煤层底板隐蔽水害危险源效应与定位实验研究

李攀峰

煤层底板隐蔽水害危险源效应与定位实验研究

李攀峰

(中煤地质集团有限公司，北京 100040)

近年来隐蔽于煤层底板的导水陷落柱和断层突水已造成多个矿井被淹，给企业带来巨大经济损失和安全威胁。为查明上述隐蔽危险源的水文地质效应，探索其定位方法，根据华北石炭–二叠纪煤田的水文地质条件，进行危险源位于测区内部的沙槽实验研究。实验显示：流场稳定后隐伏陷落柱效应表现为水头、水温和离子浓度等值线均呈同心的闭合圈状，危险源位于最大等值线闭合圈内；在危险源上游区水头等值线密度变小，下游区密度变大；温度和离子浓度等值线分布则相反，在上游区等值线密度变大，下游区密度变小。隐伏断层的效应表现为水头、水温和离子浓度的等值线均呈平行线状，危险源位于2条最大平行线之间。同样，水头等值线在危险源的下游区密度变大，上游区密度变小；温度和离子浓度等值线则相反。2种危险源的温度和离子浓度最大等值线范围都远大于水头等值线的范围和危险源的实际尺寸，而危险源实际位置都靠近等值线密度大的一侧。根据实验结果，提出图解法和流场拟合法2种定位危险源的方法，其误差都不大于6 m。本文关于危险源效应的检测方法可用于华北石炭–二叠纪煤矿底板隐蔽导水陷落柱或断层在薄层灰岩含水层中水头、温度和离子浓度效应的检测，为其定位和治理提供依据。

陷落柱；断层；隐蔽危险源；突水；沙槽实验；寻源定位；效应；华北石炭–二叠纪煤田

煤层底板隐蔽水害危险源—导水陷落柱和导水断层已造成华北许多煤矿突水淹井，据近30 a的矿井水害统计，19个煤矿发生了 21 次底板隐伏陷落柱和隐伏断层重大突水淹井灾害，其中15次突水水温超过 42℃。最严重突水灾害为2010年3月的骆驼山煤矿煤层底板隐伏陷落柱突水，造成32人死亡；最新突水淹井灾害为2018年鹤壁第五煤矿底板断层突水，造成矿井被淹。对于隐蔽危险源，目前尚无有效的物探方法，造成突水淹井的风险仍然难以控制。因此，开展煤层底板隐蔽水害危险源物理效应及溯源定位研究具有重要的实际意义。

国内煤层底板突水研究程度较高，先后出现了“下三代”理论[1]、“原位破裂”理论[2]、“关键层”理论[3]、“下四代”理论[4]和“递进导升”理论[5]等，其中“递进导升”理论与隐蔽水害危险源相关，其导升高度的递进发展是底板突水的原因。基于该理论开发了突水前兆检测技术[6-7]；且多名学者分别利用水压对裂隙尖端强度因子影响，得出了不同的突水判别式。上述研究说明隐伏于煤层底板的导水断层为底板突水危险源，断层在向其穿过的含水层充水过程中，会造成水压、水温和离子浓度变化。

陷落柱突水机理的研究成果也比较多，主要有陷落柱因采矿而活化的理论[8-12]、薄壁筒破裂理论[13]等，但均与水文地质效应无关。陷落柱的形成机理已经有“膏溶”说[14]、“下蚀”说[15]和“内外循环”说[16]等。只有与热对流有关的“内外循环”说涉及陷落柱的温度问题。近几年柱状热源和离子源的模拟实验研究[17-18]发现地热和离子扩散过程中具有规律性较强的地温梯度场和离子浓度梯度场，这就使根据温度效应和离子浓度效应寻找陷落柱成为可能。

