煤层顶板水害风险保护系数法评价技术研究

吕玉广 ，乔 伟 ，胡发仑 ，刘梦楠 ，吕 波

（1.中国矿业大学 资源与地球科学学院, 江苏 徐州 221116；2.新矿内蒙古能源有限责任公司, 内蒙古 鄂尔多斯 016299；3.内蒙古上海庙矿业有限责任公司, 内蒙古 鄂尔多斯 016299；4.贵州省黔西南州安龙县人民政府办公室, 贵州 安龙 552400）

0 引 言

井工煤矿以开采煤层为标志，将位于煤层上方的含水层称为顶板含水层，位于煤层下方的含水层称为底板含水层。在具有承压水压力的含水层上采煤称为带压开采[1]，底板水在水头压力作用下进入采场引发的水害称为底板水害。在含水层（体）下采煤称为近水体下采煤[2-3]，顶板水通过导水通道进入采场引发的水害称为顶板水害[4]。

《“三下”开采规范》给出了带压开采时防水安全煤岩柱的多种设计方法，由于涉及参数较多、参数之间循环关联，致使理论上可行、实际应用较少。突水系数（Ts）仅考虑水头压力（P）和隔水层厚度（M），参数获取容易、公式简单明了，故该法成为数十年来广泛应用的底板水害预测评价方法[5-7]。1964 年“焦作水文地质会战”将0.06、0.1 MPa/m 设定为临界突水系数[8]，并写入了《“三下”开采规范》和《煤矿防治水细则》（以下简称《细则》）。企业还可以进一步探索适合本矿区的临界突水系数，如郑煤集团公司于2010 年向集团内部所属矿山企业下发了〔2010〕32号文，将0.04、0.07 MPa/m 作为本企业适用的突水临界值。其后数十年间，许多学者对突水系数的应用做出了有益性创新和修正[9-12]。顶板水害风险评价预测技术主要有“三图—双预测”[13-15]，“双图评价法”[16-17]，“分类型四双工作法”[18]等，尚没有类似于底板突水系数那样易于适用的方法。“三图—双预测”评价内容涵盖了突水“三要素”，采用单位涌水量、渗透系数等多种参数评价间接充水含水层的“富水性”，以隔水层厚度与导水裂隙带高度之差值评价“导通性”，以GIS 为平台将“两性”数据叠加融合评价突（涌）水危险性[19]，借用Modflow 仿真工具预测涌水量（评价突涌水强度）。“双图评价法”认为“富水性”与“导通性”两者属性不同，不宜直接进行数据叠加；突出强调“目标层段”[20]概念，把目标层段内砂地比作为评价“富水性”的关键指标；以突水危险性指数（TZ=(Hg-Hfs)/Hfs×100%)评价“导通性”，采掘活动位于突水危险区同时也位于相对富水区是顶板突（涌）水的充要条件。“分类型四双工作法”是对“双图评价法”的进一步完善，根据煤层与上覆含水层空间组合关系以及含水层的富水性，划分为A、B、C、D 四种评价类型，给出了各种类型的评价路径；“四双”（双表、双指数、双图、双预测）概括了评价过程、评价方法和评价结果。上述技术方法在某些矿井应用效果较好，甚至有的被写入了《细则》，但由于评价内容过于全面（兼顾了突水三要素），不可避免地存在参数多、手段复杂、应用难度高等不足。实践中，已知含水层静水储量丰富、补给水源充足，无需进行富水性评价，仅评价“导通性”即可；已知含水层静水储量少、具有可疏性，尤其是在膨胀性软岩矿区需要采取疏干开采措施，评价的目的是确定疏干范围和疏干高度，指导疏放水钻孔设计。

基于上述2 种情况，试图构造建类似于底板突水系数法的顶板水害风险评价预测方法，适用于更广泛的地质条件。

1 保护层与保护系数

1.1 保护层概念

煤层与上方含水层之间的隔水岩层（Hg）厚薄不均，隔水层厚度越大其阻水能力相对越强。煤层开采后会在一定范围内的覆岩中产生垂向导水裂隙，这部分岩层称为导水裂隙带（Hli），导水裂隙带高度包括垮落带的高度[21]。隔水层厚度（Hg）减去导水裂隙带高度（Hli），剩下的部分统称为保护层（Hb）。《“三下”开采规范》中保护层厚度限定为采高的选定倍数，文中不受此限。各参数空间关系如图1 所示。

