溃水溃沙多源信息评价与生产布局优化研究

张 坤，丁 湘，蒲治国，贺晓浪

(1.中煤能源研究院有限责任公司，陕西 西安 710054；2.中煤冲击地压与水害防治研究中心，内蒙古 鄂尔多斯 017200)

我国西部矿区主采煤层覆岩结构总体呈现浅埋深、厚松散沙层、薄基岩的特点[1]，尤其神府东胜矿区，随着该区煤矿开采强度的加大，覆岩破坏范围的增大，矿井水文地质条件日趋复杂，煤层顶板冒裂通道沟通上覆松散含水层而导致矿井发生溃水溃沙灾害的问题越来越严重[2，3]。现阶段关于矿井溃水溃沙灾害的预测预警主要从传统的工程地质、水文地质角度出发[4-7]，判断标准主要参考实践生产经验，在考虑一定保护层厚度的基础上，将导水裂隙带高度和有效隔水层厚度进行比较，进而预测矿井溃水溃沙危险性，预测评价方法较为单一，预测结果以宏观定性为主，不能准确地预测溃水溃沙事故的发生；针对溃水溃沙防治目前主要采用疏放水、注浆加固、降低采高或充填开采等手段，以上技术都是在既定的矿井采掘系统下开展的，事故的预防和治理均处于相对被动局面，在矿井采掘设计阶段，超前开展溃水溃沙防治的相关研究在国内尚属空白。

1 溃水溃沙致灾影响因素分析

煤矿溃水溃水灾害的发生条件复杂，影响因素较多，与煤层的赋存条件、开采技术特征、覆岩失稳破断规律等众多因素有关[8-10]。结合前人以往研究成果，综合分析导致溃水溃沙主要影响因素，研究认为形成溃水溃沙灾害必须具备4个条件，即“水沙源、通道、动力源、采动空间”，这四个要素的相互作用是导致溃水溃沙的内在机理[11-13]，上述四个条件必须同时具备，方可导致矿井溃水溃沙事故的发生。

1)水沙源分析。水沙是溃水溃沙事故发生的物质源，其与水沙的富水性以及水沙组合特征密切相关。含水层的富水性强弱、地下水侧向补给量及大气降水补给量决定静水压力的大小，对于中等强富水含水层，较大的静水压力赋存一定的水势动能，这为溃水溃沙灾害发生提供了动力源，水沙含水层一旦转化为直接充水水源，将造成巷道或工作面水沙溃涌的局面，而水沙溃入量的大小则取决于水沙含水层赋存条件以及空间组合特征。我国西部矿区基岩与水沙接触类型主要为基土沙(基岩顶面为黄土层，上部为松散沙层含水层)、基沙型(基岩顶直接为松散沙层含水层)，其中，基沙型更易发生溃水溃沙事故。

2)水沙流动通道分析。溃水溃沙通道的形成或存在是该类灾害发生不可或缺的条件之一，只有通过某种通道，水沙才能涌入到采空区或巷道空间。根据西部矿区浅埋煤层溃水溃沙事故分析，从溃水溃沙事故诱发通道不同，其主要类型可以分为沿煤壁侧切落型通道、冒顶诱发型通道两类。冒顶诱发型通道因人为影响因素较多，加强现场安全管理工作，完全可以避免事故发生。沿煤壁侧切落型通道，除受地质、水文地质等客观因素影响外，还受采掘活动影响，该类通道诱发形成影响因素复杂，通道的预判、控制以及防范难度较大。

3)动力源分析。含水沙层在采动之前存在一定的静水压力，该压力与松散含水层的厚度成正比关系，相对开采煤层顶板而言，含水层的静水压力赋存一定的水势动能，在含水沙层被水沙流动通道导通时，势能瞬间转化为动能，此时静水压力将对沙层产生劈裂作用，同时为克服阻力，地下水会对沙层施加动水压力，在静、动水压力相互作用下，水沙混合物将发生大范围移动，最终通过诱发通道涌入采空区或巷道空间，造成溃水溃沙灾害的发生。由于动水压力是发生溃水溃沙后，在地下水水头差的作用下水的势能转变为动能而产生的一种力，而溃水溃沙灾害预测属于预先评价，因此在考虑动力源因素时仅考虑静水压力对其影响。