在华北石炭–二叠纪煤田，奥陶纪灰岩(简称奥灰)的水头、温度和离子浓度普遍高于其上覆的石炭–二叠系太原组灰岩(简称太灰)的水头、温度和离子浓度。因此，不论是陷落柱还是断层危险源，在太原组灰岩或砂岩含水层内必将产生水头、温度和离子浓度的效应，为危险源的检测与定位提供了依据。

总之，前人尽管已认识到导水断层和陷落柱是矿井水害危险源，但未对其产生的水头、温度或离子浓度效应进行过系统的现场检测或实验测试，因而无法对上述隐蔽危险源进行水文地质定位。笔者对这2种隐蔽危险源在煤层底板太灰含水层内产生的水头、温度和离子浓度效应进行检测实验，并根据实验结果对危险源进行定位研究，以期对物探方法形成补充，为危险源针对性的治理提供依据。

1 实验设计

1.1 实验平台结构

实验平台左右两端分别为进、出水仓，中间为沙槽(实验区)，沙槽长=0～240 cm，宽=0～80 cm，高=60 cm，侧方为危险源的供水水槽，如图1所示。在测区内设置40个监测点，每个点都可以检测温度、水头和离子浓度。

实验以华北石炭–二叠纪煤田底板地层结构安排水槽内含水层和隔水层组合，如图2所示。中部细砂层代表太原组灰岩含水层，渗透系数=0.047 m/d。含水层水源由图1中进水仓提供。含水层顶底板为膨润土，代表隔水层。含水层内的“立柱”为细砾石，代表陷落柱或断层，渗透系数=0.61 m/d。导水陷落柱或导水断层的水源由图1中陷落柱或断层供水槽提供，水压、水温和离子浓度均高于含水层。代表陷落柱发育于奥陶系灰岩内，终止于太原组灰岩含水层内，成为底板隐蔽水害危险源。

1.2 水文地质条件

含水层进出口水压分别由进水仓壁和出水仓的溢流孔控制，进水口水头恒定为1=450±1 mm，温度恒定为0=8.2±0.5℃，Cl–质量浓度恒定为0=4.50±0.5 mg/L，排水口水头恒定为2=442± 1 mm，初始水力梯度0=1/30。陷落柱或断层供水水头恒定为s=60±1 mm；Cl–质量浓度恒定为s=260± 0.5 mg/L，温度恒定为s=40±0.5℃。

图1 实验沙槽俯视图和含水层底板平面图

图2 沿水流方向沙槽内实验物理模型剖面图

断层和陷落柱的补给水源在含水层内已长期存在，且已形成稳定的流场，因此，采用稳定流为实验条件，模拟检测区内外的导水陷落柱或导水断层的水头、水温和Cl–在含水层内的效应。

1.3 实验方法

水头采用测压管测试，测试频率为1次/min，温度采用传感器测试，频率为10次/min，离子浓度采用复合电极测试，频率为2次/h。

1) 实验一：陷落柱水文地质效应检测

实验过程如下：① 在细砂含水层中心部位开挖ø100 mm的圆筒，填入细砾，测压管和温度传感器安装完成后，铺设顶板隔水层；② 观测并记录水头、温度和离子浓度直至最后两次变化量之比大于95%，实验结束；③ 绘制水头、温度和离子浓度等值线图。

2) 实验二：断层水文地质效应检测

实验过程如下：① 在陷落柱的正上方开挖，直至含水层；取出陷落柱内的所有物质；在含水层内通过原陷落柱位置开挖3 cm宽、垂直于箱体边的沟槽，直至含水层底板；在槽内充填细砾，直至充满为止；安装测压管、温度传感器后，用膨润土填埋顶板隔水层的沟槽。② 观测并记录水头、温度和离子浓度，方法同上。③ 绘制水头、温度和离子浓度等值线图。

2 实验结果

2.1 导水陷落柱的物理效应

2.1.1 水头效应

流场稳定后，测得水头等值线如图3所示。在靠近进水端和出水端水头等值线仍保持相互近似平行的状态，而越靠近陷落柱位置，水头等值线曲率和梯度越大，且基础流场下游方向的梯度大于上游，在陷落柱周围附近水头等值线形成闭合圈。

