天窗补给型衍生式矿井动力突水模式及其评价与治理技术

曾一凡 ，孟世豪 ，武 强 ，庞振忠，庞 凯，杨国庆，梅傲霜，李 强，王嗣桐

(1.中国矿业大学(北京)国家煤矿水害防治工程技术研究中心,北京 100083；2.矿业大学(北京)内蒙古研究院,内蒙古 鄂尔多斯 017000；3.矿山水害防治国家矿山安全监察局重点实验室,北京 100083；4.中国中煤能源集团有限公司,北京 100120；5.陕西陕煤曹家滩矿业有限公司,陕西 榆林 719000)

中西部侏罗纪煤田是我国煤炭资源富集程度最高、煤质最优、开发前景最好的大煤田[1]。煤与水赋存空间组合总的特点是“煤水共生，水在上、煤在下”[2]，因此顶板水害威胁成为限制该区域煤矿生产和生态环境的主要问题。西部矿区普遍气候干旱，降雨稀少，根据前期勘探工作，煤层顶板直接充水含水层普遍富水性差，矿井涌水量预测值小，而在实际采掘过程中，矿井涌水量大且持续的情况时有发生，榆神府矿区就存在大于3 000 m3/h 涌水量的矿井[3]，预测与实际涌水不符的巨大矛盾给防治水工作带了严峻挑战。西部高强度的采煤过程无疑提高了采煤效率，但其对覆岩结构和地下水系统的扰动程度也随之提升，水害致灾机理也更加复杂，如何进一步细致刻画矿井涌水过程和建立更为准确的水害危险性评价方法是当前矿井水综合防治与利用的最大瓶颈。

当前矿井顶板的涌突水模式主要认为煤层导水裂隙带发育至顶板含水层，且含水层富水性较强，就会发生矿井涌水，此类突水模式通过“三图法”[4-10]已广泛应用于各类矿区的突水危险性评价当中。而在实际矿井生产中发现，随着煤层开采，顶板覆岩破坏导致地下水系统的演化会诱发新的灾害源，从而导致不同形式的突水模式，即衍生式动力突水模式。其内涵是将定义衍生式水害模式的基础从传统的开采前静态分析转变为考虑采矿全周期内变化的动态评价。根据大量防治水案列和矿区地质条件[11-17]，矿井衍生式水害模式可初步分为三大类:第1 类是“天窗补给型”，开采过程中导水裂隙带触及的直接充水含水层水位持续下降，进而激发了上覆间接含水层的越流补给[18]，从而加大矿井涌水。在一定开采条件下导致高发育触及或进入黄土层，造成黄土层隔水性能不足或被破坏，并在间接充水含水层加持作用下可能发生溃水溃砂[19]；第2 类是“离层灾害型”，由于覆岩强度的不同，弯曲下沉的差异形成了离层储水空间，开采过程中离层水量的不断加大，且离层岩体承载能力的不断减弱，从而导致矿井涌水突增；第3 类是“导水通道增渗型”，在弱胶结砂岩地层中，除了采动覆岩结构的宏观破坏以外，在物理冲刷和化学溶蚀的双重作用下含水层介质中盐类胶结物不断析出，导致含水层导水通道渗透性增强。其中，新疆煤炭基地的弱胶结砂岩易出现此类现象[20]，另外弱胶结断层活化[21]的致灾模式也属于此类模式的特殊情况。

作为典型的衍生式水害模式，“离层补给型”水害已被发现于各大矿区，通过离层空间的原位监测[22]、室内物理相似模拟实验[23]和数值模拟[24]等多种手段对离层水害的致灾机理进行大量研究。当前研究往往关注于采动破坏的力学机制，而常常忽略了地下水系统扰动对于水害过程的促进作用。例如非导水断层的活化作用、袭夺越流作用等等都是基于开采破坏后地下水系统进一步演化的水动力作用形成的，此类衍生水动力作用下的突水模式为当前的矿井水害防治带来了极大隐患。“天窗补给型”衍生式水害模式往往会浪费大量地下水资源，对地表生态形成巨大影响。笔者针对此类衍生式水害模式进行初步探讨，以近些年高强度大采高的浅埋煤层矿区——陕西榆神矿区为例，对其衍生灾害的孕灾机理进行分析，给出灾害衍生模式评价的新方法，最后提出衍生动力突水的综合防治技术体系，为生态脆弱区的地下水资源保护与矿井安全低碳开采提供科学依据。