4)流动空间分析。当含水沙层被诱发通道导通时，在静、动水压共同驱动下，水沙混合物沿着水流方向向出水口流动，如果出水口下侧存在充裕的空间，那么流动的水沙混合物将在一定大的水流驱动下向巷道、工作面和采空区汇集，短时间内将以上空间充填、覆没。如果被充填空间较小，即使有较强的水流作用，溃决的水沙混合物也只得堆积在溃决口的下方，进而阻止溃沙运动的进一步发展。因此，流动空间的大小将决定溃水溃沙发展程度以及危险性大小。

2 溃水溃沙危险性多源信息分区评价方法

由于引起溃水溃沙灾害发生的影响因素较多，如煤层赋存条件、开采技术特征、覆岩失稳破断规律等，目前通过少量的地质信息建立的预测评价模型研究方法较为单一，不能准确地预测溃沙事故的发生。

2.1 应用主要数学方法与基本理论

由前述可知，“水沙源、通道、动力源、采动空间”四要素的相互作用是导致溃水溃沙的内在机理，本次溃水溃沙危险性分区评价，将以上作为研究溃水溃沙的关键因素，运用GIS的空间分析功能将各主控因素数据归一化，并在建立消除量纲的各因素属性数据库后，按照AHP法标度原则构建判断矩阵确定各因素指标权重，根据确定的权重进行主控因素叠加得出溃水溃沙危险性性分区。基于GIS的AHP型溃水溃沙多源信息融合评价方法的基本计算流程是：利用GIS的空间信息处理能力对各种图形信息进行量化，建立GIS的属性数据库和空间数据库；建立层次结构评价模型，确定决策层指标因素，按AHP法标度原则构造判断矩阵，通过一致性检验，分层计算决策层指标因素的权重；最终再应用GIS的空间复合叠加功能对AHP的计算结果进行处理，处理结果以GIS的图形功能表达，并可实现GIS数据库的实时存储。运用AHP法标度原则进行决策时，递阶层次结构计算流程如图1所示。

图1 AHP法标度原则递阶层次结构计算流程

2.2 溃水溃沙多源信息主控因素确定

根据开采溃水溃沙致灾影响因素分析，通过3个层次对目标对象展开研究。将建立煤矿溃水溃沙危险性多源信息分区评价方法作为模型的目标层(A层次)；“水沙源、通道、动力源、采动空间”四要素的相互作用是导致溃水溃沙的内在机理，四要素的影响方式需通过与其相关的具体指标来体现，将这一中间环节定义为模型的准则层(B层次)；准则层(B层次)四个要素的具体体现指标构成了本模型的决策层(C层次)，通过对决策层(C层次)问题的决策，最终达到所要求解的目标。因此，从影响溃水溃沙的四个关键要素出发，最终确定决策层(C层次)采用沙层厚度、基采比、溃沙裂缝带发育高度、基岩风化指数、单位涌水量、饱水沙层厚度、渗透系数、采动影响指数作为影响溃水溃沙的评价指标。溃水溃沙危险性多源信息分区评价体系层次分析结构如图2所示。

图2 溃水溃沙危险性多源信息分区评价体系层次分析结构

2.2.1 沙层厚度

溃水溃沙事故发生的物源基础是“沙”，根据研究在相同的诱发通道条件下，沙层颗粒粒径越小、厚度越大，灾害发生时的溃沙量越大。沙层厚度取值应综合考虑钻探、物探等成果。

2.2.2 基采比

神东矿区部分浅埋工作面矿压显现统计见表1，由表1可知，在相同采高情况下，基采比(基岩厚度与采高之比)越小，越易发生整体切落式的台阶下沉，这种台阶下沉，很容易诱发溃水溃沙灾害。因此，将基采比做为研究分析矿压显现特征的重要影响因素，其取值方式为：基岩与荷载层厚度之比。

