基于多變量的太灰含水層突水風(fēng)險(xiǎn)性分類判別研究

許海濤，馮吉成，尹尚先，劉本沖

(1.華北科技學(xué)院，北京 101601； 2.淮北礦業(yè)股份有限公司蘆嶺煤礦，安徽 淮北 234000)

我國(guó)北方主要產(chǎn)煤地華北型礦區(qū)，東起徐州、淄博、肥城、兗州，西至陜西渭北，北起遼寧南部，南至淮南、平頂山一帶，幾乎都受石炭二疊紀(jì)煤系底部的太原組灰?guī)r(以下簡(jiǎn)稱“太灰”)含水層及奧陶紀(jì)灰?guī)r(以下簡(jiǎn)稱“奧灰”)含水層影響[1]。太灰含水層為華北型煤田的下組煤開采直接充水含水層，在下組煤層開采時(shí)，頂?shù)装逄液畬油凰鹿蕰r(shí)有發(fā)生[2-4]，底板太灰水害治理與研究是保障華北型煤田下組煤安全開采亟待解決的難題[5-6]。我國(guó)科研工作者針對(duì)底板突水機(jī)理開展了大量的研究工作，分別從構(gòu)造誘發(fā)突水[7]、圍巖變形破壞[8]和底板塑性破壞[9]等方面揭示底板突水機(jī)理，對(duì)礦井底板突水事故防治起到了指導(dǎo)作用。太灰含水層的隱患可通過疏水降壓和注漿加固等方法進(jìn)行治理[10-11]，清楚認(rèn)識(shí)太灰含水層突水系數(shù)、富水性、補(bǔ)給條件、構(gòu)造發(fā)育情況等地質(zhì)特征，是決定其治理效果的關(guān)鍵。當(dāng)太灰含水層與奧灰強(qiáng)含水層、地表水體或第四系松散含水體發(fā)生水力聯(lián)系時(shí)，太灰含水層富水性便大大增強(qiáng)，直接疏水降壓很難達(dá)到好的效果。同樣，不能認(rèn)清構(gòu)造發(fā)育的復(fù)雜性和補(bǔ)給聯(lián)系，也會(huì)影響注漿加固預(yù)期效果。因此，筆者對(duì)近年發(fā)生的太灰含水層突水事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，篩選影響太灰含水層突水致災(zāi)主要變量，對(duì)不同地質(zhì)條件、不同變量影響的太灰含水層進(jìn)行分類，并對(duì)其突水風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行判別，制訂針對(duì)性的防治措施，以防止太灰含水層單一型突水，或與其他含水層聯(lián)系的復(fù)合型突水事故的發(fā)生。

1 太灰含水層特點(diǎn)及突水案例分析

1.1 太灰含水層特點(diǎn)

從全國(guó)太灰含水層分布情況看[1]，主要表現(xiàn)為以下特點(diǎn)：

1)太灰含水層一般位于煤層的頂板或底板；

2)太灰含水層厚度與奧灰含水層對(duì)比，其厚度偏薄；

3)太灰含水層一般呈多層分布，由幾層到十幾層組成；

4)太灰含水層富水性變化較大，各個(gè)分層富水性可呈由弱到強(qiáng)變化，同一含水層不同位置可呈由弱到強(qiáng)變化。

1.2 近年太灰含水層突涌水事故統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)近年太灰含水層突涌水事故進(jìn)行了不完全統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1所示[12-17]。

表1 近年太灰含水層突涌水事故案例統(tǒng)計(jì)

根據(jù)有關(guān)資料對(duì)礦井水文地質(zhì)條件，突水事故經(jīng)過、原因等方面的描述，主要從層位關(guān)系、突水系數(shù)、含水層富水性、突水水源、突水通道、突水位置等幾個(gè)維度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，主要表現(xiàn)為以下特點(diǎn)：

1)突水事故多數(shù)為煤層底板突水，也有少數(shù)為煤層頂板突水，與太灰含水層與煤層層位關(guān)系有關(guān)，太灰含水層有可能賦存在開采煤層的頂板或底板。

2)突水礦井突水系數(shù)多數(shù)大于0.06 MPa/m，但也有部分礦井突水系數(shù)小于0.06 MPa/m，突水系數(shù)大于0.1 MPa/m的礦井通過治理也可以不發(fā)生突水，因此突水系數(shù)可以作為判斷礦井突水風(fēng)險(xiǎn)的重要依據(jù)，但不能作為唯一依據(jù)。

3)從突水礦井含水層富水性看，多數(shù)達(dá)到中等富水性，或者有奧灰強(qiáng)含水層的補(bǔ)給，因此含水層富水性及補(bǔ)給條件是影響突水水量大小的關(guān)鍵因素之一。

4)從突水通道分析，多數(shù)突水事故突水通道為斷層、隱伏陷落柱或褶曲破碎帶，極少數(shù)出現(xiàn)鉆孔誘發(fā)突水或完整底板突水，因此構(gòu)造破碎帶是突水的主要通道，也是底板突水防治的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