1 衍生式水害的定义及孕灾条件分析

1.1 天窗补给型衍生式动力突水的定义

衍生式动力突水是随着煤层开采，顶板覆岩破坏导致地下水系统的演化诱发新的灾害源，从而导致不同形式的突水模式。其内涵可以概况为“2 个整体”：一是将覆岩地质体作为一个整体，包括整个覆岩地层和地下水系统；二是将整个采动周期作为一个整体，由传统的开采前静态分析转变为考虑采矿全周期内变化的动态评价。

在煤层开采过程中，直接充水含水层水位大幅下降的同时，导水裂隙带发育范围之外含水层的地下水逐渐参与到矿井涌水过程中，此类涌水模式称为“天窗补给型”衍生式动力突水(图1)。“天窗”是一个广义的概念，即上下含水层产生水力联系的通道，此处不仅仅包括原生结构的沉积尖灭，隔水层的缺失形成的“原生天窗”；更加隐蔽、更加危险的是在煤层开采过程中逐渐形成的“衍生式天窗”，其可细分为2 个类型：一是隔水薄弱区上下2 个含水层水头差逐渐增大，仅在水力梯度作用下产生水力联系;二是隔水层遭到采动作用破坏，隔水能力劣化从而使得上下含水层产生水力联系。此类水害往往会造成浅表水资源的大量流失，增大矿井水害危险的同时，也破坏了当地的地表生态环境[25-27]。

图1 天窗补给型衍生式水害模式示意Fig.1 Diagram of skylight recharge derived dynamic water inrush mode

1.2 衍生式水害模式的孕灾条件分析

榆神府矿区位于陕西省榆林市北部，隶属神木县和榆林市榆阳区管辖。榆神府矿区地表地层多被新近系、第四系覆盖，总面积5 298 km2，是陕北侏罗纪煤田地质条件、煤质特征最好的地区。此地区煤厚大，开采条件极好，但同时又存在大量隔水层缺失的地区，极易造成“天窗补给型”衍生式动力突水。本地区主采2-2 煤，上覆3 套含水层：最下面是基岩裂隙含水层，由侏罗系延安组和直罗组砂岩组成，结构致密，富水性弱；往上是风化基岩孔隙裂隙含水层，由侏罗系安定组砂岩组成，其风化程度大、节理裂隙发育、透水性强、孔隙大，以上2 套含水层均是被导水裂隙带触及的直接充水含水层；最上面是第四系松散孔隙含水层，主要由萨拉乌苏组含水层及离石组弱含水层组成，极易接受降雨补给，侧向补给充分。隔水层主要为新近系保德组红土，发育在第四系含水层和风化基岩含水层之间，最厚可达134 m，存在局部尖灭缺失，整个榆神矿区红土缺失区面积达63.5% (图2)。

图2 榆神矿区红土厚度分布Fig.2 Red clay thickness distribution in Yushen mining area

从地质特征来说，红土隔水层的缺失，导致第四系含水层与风化基岩含水层之间存在水力联系的可能。而通过矿井涌水特征和水化学特征则更好的说明了这一现象。在榆神矿区I 期规划区内西中部，曹家滩煤矿东西两翼盘区同时开采，东翼红土分布均匀，厚度平均为62.3 m，而西翼红土逐渐尖灭，在矿区西部边界存在红土缺失区位于东翼的122108 工作面涌水量(图3(a))随开采过程逐步增大至487 m3/h。期间遇到多个富水区，导致涌水量呈现多次突然增加。2022 年3 月工作面完成后涌水量持续减少。西翼盘区和东翼盘区的涌水量不在同一水平，位于西翼的122109 工作面(图3(b))于2021 年7 月回采完毕，目前涌水量稳定在650 m3/h。西翼122107 工作面于2021 年7 月开始回采，涌水量持续增加。目前最大涌水量已接近1 000 m3/h (图3(c))。另外，对开采过程中和开采后涌水的水化学特征进行了测试，并利用随机森林模型进行了水源识别[28]。通过输入水样测试数据后，先对每棵决策树进行单独判别分类，然后选择分类结果最多的类别作为最终输出。判别结果得分见表1，得分越高表明来自该含水层的可能性越大。122108 工作面回采期间和回采后涌水量分别来自基岩含水层和风化基岩含水层。122107 工作面回采期间和回采后涌水分别来自风化基岩含水层和第四系含水层。122109 工作面开采后涌水来源于第四系含水层。