图3 陷落柱在流场稳定后水头等值线

2.1.2 温度效应

同一实验的温度数据也显示类似规律：越靠近陷落柱位置，温度等值线曲率和梯度越大，在陷落柱附近形成以陷落柱为中心的温度等值线闭合圈。但和水头效应不同的是，在基础流场上游方向的等值线曲度和梯度大于下游，温度传导范围小，温度发生明显变化的范围为40～60 cm。在顺水流方向上，温度扩展已到达出水端处。水头稳定时，温度还没有完全稳定，还在发生缓慢变化，在整个实验过程中，在危险源下游，高温区一直在上升，但基本格局不变，如图4所示。

图4 陷落柱在流场稳定后温度等值线

2.1.3 浓度效应

同一实验的Cl–浓度数据显示了与温度场类似规律：越靠近陷落柱位置，离子浓度等值线曲率和梯度越大，但基础流场上游方向的曲度和梯度大于下游，在陷落柱周围附近形成以陷落柱为中心的离子浓度等值线闭合圈，如图5所示。水头稳定时，离子浓度还没有完全稳定，在整个实验过程中，陷落柱外的离子浓度一直在缓慢上升。

2.2 导水断层的物理效应

2.2.1 水头效应

在基础流场稳定后，往断层内注入与前述实验相同的Cl–溶液。流场稳定后的水头等值线如图6所示，在断层两侧，水头等值线均密集，但在断层上游方向，等值线开始密度很大，然后迅速变缓进入平原区至进水口；下游方向，断层临近区域水头的等值线密度大，然后以均匀的坡度延伸至排泄端。流场总体上呈现出以断层线为界线，两侧形成平行的水头等值线，这一现象为断层危险源的定位提供依据。

图5 陷落柱在流场稳定后Cl–质量浓度等值线

图6 导水断层流场稳定后水头等值线

2.2.2 温度效应

水流场稳定后，在两盘形成与断层平行的等温线，如图7所示。从等值线可以看出，逆流方向上，温度的显著影响范围局限在断层30～40 cm；顺流方向上，温度等值线的密度变化不大，温度影响范围远较逆流影响的大，覆盖了从断层至排泄端的整个区域。温度从断层向两边成不对称下降的变化规律，为断层危险源的定位提供依据。但值得注意的是，温度最大值区域随着时间推移而不断扩大，在实验结束时，温度最大值区域已远大于断层带区域，这将对断层危险源的定位造成很大误差。通过比较，断层温度效应的影响范围比水头效应影响范围要大得多，两者之间的显著差别说明，温度效应的影响方向和范围受到水力坡度的影响较大，但最大等值线中直线度高的一侧靠近断层危险源。

图7 导水断层流场稳定后水温等值线

2.2.3 浓度效应

在水流场稳定后，Cl–浓度场如图8所示。在断层两侧形成狭长条带状的Cl–浓度等值线密集区。逆流方向靠近断层30 cm范围内，等值线密度大。30 cm以外区域等值线密度突然变缓，呈平原状态。顺流方向上，等值线密度变化不大，离子浓度影响范围远较逆流方向的大，覆盖了从断层至排泄端的全区。浓度从断层向两边成不对称下降的变化规律，为断层危险源的定位提供了理论依据。同样，离子浓度最大值区域随着时间推移而不断扩大，在水头场稳定时，浓度场仍在变化，浓度最大值区域已远大于断层带区域，但断层危险源靠近2条最大等值线中直线度高的那一侧。

图8 测区内流场稳定后导水断层水中Cl–质量浓度等值线

3 危险源定位

3.1 图解法

根据实验一和实验二的结果，测区内危险源效应的最大等值线有闭合圈和平行线2种形式。如果危险源为导水陷落柱，那么水头、温度和离子浓度的最大值等值线呈闭合圈，靠近闭合曲线直线度高的一侧为危险源位置，如图3—图5所示；如果危险源为导水断层，那么水头、温度和离子浓度等值线在断层两侧呈对称平行线，最大的2条平行线之间靠近直线度高的一侧为危险源的位置，如图6—图8所示。