表1 神东矿区部分浅埋工作面矿压显现统计

2.2.3 溃沙裂缝带

以往传统经验认为，只有冒落带波及含水沙层才会引发溃水溃沙灾害，导水裂隙带沟通含水沙层时仅存在突水危险，无溃沙之虑，这一观点存在误区[14，15]。由于作为溃沙主体的风积沙非常细小，极小的裂缝也能顺水而下，导水裂缝带垂向位置下部也会成为溃沙通道，仅用传统“两带”概念已不能满足溃水溃沙灾害防治要求[16，17]。本次研究提出“溃沙裂缝带”概念，指开采煤层上方一定范围内的岩层发生垮落和断裂，产生裂缝且具有导水沙性的岩层范围。根据现场实际开采情况并参照其他研究成果，将“冒落带”和“网络性裂缝带”合称为“导水沙裂缝带”。从冒裂高度(冒落带、溃水溃沙带、导水裂隙带)角度得出溃水溃沙危险性分区判据如图3所示。

图3 溃水溃沙判据危险性分区判据

其取值应综合考虑以下方式：

1)经验修正公式。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》可知，“防沙安全煤(岩)柱保护层厚度取值应为3M(M为采高)”；结合神东矿区以往开采经验[18-20]，为有效阻止松散层沙大量溃入回采工作面，冒落带上覆基岩保护层安全厚度应在20 m以上。基于以上考虑，通过修正冒落带高度计算公式(根据神东矿区开采实践经验)、传统防沙安全煤(岩)柱保护层厚度经验公式，最终得出适合的“溃沙裂缝带”高度经验修正计算公式为：

式中，Hs为溃沙裂缝带高度，m；M为采高，m。

2)基于弹性薄板挠度理论模型的“溃沙裂缝带”计算公式。煤层开采后，随着支架的移动，首先将引起直接顶的垮落，直接顶破碎后体积将产生膨胀，若直接顶岩层垮落厚度为∑h，考虑其影响碎胀系数Kp后，则垮落后堆砌的高度为Kp∑h，它与老顶之间可能留下的空隙为：

Δ=∑h+M-Kp∑h=M-∑h(Kp-1)

(2)

式中，∑h为直接顶厚度，m；Kp为岩石碎胀系数，可取1.1～1.4。

直接顶初次垮落后采空区围岩情况如图4所示，随着工作面继续推进，由于老顶强度较大，继而呈悬露状态，此时可将老顶视为一悬露的薄板，薄板在上覆荷载作用下将会产生一定的变形，当该薄板的最大挠度小于Δ时，薄板发生断裂，形成溃水溃沙贯通性通道，考虑碎胀系数后冒落的直接顶板高度和老顶断裂高度之和即为溃沙裂缝带高度。假定断裂老顶厚度为h，则此时溃沙裂缝带高度为：

图4 直接顶初次垮落后采空区围岩情况

Hs=Kp∑h+Kph

(3)

式中，h为断裂老顶厚度，m。

根据以上研究成果，按照采空区上覆顶板边界条件的多样性，分别选取四边固支(老顶初次来压)、三边固支一边简支(老顶周期来压)作为边界条件，将老顶分成几个同步变形的组合梁。假定从老顶岩层自下而上分别为组合梁1，组合梁2，组合梁3，……，组合梁n，其厚度分别为h1，h2，h3，…，hn，各岩层所受荷载分别为q1，q2，q3，…，qn，各断裂岩层上覆空隙高度分别为Δ1，Δ2，Δ3，…，Δn，各组合梁的碎胀系数分别Kp1，Kp2，Kp3，…，Kpn，则：