表1 矿井涌水水源判别结果Table 1 Water inflow source prediction results

图3 曹家滩煤矿工作面涌水量历时曲线Fig.3 Duration curves of water inflow rate in working face of Caojiatan Coal Mine

综上，天窗补给型衍生式动力突水首先需要明确矿井水文地质结构特征，根据导水裂隙带发育范围确定直接充水含水层，以及上覆的间接充水含水层。其次根据地质特征、水化学特征和涌水特征等判断间接充水含水层在未被导水裂隙带触及，大量矿井涌水和超前疏放的过程中是否存在越流补给，进而构成衍生灾害。

2 衍生式动力突水的危险性评价方法

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垮落范围对应的部位富水性较强。因此传统顶板涌(突)水条件分析主要包括2 个方面内容：煤层回采顶板垮落安全性分析和顶板直接充水含水层富水性分析。而在衍生式突水模式中，虽然导水裂隙并未直接沟通间接充水含水层，但其通过越流补给直接充水含水层，也参与到了矿井涌水过程当中。基于“天窗”的概念，笔者对于透过原生天窗的部分成为直接天窗补给，对于经过弱透水层的称为间接越流补给，对于开采破坏造成的称为次生劣化补给。此3 类越流补给共同构成了衍生水害来源。笔者通过区分直接水害来源和衍生水害来源，定量计算直接与间接充水含水层之间的水力联系，综合判定衍生水害来源的补给强度和位置。综合利用GIS 与权重计算模型结合，预测开采过程中矿山涌水优势响应区，形成多元地学因素信息融合的煤层顶板衍生式动力突水危险性定量预测模型与动态评价技术。

2.1 衍生突水模式的指标体系

主控因素的合理选择对评价结果的准确性起关键性的作用。通过区分直接和衍生水害来源，结合含(隔)水层的岩性差异、水力特性、构造因素、地球物理参数、阻水性能等方面的系统分析，构建了矿井衍生式动力突水危险性评价的指标体系，如图4 所示。直接水害来源包括直接充水含水层富水性分析和煤层回采顶板冒裂安全性分析，衍生水害来源包括间接充水含水层富水性分析、水力联系强度分析和煤层回采隔水层阻水性能劣化分析。

图4 矿井衍生式动力突水危险性评价体系Fig.4 Mine derived dynamic water inrush risk assessment system

主控因素可分为定量指标、定性指标与半定量指标3 类。由于各控制因素之间的量纲不一致，甚至有些主控因素没有量纲，不具有直接可比性，为消除预测模型主控因素指标值间的单位和量度的差异，需对主控因素指标值进行标准化和无量纲化处理。其中正向相关因素主要是富水性、构造线密度、断层交点与端点分布、断层规模指数、水压。各正向相关因素的指标值越大越易诱发顶板突水。负向相关因素主要是有效隔水层厚度、隔水层阻水性能、脆性岩厚度。各负向相关因素的指标值越小越易诱发顶板突水。

2.2 衍生突水模式的危险性评价模型

(1)直接水害来源危险性评价模型。衍生突水危险性评价模型的构建为直接水害来源和衍生水害来源危险性的叠加。其中，传统危险性评价只包括直接水害来源的分析，即通过GIS 的空间信息处理和分析功能，将煤层回采顶板垮落安全性分析和顶板直接充水含水层富水性分析进行耦合(式(3))。顶板垮落安全性由冒裂高度和其对应的导水强度计算而得，首先通过采煤厚度计算导水裂隙带的发育高度，并减去含水层与煤层之间的基岩厚度获得冒裂高度，通过含水层性质进一步确定导水强度(式(1))。富水性分析是引入富水性指数概念[6]，通过各主控因素与其对应的变权权重[8]进行耦合，通过信息处理与分析，应用频率直方图对各个区域的富水性进行统计分析，通过已知点进一步拟合分析和反演识别，最终确定富水性评价的分区阈值，进而构建含水层的富水性评价模型(式(2))。