3.2 拟合法

如果测点不足，指标差异不够大，水头、温度或离子浓度等值线可能难以出现完整的闭合圈或直线状平行线，而是呈现出多个闭合圈或放大的闭合圈图，或呈喇叭口状曲线。在这种情况下，人工难以准确地确定危险源的位置，需借助软件对流场进行拟合。

流场拟合实质上就是反演寻源的数值模拟技术，具体方法是先绘制出水头、水温和离子浓度等值线图，然后根据图形确定危险源是陷落柱还是断层，再在图中确定危险源可能存在的大区域，将大区域细分为与危险源尺寸相当的小区域，再将小区域作为危险源进行试算，最后根据相关系数确定危险源位置，即相关系数最大的试算结果定为最终的危险源位置。根据Pearson公式可得相关系数。

试算的含水层初边条件已知，危险源最大水头高度、最高温度、最大离子浓度、危险源大约几何尺寸均为已知，仅危险源位置待求。

如果3种指标计算出的危险源位置不完全重合，则以最大重叠区为准；如果没有重叠区，则以最靠近2个拟合区中心点连线的中点为危险源。现以算例对这一方法加以说明。

1) 算例一：测区内隐伏导水陷落柱的定位

初始条件和基础参数同实验一，不同的是测点数由40减少到10，但仍保持均匀分布。根据10个测点的数据绘出水头、温度和离子浓度等值线图，如图9—图11所示。在3张图上，上述指标等值线都分别存在1个闭合圈，可以断定危险源为陷落柱，且危险源就在该闭合圈内。但图9中实测水位等值线(黑线)和拟合水位等值线(灰色)最大值闭合圈都为椭圆形，拟合最大等值线闭合圈的长短轴分别为24、12 cm，远大于常见陷落柱的尺寸10 cm；将其划分为6个小区，再对各小区进行试算，最后得到A2和A3的拟合相关系数最大，取其中点为危险源所在位置。

图9 10测点时陷落柱等水头线及危险源拟合区

同理，10个测点时获得了温度等值线与Cl–浓度等值线，如图10和图11所示，显示为闭合圈形态的曲线，判断应为陷落柱危险源。拟合曲线所包围的区域都为浑圆形，因区域较大，将其划分为9个小区。拟合结果显示在A2小区和A7小区的拟合误差最小，定为危险源。

水头拟合的危险源中心与实际危险源中心偏离1.5 cm，因为陷落柱直径为10 cm，模拟得到的陷落柱中心落入实际陷落柱体内，施工钻孔不会漏探；温度和浓度拟合的危险源中心与实际危险源中心偏差分别为2.5、3.0 cm，危险源中心也都位于实际危险源内，不会漏探。

图10 10测点时陷落柱等温线及危险源拟合区

图11 10测点时陷落柱Cl–质量浓度等值线及危险源拟合区

2) 算例二：隐伏导水断层的定位

本算例的初始条件和基础参数同实验二。根据10个测点的数据绘出水头、温度和离子浓度等值线如图12—图14所示。在3张图上，各类等值线都呈平行线状，可以断定危险源为导水断层。根据实验结果，危险源应定位在2条最大的平行线之间。但图12中2条平行最大等值线的宽度为8 cm，大于断层带宽度(3 cm)，因此，将该区域再分为7个小区域，本着在两平行等值线间直线度高的一侧优先的原则，先拟合A区，依次为A，B，…，E。结果显示A区拟合相关系数最大，确定A区为断层位置，拟合得到的危险源位置和试验中实际危险源位置误差0.5 cm。温度和浓度也同样划分为7个小区进行拟合，分别是B小区和B区的误差最小，定为危险源位置，与实验中实际危险源误差 2 cm。3种拟合结果的重合区为=120～124 cm，=0～80 cm，将其定为最终的危险源中心位置。