当组合梁1最大挠度小于Δ时，组合梁1发生断裂，此时：Δ1=Δ-h1(KP1-1)。

当组合梁2最大挠度小于Δ1时，组合梁2发生断裂，此时：Δ2=Δ-h1(Kp1-1)-h2(Kp2-1)。

当组合梁3最大挠度小于Δ2时，组合梁3发生断裂，此时：Δ3=Δ-h1(Kp1-1)-h2(Kp2-1)-h3(Kp3-1)。

如果当组合梁n最大挠度≥Δn-1时，组合梁n不会发生断裂，则此时溃沙裂缝带高度为：

Hs=KP∑h+KP1h1+KP2h2+KP3h3+KP(n-1)hn-1

(4)

式中，h1、h2、…、hn-1为各组合梁厚度，m；Kp1、Kp2、…、Kp(n-1)为各组合梁岩石碎胀系数，可取1.1～1.4。

2.2.4 基岩风化影响指数

基岩风化影响指数是以定量的方式反映地层岩体破碎程度和岩体裂隙交切程度。根据物探、钻探成果中的岩性描述，对弱风化、中等风化、强风化带进行专家打分，分别取值为1、2、3，取值按照式(5)确定。

式中，S0为基岩风化影响指数；D1为弱风沙厚度专家打分值；D2为中等风沙厚度专家打分值；D3为强风化厚度专家打分值。

2.2.5 单位涌水量

以往研究表明，较高的含水层初始水头是溃水溃沙的必要条件之一，含水层水力坡度越大，富水性越强，越易造成水沙溃涌[1]。钻孔单位涌水量q值是评价含水层富水性最直接的评判依据。钻孔单位涌水量越大，含水层的富水性越强，补给条件越好，出水能力越大，导致水沙溃涌的动力则越强。

2.2.6 饱水沙层厚度

溃水溃沙的主要动力源为上覆松散层水，由于采动诱发通道贯穿波及至上覆松散含水沙层，改变了水沙混合物的流动状态，混合物中的水流迅速流向出水口下侧，对诱发通道附近沙层产生较大的动水压力和渗透劈裂作用力，使其在较大范围内形成液化状态，最终通过诱发通道涌入采空区或巷道空间，造成溃水溃沙事故的发生。

饱水沙层厚度取值按照：松散层静止水位高度减去松散层底界面高度。

2.2.7 渗透系数

渗透系数是综合反映地层渗透能力的一个指标，地层的渗透系数愈大，透水性越强，矿井充水强度就越强，反之越弱。可参照实测数据取值。

2.2.8 采动影响指数

导水沙通道发育到松散层含水层后，水沙混合物随着水流方向向出水口移动，流动(采动)空间的大小将决定溃水溃沙发展程度以及危险性大小。影响采动空间的大小的因素很多，在此基础上提出“采动影响指数”的概念，即以定量的方式刻画采动强度以及采动空间对溃水溃沙危害程度的影响，具体以采煤方法、开采强度、采煤工艺、空区处理方法这些主因素为基础，在此基础上进一步划分出影响各主因素的子因素，最终实现“采动影响指数”量化。按照影响采动空间大小的各主控因素对其所起作用不同进行相对重要性评价，采取专家打分的形式，给出各主控因素所占比例值；同时针对主控因素下属的各个因素取值按照1，2，3，4，…标度方法量化分值，采动影响指数中主控因素比值数见表2。

表2 采动影响指数中各主因素的比值数

采煤方法(横向尺度)：壁式体系采煤法取3；房柱式采煤法取1。

开采强度(纵向尺度)：普通采高(1.3～3.5 m)取1；次大采高(3.5～5 m)取2；大采高(5～6.5 m)取3；特大采高(>6.5 m)取4。

采煤工艺(扰动及支护角度)：爆破采煤工艺取3；普通机械化采煤工艺取2；综合机械化采煤工艺取1。采空区处理方法：自然垮落法取3、充填法取1。

2.3 建立数学分析模型

矿井溃水溃沙分区评价的关键环节是运用层次分析法合理确定评价指标权重，根据以往溃水溃沙事故中各评价指标所起作用的大小，请相关领域专家对各评价指标所起作用的大小进行相对重要性评价，形成对各评价指标的专家评判集，由此构建浅埋煤层溃水溃沙危险性多源信息分区评价AHP评价的判断矩阵，根据判断矩阵，应用最大特征向量法计算出各指标的权重，通过判断矩阵对计算的权重进行一致性检验后，最终得到溃水溃沙评价指标权重见表3。