图1 各参数空间关系示意Fig.1 Schematic of spatial relationship of parameters

1.2 保护系数概念与计算公式

控制顶板水进入采场的因素较多，若综合考虑各种因素，难免会陷入参数获取难、权重赋值难、构建数学模型难、确定判据难的循环之中，理论上可行、实操性不强。各种影响因素中，保护层厚度（Hb）对顶板水害起着关键性控制作用，在特定的条件下隔水层厚度（Hg）与保护层厚度（Hb）两者呈负相关。采高不是影响导水裂隙发育高度的唯一因素，既然《“三下”开采规范》提供的经验公式将其作为唯一变量，至少能够说明采高对导水裂隙发育高度起着关键性控制作用。因此，评价预测顶板水害应重点考虑保护层厚度和采高这2 个参数，由此提出保护系数概念，即保护层厚度与采高的比值，保护系数以Bs表示。

式中：Hb为保护层厚度，m；A为采高，m；Hg为煤层顶板到含水层之间隔水层厚度，m。

需要说明的是，采高并不必然等于煤层实际厚度，当二者不一致时，Hg为采空顶界面到含水层之间的隔水层厚度。计算导水裂隙带高度时，《“三下”开采规范》提供的经验公式可供选择，亦可通过实测或数值模拟方法确定。

1.3 保护系数阈值的确定

规程、规范中有些条款来源于实践经验的总结，这些经验性总结经实践验证后被写入规程规范中，成为防治水工作的依据，可以合理应用。《“三下”开采规范》附表4-3 对防水安全煤（岩）柱保护层厚度取采高的倍数做出了明确规定（表1）。从表1 可以看出，保护层厚度与覆岩力学强度、含水层下有无黏性土层以及黏土层厚度等均有关系，较容易理解。但表1 第四列“松散层全厚小于累计采厚”影响保护层厚度，甚至其影响程度大于黏土层的影响程度，较难理解，也验证了经验总结未必都能从学术角度去解释的观点。

表1 防水安全煤岩柱保护层厚度Table 1 Thickness of waterproof and safety coal rock pillar protection layer

表1 的表头文字中均有“松散层”，说明其适用对象为第四系松散含水层，对于基岩含水层下采煤如何确定保护层厚度并未明确。

这里的松散层为含水层，黏性土层即为隔水层，通过词语替换，则表1 转换为下表（表2）。

表2 防水安全煤岩柱保护层厚度Table 2 Thickness of waterproof and safety coal rock pillar protection layer

理论上，煤系地层通常为砂泥岩互层型沉积建造，其中砂岩因其内生孔隙（裂隙）发育而成为含水层，泥岩则因其具有阻水功能而成为隔水层，且泥岩累计厚度一般大于采厚，故基岩含水层下采煤符合表2 中“含水层底部隔水层厚度大于累计采厚”的条件，保护层厚度可按表1 中“松散层底部黏性土层厚度大于累计采厚”的规定选取，即（2A、2A、3A、4A）。实践中，煤层隐伏露头附近残存的基岩不一定为泥岩，阻水能力受到影响，故建议基岩含水层下采煤保护层厚度取其上限，统一为4A。

按上述方法确定的保护层厚度所得到的保护系数即为分区阈值，其上限按实际情况取如式（3），分区阈值以Bi表示：

2 水害风险等级划分与评价方法

2.1 水害风险等级划分

保护系数是衡量上覆含水层水进入采场风险性大小的指标。根据计算得到的保护系数（Bs）以及确定的分区阈值，可将顶板水害划分为3 个风险等级：突水区、危险区、安全区。突水区：Bs≤0，危险区：0

1）突水区：当Bs≤0 时，煤层至上覆含水层之间的隔水层厚度（Hg）小于或等于导水裂隙带高度（Hli），导水裂隙带部分或全部进入含水层，含水层水可以直接进入采场，故划为“突水区”（图2a）。