图12 10测点时断层等水头线及危险源拟合区

图13 10测点时断层等温线及危险源拟合区

图14 10测点时断层Cl–质量浓度等值线及危险源拟合区

4 结论

a. 水头、温度和离子浓度等值线都呈现出以陷落柱为中心的闭合状，其中最大等值线闭合圈为陷落柱位置。

b. 水头、温度和离子浓度等值线都以断层为轴呈现出对称的平行线状，2条最大值平行等值线之间的区域为断层的位置。

c.底板隐蔽水害危险源是可以通过水头、温度和离子浓度效应采用图解法或拟合法进行定位。如果测点密度较大，陷落柱危险源则位于水头、温度和离子浓度最大等值线之内；断层危险源位于2条最大值等值线之间。如果测点稀疏，各类危险源需要采用场拟合法定位，拟合曲线相关系数最大者为危险源的位置。

致谢：中煤科工集团西安研究院有限公司王皓研究员为实验提供了平台，并在设备和材料上给予了帮助；实验和论文撰写过程中得到华北科技学院王经明教授的指导，在此一并表示衷心感谢！

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Hazard source effect and location experiment of concealed water disaster in coal seam floor

LI Panfeng

(China Coal Geology Group Co., Ltd., Beijing 100040)

The hydro-hazards, water-conductive collapse columns and water inrush from faults, hidden in coal seam floor have caused many coal mines flooded in North China, bringing huge economic losses and safety threats to enterprises. In order to study the hydrogeological effects of the hydro-hazards and hazards locating technology, the sand trough simulation experiments in which the hazard sources are located inside the measurement area are conductedbased on the hydrogeological conditions of Carboniferous-Permian coalfields in North China . The experiments show that, when the hydraulic field becomes stable, the effects of collapse columns are manifested by the concentric circles of the water head, temperature and solute concentration contours, with the hazards located in themaximum contour circles. Water head contours are denser in the downstream of the hazard source than those in the upstream, while the contours of temperature and solute concentration are denser in the upstream than those in the downstream. The effects caused by hidden faults present parallel contours, and the hazards are between the two maximum parallel lines. Similarly, the density of water head contours increases in the downstream region of the hazard source, while the density decreases in the upstream region. The temperature and concentration contours are reversed.. The areas constrained by the maximum contours of water temperature and solute concentration for the two hazard sources are much bigger than those constrained by water head contours, and the real size of the hazard sources. Both the sources lay closely to the zone with denser contours. The graphic method and flow-field fitting method to search hazards are proposed in this paper according to the experiments, both of which have an error of no more than 6 m. The technology for hydrogeological effect detection is suitable for detecting water head, temperature and solute concentration in the hidden water-conductive collapse columns or faults in the thin limestone aquifer of Taiyuan Formation presented by Ordovician karst water in Carboniferous-Permian Coalfields in North China, providing a basis for locating and controlling groundwater hazards.

collapsed column; fault; hidden hazards; mine water inrush; sand trough experiments; hazard searching; effects; Carboniferous-Permian Coalfield in North China

TD745

A

1001-1986(2021)04-0178-07

2021-02-24；

2021-05-25

中煤地质集团有限公司科技发展专项资金项目(ZMDZJTKJ-2019-03)

李攀峰，1980年生，男，安徽临泉人，高级工程师，从事煤炭地质及水工环勘查工作. E-mail：29105576@qq.com

李攀峰. 煤层底板隐蔽水害危险源效应与定位实验研究[J]. 煤田地质与勘探，2021，49(4)：178–184. doi: 10.3969/j. issn.1001-1986.2021.04.021

LI Panfeng. Hazard source effect and location experiment of concealed water disaster in coal seam floor[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(4)：178–184. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.021

(责任编辑 周建军)