表3 溃水溃沙分析中各评价指标的权重

2.4 主控因素专题图的建立以及叠加

在建立沙层厚度、基采比、溃沙裂缝带发育高度、基岩风化指数、单位涌水量、饱水沙层厚度等8个地学信息专题库与图的基础上，先利用GIS量化处理各图形信息，再通过GIS空间复合叠加功能对AHP计算结果进行处理，最终以直观的图形形式给出溃水溃沙危险性空间分布结果，通过自然分级法对研究区溃水溃沙危险性进行处理(各级阈值分别为0.43、0.54、0.64、0.79)，最终得到溃水溃沙危险性四级分级结果。

根据各级分级阈值可将目标对象划分为四个区域：Ⅵ>0.79，溃水溃沙危险区；0.64<Ⅵ≤0.79，溃水溃沙较危险区；0.54<Ⅵ≤0.64，溃水溃沙中等区；0.43<Ⅵ≤0.54，安全区。

3 基于溃水溃沙多源信息评价的超前生产布局优化技术

通过疏放水和注浆加固防治溃水溃沙是工程实践中最常见的手段，但以上技术都是在既定的矿井采掘系统下开展的，事故的预防和治理均处于相对被动局面，而生产布局优化作为一种主动超前防治手段，可在矿井采掘设计阶段提前切入。从预防溃水溃沙事故角度出发，基于溃水溃沙危险性多源信息分区评价结果，首次研究提出“区域转局部、高位截流接续”的超前生产布局优化理念。“区域转局部、危险转安全”模式如图5所示，“区域转局部”即通过合理的生产布局将大区域的溃水溃沙问题转化为局部溃水溃沙，再通过局部措施转变为无溃水溃沙，从而实现矿井的安全生产。“高位截流接续”即从水沙动力角度，接续工作面布置按照来水方向由高及低的原则，通过疏放上一个高位工作面的涌水，减轻其对相邻低位工作面在掘进、回采过程中的侧向动态补给水量，有助于降低相邻低位工作面受水沙动力的影响，“高位截流”接续模式如图6所示。

图5 “区域转局部、危险转安全”模式

图6 “高位截流”接续模式

4 现场应用

4.1 矿井赋存特征

隆德煤矿地处神东矿区西南部，研究区主要含煤地层为侏罗系中统延安组第五段(J2y5)，其中主采2-2煤层厚5.01～6.59 m，平均5.70 m，埋深46.64～152.66 m，平均86.90 m，采煤方法采用大采高一次采全高采煤方法，综合机械化采煤工艺，采用全部垮落法管理顶板。

研究区含水层划分为新生界松散层孔隙潜水和中生界基岩裂隙承压水两大类，自上而下各含水层情况为：第四系上更新统萨拉乌苏组及全新统沙层含水层(Q3s+Q4eol)，厚5.97～101.62 m，平均42.32 m，构成同一含水层，易接受大气降水补给；第四系中更新统离石黄土透水弱含水层属透水弱含水层，仅在研究区个别钻孔中见黄土层分布，厚为5.28～6.00 m；侏罗系碎屑岩类风化带孔隙裂隙潜水-承压水含水层(J2z)，厚3.32～67.10 m，平均24.36 m，单位涌水量0.00035～0.2458 L/(s·m)，渗透系数0.00315～2.2657 m/d，富水性弱至中等；侏罗系中统直罗组基岩裂隙承压水含水层，厚0～154.50 m，平均82.40 m，单位涌水量0.014789～0.02408 L/(s·m)，渗透系数0.01919～0.03689 m/d，富水性弱；侏罗系中统延安组五段基岩裂隙承压含水层，厚12.30 m，单位涌水量0.002931 L/(s·m)，渗透系数0.03481 m/d，富水性弱。