式中，IM为冒裂安全性指数；E为冒裂高度和导水强度之间的关系函数；C为导水裂隙带计算函数；M为采煤厚度；M′为直接充水含水层以下的基岩厚度；(x,y)为对应地理坐标；IW,di为直接充水含水层的富水性指数；wi为影响因素变权向量；fi为单个因素影响值函数；、为常权向量；Si(X)、Sj(X)为m维分区状态变的权向量；ID,di为直接水害来源的危险性指数。

(2)衍生水害来源危险性评价模型。天窗补给型的衍生水害致灾模式主要为间接充水含水层通过弱隔水层越流补给直接充水含水层，导致直接充水含水层富水性增大，进而造成涌(突)水。所以，首先通过同样的富水性指数法(式(2))对间接充水含水层的富水性进行评价分区，之后利用隔水层的厚度、阻水性能和水力压差对两含水层之间的水力联系强度进行评价，再通过冒裂高度对隔水层的劣化程度，将水力联系强度进行修正，从而形成衍生水害来源危险性评价分区，确定衍生水害的强度和位置(式(4))。最后将直接和间接水害来源的危险性强度及分区进行叠加耦合(式(5))，由式(1)～(5)共同构成衍生突水危险性评价模型，综合判定天窗补给型动力突水的危险区域。

式中，ID,de为间接水害来源的危险性指数；H(h)为与隔水层厚度h有关的水力联系强度关系函数；θ(h′)为与隔水层冒裂高度h′有关的修正函数，隔水层冒裂高度h′通过导水裂隙带发育高度减去隔水层以下基岩厚度获得；IW,ind为衍生水害来源的危险性指数；ID,t为综合突水危险性指数；ni为直接和衍生水害来源危险性对应的权重。

2.3 实例应用

以榆神矿区曹家滩煤矿的衍生突水模式为例，利用衍生式动力突水危险性评价模型，对12 盘区西翼的突水危险性进行综合评价。

2.3.1 直接水害来源危险性评价

以曹家滩煤矿12 盘区开采可采2-2 煤层厚度11.55～12.03 m，平均厚11.8 m。基于3 个工作面的实测数据对计算公式进行矫正，覆岩导水裂隙带发育高度和开采煤层厚度呈线性关系，通过导高与直接充水含水层以下基岩厚度相减，得到冒裂程度分区如图5 所示，盘区中北部和西北角位置为非冒裂区，其余地区均有不同程度的冒裂。基于多源数据融合和变权理论，对含水层的富水性进行评价。通过对钻孔数据的充分挖掘，选取含水层厚度、渗透系数、冲洗液消耗量、脆塑岩厚度比和岩心采取率作为富水性主控因素。通过对各个主控因素的分析并结合专家意见，依照9/9-9/1 标度方法，确定各因素的量化分数并以此构建相关判断矩阵，进而计算出各信息的权重。为了体现各主控因素的改变对富水性的影响，进一步反映各因素的权重，采用惩罚、不变、激励和强激励4 种模式调整某主控因素对富水性的影响作用，建立变权模型。结合GIS 的信息处理与强大的复合叠加能力，并运用自然分级法将含水层富水性指数分为5 级，最终建立基于变权理论的顶板含水层的富水性评价空间分布(图6)，122107 工作面开切眼部分和盘区中南部分富水性强。通过0-1 函数设置冒裂高度和导水强度之间的关系E，进而得到直接水害来源的位置及强度分区(图7)。

图5 煤层顶板含水层冒裂安全区分区Fig.5 Coal roof aquifer caving and fracture safety zoning

图6 直接充水含水层富水性分区Fig.6 Water-richness zoning of direct water-filled aquifer

图7 直接水害强度分区Fig.7 Direct disaster intensity assessment zoning

2.3.2 衍生水害来源危险性评价

顶板间接充水含水层往往近于地表，水量大且与生态保护息息相关，也是当地居民以及工业用水的主要含水层。根据现场水文试验选取含水层厚度、渗透系数与单位涌水量作为主控因素进行间接充水含水层的富水性分区评价(图8)。

图8 间接充水含水层富水性分区Fig.8 Water-richness zoning of indirect water-filled aquifer

除了间接充水含水层的富水性以外，直接与间接含水层之间的隔水层阻水能力也至关重要，它们之间的水力联系强度决定了衍生灾害的强度与位置。本次研究通过钻探成果确定隔水层厚度分布，通过水化学特征确定产生水力联系的临界厚度，通过微观和力学试验确定厚度与水力联系强度的关系，最终确定两含水层之间的水力联系强度分布。

