭二叠系煤田得到应用，主要用于解放受底板高承压水威胁的煤炭资源[19-21]，可按如下单位涌水量q 分级标准将底板充水含水层划分为弱富水区、中等富水区、强富水区、极强富水区：

2.3 双指标评价标准及流程

2.3.1 评价标准

双指标评价即从表征底板突水概率的突水系数指标与表征突水强度的富水性指标2 个维度进行底板突水危险性综合评价，将评价区划分为相对安全区、过渡区、危险区，双指标评价分区图如图4。

表1 单井稳定流抽水试验q、T 统计表Table 1 Statistical table of q，T insingle wellsteady flow pumping test

图3 研究区q-T 散点图Fig.3 Scatter diagram of q-T in study area

图4 双指标评价分区图Fig.4 Partition diagram for double indexes evaluation

1） 相对安全区。Ts≤0.06 MPa/m、q≤1 L/（s·m），发生底板突水概率小、含水层富水性弱～中等，做好超前探、地下水动态监测等常规防治水工作即可实现防治水安全。对应于图4 中①区。

2）过渡区。防治水措施得当、效果良好，可消除底板水害威胁，避免突水事故发生；未采取防治水措施，或防治水措施针对性不强、效果不佳，则可能发生底板突水；属于介于安全与危险之间的状态，故称为过渡区。是开展水害防治工作的重点关注区域，可细分为3 种类型5 个亚区：①Ts≤0.06 MPa/m、1.0 L/（s·m）＜q≤5.0 L/（s·m）及q＞5.0 L/（s·m），发生底板突水概率小，但含水层富水性强～极强，一旦发生突水则突水量相对较大，即突水严重程度相对较高，对应图4 中②③区，与突水系数法单指标分析结果相比，其主要变化在于提高了预防等级和重视程度，降低了主观上的麻痹大意，增加了底板水害防治的安全性；②0.06 MPa/m＜Ts≤0.1 MPa/m、q≤1.0 L/（s·m）及1.0 L/（s·m）＜q≤5.0 L/（s·m），发生底板突水概率相对较大，但含水层富水性弱～强，充水强度在可控范围内，配备具备防灾能力的防排水系统、规范开展超前探工作、配合注浆封堵及局部注浆加固等防治水措施，可实现底板水害的有效防治，避免底板水害事故。对应图4 中④⑤区；③Ts＞0.1 MPa/m、q≤1 L/（s·m），发生底板突水概率大，但含水层富水性弱～中等，即使发生突水，充水强度相对较小，不足以造成淹面、淹井等突水事故，对应图4 中⑥区，与突水系数法单指标评价结果相比，降低了评价等级，由危险区降至过渡区，避免了针对底板水害的“防卫过当”及“过度治疗”，在保障防治水安全的基础上解放了受底板承压水压覆煤炭资源。

3）危险区。Ts＞0.1 MPa/m、1.0 L/（s·m）＜q≤5.0 L/（s·m）及q＞5.0 L/（s·m），发生底板突水概率大、含水层富水性强～极强，极易发生淹面、淹井等突水事故，须采取区域超前治理、底板隔水层全面加固或含水层全面改造等措施，将突水系数和富水性均降至安全范围内方能进行回采，对应图4 中⑦、⑧、⑨区。

2.3.2 评价流程

双指标评价可划分为5 个步骤，即基础资料整理分析、突水系数法适用性判别、突水系数指标评价、富水性指标评价、双指标耦合评价，双指标评价流程图如图5。

3 底板突水危险性评价

3.1 突水系数指标评价

图5 双指标评价流程图Fig.5 Flow diagram for double indexes evaluation

研究区主采煤层为6 煤，在南部存在分叉现象，部分矿井同时发育有6 上煤和6 煤，统一按照6 煤进行评价。研究区底板采动破坏带实测值为19.5～34.9 m，测试工作面斜长244.5～250 m。而位于研究区南部的长滩矿工作面斜长仅有180 m，明显小于测试工作面斜长，所以实测资料不适用于长滩矿，需采用经验公式法计算底板带动破坏带h2：

式中：h2为底板采动破坏带高度，m；L 为工作面斜长，取180 m。

计算得长滩矿底板采动破坏带高度为20.12 m。

根据钻孔资料可知研究区底板隔水层厚度31.04～89.65 m，平均50.91 m，6 煤突水系数计算参数见表2。均未发现存在原始导升现象，即h1均为0。最小值位于研究区最南部长滩矿SK5-2 孔，亦大于该矿底板采动破坏带计算值，其他钻孔揭露的底板隔水层厚度大于35 m，均大于所在矿井底板采动破坏带实测值。所以各矿井均符合采用突水系数指标进行底板突水危险性评价的条件。

采用式（1）计算研究区6 煤突水系数，依据突水系数指标的判别标准，进行单指标底板突水危险性评价，底板突水概率分区图如图6。

基于突水系数单指标评价，研究区西南部个别块段突水系数大于0.1 MPa/m，处于底板突水大概率区，需通过疏水降压、底板改造等措施将突水系数降至安全范围内方能进行开采；研究区大部分区域突水系数小于0.06 MPa/m 的临界值，属于底板突水小概率区。但是通过国内众多矿井带压开采实践及突水案例可知，突水概率与是否发生突水事故无正相关性，不能因为处于突水小概率区就对底板水害防治的警惕性有所松懈，还应结合所在区域底板充水含水层的富水性指标，从危险程度的维度对底板突水危险性进行综合评价。