4.2 矿井突水溃沙可能性分析

该矿井研究区上覆风积沙直接沿基岩顶界面分布，该区存在水沙溃涌的物质基础；东部区2-2煤开采时整个区域导水裂隙带全部发育至松散层，部分区域冒落带发育至松散层，存在水砂流动的通道；研究区未进行井下探放水工程，地下水含水层存在一定的静储量和动水压力作用，同时现有采煤工艺和方法存在容纳水砂流入的空间。从溃水溃沙条件可以看出，研究区整个区域存在突水可能性，部分薄基岩富水区域存在突水溃沙的可能性。

4.3 煤层顶板溃水溃沙危险性分区预测

根据前述的溃水溃沙危险性多源信息分区评价方法，分别建立沙层厚度、基采比、溃沙裂缝带发育高度、基岩风化指数、单位涌水量、饱水沙层厚度等8个地学信息专题库。各主控因素专题图如图7所示。

利用GIS最终形成溃水溃沙危险性分区如图8所示。由图8可知，该煤矿研究区沿河沟区域溃水溃沙危险性强，溃水溃沙危险性较弱区分布于研究区北部区域，溃水溃沙危险区(红色区域)和较危险区(橙色区域)主要集中在研究区的河流沟谷地带和薄基岩区域，中等危险区(浅绿色区域)和安全区(绿色区域)主要集中在研究区的北部和南部区域。

图8 研究区开采溃水溃沙危险性分区

4.4 超前生产布局优化

研究区原设计方案大巷垂直于沟谷布置，回采工作面与沟谷呈平行状，煤柱损失较大，由于未将危险区进行分割，部分工作面受溃水溃沙威胁较大，同时工作面采用仰斜开采不利于安全回采。由于研究区南部区域属中等危险区，危险性相对较小，而且钻孔地质资料显示，靠近井田南部边界的区域，2-2煤层赋存较为稳定，并且上覆基岩厚度较厚，回采工作面推进距离较长。

按照“区域转局部”的生产布局模式，优化方案通过将大巷沿溃水溃沙危险区布置，使溃水溃沙危险区分割为若干安全性小区域，将区域问题转化为局部问题，为安全开采创造条件，同时危险区为河流沟谷地段，该布局方式还可减少煤柱损失，有利于提高资源回收率；同时考虑22201工作面处于来水侧方向上游，按照“高位截流”的生产布局模式，对顶板水单侧来水的采区，优化调整工作面接续顺序，优先布置来水方向工作面作为采区首采工作面，利用首采工作面采空区作为疏水廊道，从水沙动力角度，从而大幅度减少接续工作面受溃水溃沙的威胁程度。因此设计将研究区大巷沿突出溃沙危险区布置，回采工作面位于大巷两侧，将靠近南部边界的22201工作面作为研究区首采工作面，参照生产布局布置优化原则，按照22201，22202，22203，……，22209依次顺序回采。

5 结 论

1)溃水溃沙灾害发生必须同时具备“水沙源、通道、动力源、采动空间”4个条件，其中，沙基型物源条件、沿煤壁侧切落型通道，静水压力、采动空间大小是诱发溃水溃沙灾害的关键。

2)从防治水沙溃涌角度出发，首次提出“溃沙裂缝带”概念；建立了基于弹性薄板挠度理论的溃沙裂缝带计算模型，通过对传统经验公式修正和弹性薄板挠度理论模型计算，导出溃沙裂缝隙带高度计算的经验公式和理论公式。

3)通过将沙层厚度、基采比、溃沙裂缝带发育高度、基岩风化指数、单位涌水量、饱水沙层厚度、渗透系数、采动影响指数作为溃水溃沙危险性评价指标体系，创造性提出了溃水溃沙危险性多源信息分区方法，提高了溃水溃沙预警评价的精准度，为类似条件矿井安全开采提供了技术支撑。

4)从溃水溃沙事故防治角度出发，基于溃水溃沙危险性多源信息分区评价结果，在矿井采掘布局阶段提前切入，首次研究提出“区域转局部、高位截流接续”的超前生产布局优化模式，为事先解决溃水溃沙问题提供了新理念。