图2 “三区”空间结构示意Fig.2 Schematic of the spatial structure of the “three zones”

2）危险区：当0

3）安全区：当Bs≥Bi时，隔水层厚度（Hg）大于导水裂隙带高度（Hli），且保护层厚度大于由阈值确定的厚度（Hb≥BiM），含水层水进入采场的路径被阻断，采煤是安全的，故划为“安全区”（图2c）。

2.2 评价方法

煤层顶板水害风险评价过程按以下步骤展开：

1）煤层上方有多层含水层时，应对各含水层分别计算保护系数、分别绘制保护系数等值线图、分别进行“三区”划分。

2）推荐采用Excel 表格建立保护系数计算表（表3）。根据评价区内及其附近钻孔柱状图，统计钻孔编号、孔口坐标、含水层（体）底板埋深（h1）、煤层顶板埋深(h2)、煤层厚度等基本参数并填入表3。

表3 保护系数（Bs）计算Table 3 Calculation of protection coefficient (Bs)

3）将选定的导水裂隙带计算公式输入表3 内，自动计算各钻孔孔位上导水裂隙带高度（Hli）。

4）当采高与煤层实际厚度不一致时，应根据选定的综采支架最小、最大支撑高度，预计采高并填入表3 内，用预计的采高（A）计算导水裂隙带高度。

5）将保护系数计算公式（Bs=Hb/A）输入表2，自动计算各孔位上保护系数。

6）采用Surfer 或其他软件绘制保护系数等值线图，根据确定的阈值在该图上划分“三区”。

2.3 对突水区（危险区）的处置方式

所谓的“突水区”或“危险区”并不必然会发生水害，结合含水层的富水性、可疏降性、补给水源丰富性、经济合理性、防排水系统能力等，对突水区以及危险区的煤层有以下4 种处置方式：

1）若采动影响范围内含水层的富水性为中等及以上，静储量大或补给源丰富，疏干开采不经济或安全保障性较低，则突水区或危险区的煤炭资源应作为水文地质损失，留作防隔水煤柱，不得开采。

2）若采动影响范围内含水层的富水性虽然较强，但静水储量小、补给水源匮乏，疏干开采经济合理，则突水区或危险区的划分用来确定需要疏放的含水层以及需要疏放的区域，指导疏放水工程设计。

3）若煤层顶底板岩层为弱胶结低强度强膨胀性软岩，少量的顶板淋水也会造成采场泥化、底鼓、采煤支架陷底、水砂混合突涌等恶化作业环境的现象，即使采动影响范围内含水层的富水性较弱仍需要采取疏干开采措施，则突水区或危险区的划分用来确定需要疏放的含水层以及需要疏放的区域，指导疏放水工程设计。

4）若采动影响范围内含水层富水性弱，防排水系统能力能够满足最大涌水量时排水需要，突水区或危险区的煤层可以正常开采。

3 鲁新煤矿9 煤顶板含水层评价

3.1 开采技术条件

鲁新煤矿田位于内蒙古锡林郭勒盟乌拉盖镇境内，为一独立的聚煤盆地，面积约28.77 km2，白垩系大磨拐河组为含煤地层，火山疑灰岩为含煤地层基底。

3.1.1井田地层（含水层）

井田内地层（含水层）自上而下简述如下：

第四系(Q)：由松散冲洪积物组成，均厚14.77 m，单位涌水量0.623～2.673 L/（s·m），渗透系数8.422～25.020 m/d，以HCO3-Na·Ca 型水为主，水位埋深2.72～5.83 m，为当地生态水源。

新近系（N2），上段为半固结的杂色泥岩，均厚38.8 m，可有效阻断其上下含水层间水力联系；下段为弱胶结砂砾岩，均厚59.24 m，单位涌水量0.315～1.023 L/（s·m），渗透系数0.522～7.717 m/d，水位埋深0.50～8.80 m。