(1)隔水层厚度。本研究综合曹家滩煤矿2003 年勘探、2012 年井筒检查、2013 年补充勘探、2018 年水文地质补勘、2022 年红土探查和金鸡滩煤矿补勘等钻探成果，共计131 个钻孔，利用克里金插值生成曹家滩煤矿12 盘区西翼红土层厚度分布图(图9)。工作面开切眼部分存在红土缺失区，向回采方向红土厚度逐渐增大。

图9 红土隔水层厚度分区Fig.9 Red clay aquiclude thickness zoning

(2)水力联系临界厚度。通过水化学特征空间分布的研究(图10)，结果显示间接含水层中的Ca2+浓度在全矿区分布均匀，平均为1.06 mmol/L；而直接充水含水层风化基岩中分布不均，在矿区西部边界的红土缺失薄弱区，Ca2+浓度比东区高约37%。通过进一步对比发现，在隔水层厚度为0～10 m的风化基岩地下水中Ca2+浓度为0.71 mmol/L，而当隔水层厚度大于10 m 时，Ca2+浓度急剧降低，平均为0.52 mmol/L。由此判断，当红土厚度为0～10 m 时，萨拉乌苏组间接充水含水层与风化基岩直接充水含水层具有良好的水力连通性。

图10 不同红土厚度下Ca2+浓度对比Fig.10 Comparison of Ca2+ content under different red clay thickness

(3)隔水层厚度与水力联系强度关系。通过颗粒分析、XRD 测试、SEM 电镜测试对比常规红土和薄弱区红土，结果发现薄弱区红土隔水层中起主要阻水作用的黏性矿物减少47%，也就是说，在隔水层薄弱地区，隔水层的阻水厚度薄且阻水性质差。基于Hantush-Jacob 越流公式推导和渗透试验拟合，给出红土厚度与水力联系强度关系公式为

式中，E为水力联系强度；h为红土厚度；H′为能够产生阻水能力的最小厚度；H为能够产生水力联系的隔水层最大临界厚度；α、β为修正参数。

需要注意的是，当冒裂程度较强时，会导致隔水层劣化而使直接与间接含水层之间的水力联系增强，本次研究中发现当导水裂隙带进入红土隔水层以后会迅速减缓发育速度，并影响最终的发育高度，所以将计算得到红土隔水层冒裂高度乘以修正系数作为最终冒裂高度，并通过红土厚度减去最终冒裂高度作为红土层的有效厚度进行水力强度的计算。最后通过水力联系强度和间接充水含水层富水性的叠加(式(4))，生成衍生灾害强度评价分区图(图11)。

图11 衍生灾害强度评价分区Fig.11 Derivative disaster intensity assessment zoning

2.3.3 衍生突水模式的危险性评价与分区

衍生突水模式危险性评价的本质是在导水裂隙带分布范围内含水层富水性分析的基础上，进一步考虑煤层采动过程中造成衍生灾害的强度和位置分布。通过叠加直接和衍生水害来源的危险性指数(式(5))，构成顶板水害危险性的综合评价分区。即在“三图法”的基础上，运用GIS 软件对上述预测分区结果进行复合叠加，最后得到曹家滩煤矿充水含水层涌(突)水危险性分区图(图12)。根据分区结果可知，相对危险区与较危险区分布在122107、122109 工作面开切眼区域，相对安全区与较安全区分布在12 盘区西翼的中东部大部分地区。

图12 顶板综合突水危险性评价分区Fig.12 Roof water inrush risk assessment zoning

2.4 衍生突水危险性评价的验证分析

突水危险性评价的准确性是矿井开展水害预测预报和进行防治水工程布设的基础。本节首先通过瞬变电磁的物探数据，对直接充水含水层的富水性评价进行验证，之后通过工作面不同位置的涌水量大小验证其对应的危险性分区。

仅对比122107 工作面的危险性分区可知，由传统直接水害来源形成的水害危险性评价分区(图7)中，危险区仅分布在距开切眼0～500 m 的位置，而考虑了衍生水害来源的综合危险性评价分区中，危险区进一步扩大，长度达到2 500 m。而在122107 工作面实际回采过程中，距开切眼1 600 m 和1 900 m 均发生了涌水量突然增大的情况(图3)，此距离已远大于图7 危险区分布范围。为了进一步确定涌水量增大的具体原因，对122107 工作面顶板含水层进行了瞬变电磁的物探研究，根据风化基岩顶板电阻率分布(图13)可以看到，距开切眼300 m 范围内存在低电阻异常区，其余位置电阻较高，这与风化基岩富水性分区结果基本一致。