表2 6 煤突水系数计算参数Table 2 Calculation parameters of water inrush coefficient for coal No.6

图6 底板突水概率分区图Fig.6 Partition diagram for probability of floor water inrush

3.2 富水性指标评价

根据勘探资料，准格尔矿区奥陶纪-寒武纪碳酸盐岩岩溶裂隙含水层钻孔单位涌水量0.001～153.65 L/（s·m），富水性弱～极强。研究区内钻孔单位涌水量0.007～7.599 L/（s·m），表明部分块段补给充分、富水性极强，具备造成突水事故的物质条件。利用研究区钻孔数据，绘制底板灰岩含水层单位涌水量等值线图，按照富水性分区标准划分为弱富水区、中等富水区、强富水区、极强富水区，并绘制富水性分区图，研究区富水性分区图如图7。

图7 研究区富水性分区图Fig.7 Partition diagram for water abundance in study area

整体来讲，研究区北部及东南部富水性强～极强，一旦发生突水事故，灾害水量有可能超过矿井排水能力从而造成淹面甚至淹井事故，所以突水的危险程度较高。研究区东南部的富水性强～极强区域建设有岩溶含水层水源地，且井下钻孔超前探过程中涌水量可达到220 m3/h，稳定无衰减趋势。在这些块段一旦遇到底板隔水层薄弱区、断裂带发育区或垂向导水构造，必然增加矿井充水强度，甚至造成突水事故，属于突水危险性较大区域。

3.3 双指标评价

基于突水系数和富水性双指标对研究区6 煤底板突水危险性进行分区，底板突水危险性分区图如图8。

图8 底板突水危险性分区图Fig.8 Partition diagram for floor water inrush risk in study area

将图6～图8 对比分析，与传统的突水系数法单指标评价结果相比，主要有2 方面变化：

1）研究区北部由传统的相对安全区升级为过渡区，属过渡区的②、③亚区，该区唐家会矿、不连沟矿针对底板水害防治等级均需提高，分别采取了有针对性的防治水措施，如唐家会矿开展了针对断层带及煤层底板薄弱带的超前区域治理，不连沟矿开展了工作面回采前综合勘探及注浆治理，均取得了良好的效果，降低了底板水害隐患，避免了底板水害事故。

2）研究区西南部由传统的危险区降低为过渡区，属于过渡区的⑥亚区，将酸刺沟矿、黄玉川矿西部受底板承压水威胁的煤炭资源解放出来，在保障防治水安全基础上增加了经济效益，这2 对矿井不必因底板水害威胁而“故步自封”，其井巷系统可在做好相应防治水措施基础上向西部和深部延伸，以便超前合理规划采掘布局，科学组织矿井生产。

4 结果分析

1）在突水系数指标评价结果基础上耦合富水性指标评价结果，形成底板突水危险性综合评价结果，更符合研究区各矿井带压开采实际情况。例如，位于研究区北部富水性强区域的唐家会煤矿曾于2014 年5 月28 日井筒掘进过程中发生奥灰水突水淹井事故，延缓了矿井基建速度，造成了较大的经济损失，将其划分为相对安全区显然是不符合实际的，而双指标评价结果更符合其实际情况。总之，双指标评价法既提高了底板水害防治安全系数，又解放了受底板承压水威胁煤炭资源。

2）研究区主采煤层底板含水层以岩溶裂隙水为主，其不均一性和各向异性较强，所以富水性分区某种程度上由勘探程度决定，随着勘探程度的进一步提高，富水性分区也会相应变化，基于双指标的底板突水威胁性评价结果及相应的防治水措施也需做相应的动态调整。例如，龙王沟矿井田东部建有陈家沟门、唐公塔、苏计沟、永兴店等4 个水源地，说明该块段岩溶水富水性强、径流条件好，但水源地所在块段处于非带压开采区，所以对矿井生产无威胁；而位于井田西部的带压开采区已取得的勘探资料显示岩溶水富水性弱～中等，那么随着勘探程度的加深，如果发现带压开采区也发育有富水性极强的区域，则评价结果需做相应的调整，由过渡区升级为危险区。

3）本次划分仅利用具有代表性的钻孔资料作评价示范，属于大尺度的宏观性评价；各矿井在利用双指标法时，还需充分利用已有资料并辅以必要的勘探工作，进行更为精细的底板突水危险性评价，以确保评价结果的准确性、客观性。

4）根据研究区各矿井实际揭露情况，断层、陷落柱等垂向导水构造较为发育，构造控水规律较为明显，原则上所有发育垂向导水构造的块段均应划分为底板突水危险区。

5 结 论

1）基于突水系数统计学意义，将Ts≤0.06 MPa/m区域划分为突水小概率区、0.06 MPa/m＜Ts≤0.10 MPa/m 区域划分为过渡区、Ts＞0.10 MPa/m 区域划分为突水大概率区。

2）提出基于富水性及突水系数双指标进行底板突水危险性评价的判别标准，划分为相对安全区、过渡区、危险区，分别对应1 个、5 个、3 个亚区，并制定双指标评价流程，能够更科学精确地指导评价工作。

3）利用双指标法对准格尔矿区6 煤底板突水危险性进行评价，在研究区北部强～极强富水性区域提高了底板水害防治等级，在西南部弱富水性区域降低了防治等级，既提高了整个矿区底板水害防治的客观性，又解放了大量受底板承压水压覆的煤炭资源，是适用于该矿区的评价方法。