下白垩统大磨拐河组（K1d）：下段以泥岩、粉砂质泥岩为主，厚度230～530 m，富水性弱；上部为含煤岩段，最大厚度600 m，为砂岩、泥岩、煤层等互层型沉积，可再分为3 个含水层（段）：

6 煤顶板含水层（段），岩性为砂砾岩，厚度5.22～61.38 m，单位涌水量0.116 5～0.448 9 L/（s·m），渗 透 系 数0.249 5 ～8.629 4 m/d，水 位 埋 深3.75～6.49 m，与新近系砾岩含水层有密切的水力联系。

9 煤顶板～6 煤底板含水层（段），由层数不等、厚度不稳定的中粗粒砂岩组成，单位涌水量0.001～0.483 L/（s·m），渗透系数0.007～0.924 m/d，水位埋深2.47～23.37 m。

11 煤顶板～9 煤底板含水层（段），由层数不等、厚度不稳定的中粗粒砂岩组成，单位涌水量0.000 9～0.088 5 L/（s·m），渗透系数0.004～0.832 m/d，水位埋深4.32～41.05 m。

自上而下煤层编号为 1～15 煤层，9 煤及以上煤层因受新近系或6 煤顶板含水层威胁严重，经论证列为水文地质损失煤量；11 煤、13 煤、14 煤为主要可采煤层，矿井首采11 煤。煤层与含水层空间组合关系如图3 所示，图中9-2，10-1—10-7 为孔号。

图3 第10 勘探线地质剖面图Fig.3 Geological profile of exploration line 10

3.1.2岩石物理力学参数

6 煤层：顶板岩层平均抗压强度4.9 MPa，抗拉强度0.88 MPa，黏聚力0.8 MPa；底板岩层平均抗压强度6.45 MPa，抗拉强度0.55 MPa，黏聚力0.70 MPa。

9 煤层：顶板岩层平均抗压强度8.27 MPa，抗拉强度1.0 MPa，黏聚力0.4 MPa；底板岩层平均抗压强度9.53 MPa，抗拉强度0.76 MPa，黏聚力0.4 MPa。

11 煤层：顶板岩层平均抗压强度10.31 MPa，抗拉强度0.74 MPa，黏聚力0.6 MPa；底板岩层平均抗压强度11.59 MPa，抗拉强度0.80 MPa，黏聚力平均0.5 MPa。

13 煤层：顶板岩层平均抗压强度8.16 MPa，平均抗拉强度0.79 MPa，凝聚力平均0.5 MPa；底板岩层平均抗压强度11.53 MPa，抗拉强度0.82 MPa，凝聚力0.62 MPa。

含煤地层具有弱胶结、低强度、强膨胀等软岩特点，砂岩遇水崩解、泥岩遇水泥化，需要采取疏干开采措施。

3.2 确定评价原则

该矿为新建矿井，首采区东西宽2 250 m，南北长3 500 m，面积约7.9 km2，开采11 煤层。采区内共设计7 个采煤工作面，编号分别为11101、11102、11103、11104、11105、11106、11107 工作面。采区内11 煤厚度3.45～13.15 m，平均厚度10.50 m；煤层埋藏深度118.35～324.35 m，平均222.4 m。结合井田内含水层富水性、补给水源条件、岩石物理力学特点、生态环境条件等，确定评价原则如下：

1）对11 煤顶板上各含水层（段）分别进行评价。评价对象包括11 煤顶板～9 煤底板含水层、9 煤顶板～6 煤底板含水层、新近系含水层、第四系含水层（首采区内6 煤顶板砂砾岩基本被风化剥蚀，残余部分并入新近系含水层）。

2）第四系松散含水层，富水性强，补给水源丰富且为当地重要生态水源，不允许采动破坏。

3）新近系砂砾岩含水层，富水性中等～强，补给水源丰富，不允许受到采动破坏。

4）政府部门要求首采面采高控制为3.0 m，根据试采情况再行决定后续工作面是否可以提高到4.0 m。故按3.0、4.0 m 采高分别进行评价。

5）选择《“三下”开采规范》中适用∑于软弱岩石的导水裂隙带高度计算公式：Hli=。

3.3 确定评价阈值

1）第四系松散含水层：含水层下无黏性土隔水层，基岩岩性为软弱，对照表1 中“松散层底部无粘性土层”、覆岩岩性“软弱”的条件，保护层厚度选5A，故第四第含水层保护系数分区阈值为（0，5）。