图13 122107 工作面风化基岩顶界面电阻分布平面Fig.13 Plan view of resistance distribution at the top of weathered bedrock at 122107 working face

在122107 工作面不同位置密闭墙涌水量(图14)可知，此时工作面已回采到距开切眼3 500 m 左右，而距开切眼100 m 位置仍存在持续涌水的情况，密闭墙内的水位和排水量处于动态平衡，此位置的涌水量约为100 m3/h，而同一时间，距离开切眼1 300 m 位置的密闭墙水位更高，排水量更大，涌水量达到了300 m3/h。

图14 122107 工作面不同位置密闭墙的水位水量分布Fig.14 Distribution of water level and drainage at different locations at 122107 working face

综上说明，通过对比瞬变电磁的物探数据，表明风化基岩的富水性评价非常准确，但是由此计算的直接水害来源危险性分区与井下涌水量情况并不相符。也就是说，仅分析导水裂隙带范围内的直接水害来源并不能准确划分涌(突)水危险性分区，而结合衍生水害来源的综合危险性分区更加准确。通过对比瞬变电磁和不同位置密闭墙涌水的数据，更加说明了存在衍生灾害源持续补给的情况，且本研究提出的方法可以更好地评价此类灾害的危险性分布。

3 衍生动力突水综合防治技术体系

“天窗补给型”衍生式水害模式往往会浪费大量地下水资源，对地表生态造成巨大影响。本章依据“煤-水”双资源的建设内涵，充分掌握当前防治技术的水平，将煤和矿井水共同视为资源，通过主动的开采技术方法和被动的水害防治技术，挖掘其“资源属性”的正效应，从而达到煤炭和水的“双资源”共同开发与矿区生态环境保护的协调、可持续发展目的，最终实现煤矿区水害防控、水资源保护利用、生态环境改善的多赢目标。

3.1 衍生式动力突水的主动防控体系

通过“煤-水”双资源的建设内涵，针对“天窗补给型”矿井的开采现状，设计了衍生式动力突水的主动防控体系(图15)，该体系可总结为“三查、一定、两验证、两跟踪”十字方针，其摈弃了传统“地质、采矿、生态”三张皮、“先破坏后治理”的不恰当做法，该协同开采架构4 者间彼此相辅相成、互相制约，在增加计算生态成本的基础上，划分了2 种开采方式，从而确保高效开采煤炭资源的同时，也保障了生态水环境安全。

图15 衍生式动力突水的主动防控体系Fig.15 Active prevention system of derivative dynamic water inrush

(1)“高效益”开采。本开采方式的内涵是转变吨煤成本的计算方式，将生态环境修复、塌陷地治理与赔偿等开采带来的“次生灾害”产生的成本计算之内，重新定义“高效益”开采。传统的吨煤成本基本只计算了与生产相关的成本，后期治理成本完全忽略，实际上是“高效率低效益”开采。然而，随着我国煤矿开采重心从中东部矿区向西部矿区转移，其西部的地表生态脆弱性严重大于中东部，同样的开采厚度中东部矿区地表生态的可修复度要大于西部矿区。如果继续在西部现代化矿区延续中东部的开采模式，会对地下水生态环境造成极大的影响。因而，矿区在回采过程中，应综合核算吨煤成本，构建“高效益”开采理念为矿区的协调可持续发展奠定经济基础。

(2)控制水位线的开采方式。依据西部因高强度开采给矿区造成的生态水环境影响，究其主要原因是高强度开采造成了大量的地下水资源破坏，潜水水位大幅降低。在地表植被所需最低的生态水位线、工作面水文地质条件、周边矿区覆岩破坏规律确认的前提下，即“三查”工作确认的前提下选择最佳的开采方式是解决该问题的主要也是唯一办法。然而，导致地下水位线的大幅下降，究其直接原因是高强度开采形成的导水裂隙带发育高度达到并穿透了覆岩含水层，导致水体沿着形成的导水通道进入了采空区或者潜水水体进入了地表塌陷坑，最终使其水资源造成了破坏。因此，选择合适的开采方式对地下水资源的合理控制以及确保地表生态植物的正常生长具有重要的作用。根据现矿井采煤方法两大体系：短壁开采技术和长壁开采技术，该两大开采技术的主要区别是因工作面面长不同，造成的采空区面积不同，最终体现为上覆岩梁破断形式、导水裂隙带高度不同，进而影响工作面开采导水裂隙带高度。