2）基岩含水层：根据前文，基岩含水层下保护层厚度选4A。该井田为独立的聚煤盆地，周边近百公里范围内没有其他井工煤矿，无经验可循；评价对象为矿井的首采煤层的首采区，首采工作面亦为试采工作面，保护层厚度偏于保守性上限（4A）是合理的，保护系数分区阈值为（0，4）。

3.4 评价过程与评价结论

1）收集首采区及其附近的21 个钻孔资料，从钻孔柱状图上统计相关参数并填入表4，经计算得到各含水层的保护系数（表4）。

表4 各含水层保护系数（Bs）Table 4 Protection coefficient of each aquifer (Bs)

2）“三区”划分，据表4 数据绘制各含水层保护系数等值线图，在等值线图上划分“三区”（图4—图6）。

图4 第四系含水层评价成果Fig.4 Evaluation results of quaternary aquifer

3）评价结论。

第四系含水层：采高为3.0 m 时保护系数为28.6～87.1，采高为4.0 m 时保护系数为12.6～63.2，井下开采不会破坏第四系含水层，设计的7 个工作面均位于安全区内（图4）。

新近系含水层：采高为3.0 m 时，11101 工作面部分位于突水区内，11102 工作面部分位于危险区内；采高为4.0 m 时，突水区和危险区的范围有所扩大，影响对象仍然是11101 工作面和11102 工作面，应留做防水煤柱，禁止开采（图5）。

图5 新近系含水层评价成果Fig.5 Evaluation results of the Neogene aquifer

9 煤顶板含水层：采高为3.0 m 时，11101、11102、11103 等3 个工作面部分位于突水区或危险区，11104、11105 等2 个工作面部分危险区内；采高为4.0 m 时，11101～11105 等5 个工作面部分位于突水区或危险区，11106、11107 等工作面部分位于危险区（图6）。9 煤层顶板砂岩含水层段总体富水性弱，突水区或危险区需要采取措施预先疏干。

图6 9 煤顶板含水层评价成果Fig.6 Evaluation results of roof aquifer in coal seam 9

11 煤顶板砂岩含水层为直接充水含水层，保护系数均小于0，开采前需要彻底疏干。

4 结 论

1）保护系数法评价煤层顶板水害风险，本质上是对《“三下”开采规范》中保护层概念的反向运用。把导水裂隙带顶界面到上覆含水层之间的隔水岩层统称为保护层，更符合“保护”一词的科学内涵。保护系数仅涉及保护层厚度和采高等2 个要素，计算公式简单明了，评价方法简单易行，适宜在生产单位推广应用。

2）《“三下”开采规范》（2017 版）附表4-3 的表头文字表明，其评价对象为第四系松散含水层，以松散含水层下有无粘性土以及粘性土层厚度与采高的关系确定保护层厚度。对于基岩含水层以及老空水体下采煤等情形中如何确定保护层厚度，现行的规程规范中尚属空白。本文借助泥岩与粘性土层都具有阻水功能这一共同特点，将基岩含水层（包括老空水体）下采煤的保护系数分区阈值设定为（0，4）是合理的；同时，矿山企业在生产实践中可以进一步探索本矿区的适用阈值。

3）根据保护系数和评价阈值，可将评价区划分为突水区、危险区、安全区。当含水层富水性为中等及以上时，“突水区”和“危险区”的内涵更侧重于安全性，这部分煤层一般作为防水煤柱留设；当含水层富水性较弱、疏排经济时，“突水区”和“危险区”主要用来来指导疏放水工程设计，尤其适用于膨胀性软岩条件。

4）保护系数评价法应用于鲁新煤矿首采煤层首采区顶板水害风险评价，确定了第四系含水层不受采动影响，1101、1102 等2 个工作面因开采会影响到新近系含水层，应作为防水煤柱留设；划定了9 煤顶板含水层需要预先疏放水的区域。