3.2 衍生式动力突水的被动防控体系

针对“天窗补给型”矿井，在不影响开采规划的条件下，提出了衍生式动力突水的被动防控体系，该体系将采前多目标疏降技术和采后局部精准治理技术相结合(图16)，在充分考虑地下水系统特征基础上，降低含水层水位，切断含水层之间水力联系，在保障矿井安全的同时，减少超前疏放水量，同时对当地赖以生存的第四系潜水的影响显著降低，可有效解决生态水资源保护与矿井安全开采之间的矛盾，为生态脆弱性地区地下水资源的管理与矿井安全低碳开采提供了科学依据。

图16 衍生式动力突水的被动防控体系Fig.16 Passive prevention system of derivative dynamic water inrush

(1)采前多目标疏降技术[3]。本方法以系统工程和多目标规划为基础，基于煤层顶板充水含水层地下水系统的特征参数来确定决策变量，并根据矿山生产安全设置涌水量约束目标、根据生态环境安全设置第四系含水层越流补给量约束目标、根据经济效益设置钻孔和疏排水成本约束目标，构建多个目标函数，然后构建多约束条件下的分布参数地下水管理模型，并通过线性目标规划算法对分布参数地下水管理模型进行求解，得到目标函数的最优解集，实现矿井的疏放水执行方案的构建。基于该执行方案，进行矿井的超前疏放钻孔布置、疏放水量及疏放时间的综合管理，从而有效解决生态水资源保护与矿井安全开采之间的矛盾，在减少矿区疏放水成本、保证煤炭资源持续高效开采的同时，评估了研究区控水疏降的临界值，防止整个地下水系统内的水资源浪费，避免了对矿区的生态环境的破坏，为生态脆弱性地区地下水资源的管理与矿井安全低碳开采提供了科学依据。

(2)采后局部精准治理技术。根据红土隔水层薄弱区、物探和危险性评价富水区与流场降落漏斗区的分布特征及工作面涌水情况，结合覆岩破坏观测结果和覆岩破坏规律等条件综合分析，借助于采动裂隙(图17)，对采动后直接充水含水层富水区，进行采后注浆；对揭露的直接充水含水层顶界面高压劈裂注浆，内部分段注浆封堵导水裂隙，实现垂向封堵间接充水含水层，侧向改造了直接充水含水层。采用“地面直孔+小半径分支水平孔”和“长距离定向水平孔”至直接充水含水层顶部，选用高强度套管下至直接与间接含水层交界面位置，下部基岩层位注浆完成后，退孔至风化顶界面加强补注，形成上下两段联合治理，同时根据实际施工过程中不断更新的水文地质参数，优化施工方案，保证施工质量。综上，通过直接充水含水层改造与局部间接充水含水层底部隔水垫层再造，切断直接与间接充水含水层之间的水力沟通，减少工作面的涌水量，保障生态脆弱区浅表水体的安全。

图17 局部注浆治理技术示意Fig.17 Local grouting treatment technology schematic

4 结论

(1)初步总结了矿井衍生式动力突水的三大类型，分别是开采过程中激发上覆间接充水含水层越流的“天窗补给型”、开采过程中储水空间和储水量不断增大的“离层灾害型”、开采过程中含水介质不断弱化的“导水通道增渗型”。

(2)深入探讨了“天窗补给型”衍生灾害的孕灾条件，当未被导水裂隙带触及的间接充水含水层参与矿井涌水，则构成衍生灾害。

(3)提出了灾害衍生模式的评价方法体系，通过补充衍生水害来源的强度及位置，实现对顶板含水层涌(突)水危险性的综合评价。通过实例应用与验证分析，新方法的评价分区更加准确。

(4)通过开采方式的转变，建立了“三查、一定、两验证、两跟踪”的主动防治体系；通过采前多目标疏降和采后局部注浆治理建立了被动防治体系。基于“煤-水”双资源协同开采理念，通过主被动相结合的方式构建了针对衍生水害模式的防治技术体系。