5)突水點(diǎn)位置分布在回采工作面、工作面巷道、掘進(jìn)工作面等位置，采掘活動(dòng)造成的圍巖破壞和應(yīng)力重新分布是突水事故發(fā)生的重要誘因。

2 突水風(fēng)險(xiǎn)性判別變量

2.1 突水系數(shù)

從目前的研究水平和開采實(shí)踐來看，突水系數(shù)法仍是評(píng)價(jià)承壓水上開采安全性最簡(jiǎn)單有效的方法。突水系數(shù)包含了底板隔水層承受的實(shí)際水頭值和隔水層厚度兩個(gè)重要變量，突水系數(shù)是作用于底板隔水層的水壓與底板隔水層厚度之比值。底板受構(gòu)造破壞的地段突水系數(shù)臨界值為0.06 MPa/m，隔水層完整無斷裂構(gòu)造破壞的地段臨界值為 0.1 MPa/m。突水系數(shù)可以作為太灰含水層突水風(fēng)險(xiǎn)判別的重要變量。

2.2 富水性

太灰含水層的富水性是其突水的物質(zhì)基礎(chǔ)，其富水程度決定了突水水量大小和持續(xù)時(shí)間。如果巖溶發(fā)育、富水性強(qiáng)，受其影響的采掘工作面突水頻率及突水量均較大，反之則影響較小。根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》[18]，將含水層富水性分為4級(jí)：弱富水性、中等富水性、強(qiáng)富水性、極強(qiáng)富水性。該含水層富水性分類方法同樣適用于太灰含水層，太灰含水層富水性強(qiáng)弱，是影響含水層突水水量大小的基礎(chǔ)變量之一。

2.3 補(bǔ)給條件

太灰含水層在沒有補(bǔ)給的條件下一般為靜水儲(chǔ)量，但是如果出露地表或直接被第四系覆蓋，將接受降水、地表水或第四系松散含水體的動(dòng)水補(bǔ)給。另外，奧灰含水層可能通過斷裂裂隙、構(gòu)造破碎帶對(duì)太灰含水層越層補(bǔ)給。根據(jù)以往突水事故分析，太灰含水層是否有動(dòng)水補(bǔ)給源，直接影響突水量的大小和持續(xù)時(shí)間，同時(shí)會(huì)影響防治水措施，因此含水層的補(bǔ)給條件是突水風(fēng)險(xiǎn)判別的基礎(chǔ)變量之一。

2.4 斷裂構(gòu)造是否導(dǎo)通煤層與含水層

斷裂構(gòu)造尤其是斷層、陷落柱等，是造成太灰含水層突水的主要原因之一，大多數(shù)突水事故都與斷裂構(gòu)造相關(guān)，從某種意義上也可稱其為突水的控制因素。斷裂構(gòu)造對(duì)突水的影響主要考慮兩個(gè)方面：一是斷裂構(gòu)造造成煤層與太灰含水層導(dǎo)通，導(dǎo)致太灰含水層突水；二是斷裂構(gòu)造造成太灰含水層與奧灰含水層導(dǎo)通，導(dǎo)致太灰含水層與奧灰含水層復(fù)合型突水。因此，斷裂裂隙、斷層及陷落柱是否導(dǎo)通煤層與含水層，可以被視為突水風(fēng)險(xiǎn)判別的控制變量。

2.5 煤層與太灰含水層層位關(guān)系

太灰含水層可能賦存在開采煤層的頂板或底板。頂板太灰含水層將會(huì)成為直接充含水層，隨著煤層開采，含水層將直接與開采空間形成貫通，其富水性強(qiáng)弱，以及是否接受其他含水層的補(bǔ)給，對(duì)防治水措施的制訂影響較大。對(duì)于賦存在煤層底板的太灰含水層，則可以通過突水系數(shù)法、是否存在斷裂裂隙導(dǎo)通等因素進(jìn)行其突水風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)判，并制訂針對(duì)性的防治技術(shù)方法。因此，太灰含水層與煤層的層位關(guān)系是影響突水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判及防治方法制訂的一個(gè)影響變量。

3 突水風(fēng)險(xiǎn)性分類判別及防治方法

太灰含水層多變量突水風(fēng)險(xiǎn)分類判別如表2 所示。

表2 太灰含水層多變量突水風(fēng)險(xiǎn)分類判別

3.1 安全型

3.1.1 頂板安全型

1)風(fēng)險(xiǎn)性判別：太灰含水層位于煤層的頂板，煤層導(dǎo)水?dāng)嗔褞Э梢圆昂畬?，但是富水性弱，與其他含水層及地表水體無水力聯(lián)系，對(duì)煤層采掘影響較小，屬于頂板安全型，如圖1所示。

圖1 頂板安全型

2)防治方法：回采前進(jìn)一步查明頂板太灰含水層富水性，確定富水性弱，并對(duì)頂板太灰水進(jìn)行探放，確定疏干放凈之后方可正?；夭伞?/p>

3.1.2 底板安全型

1)風(fēng)險(xiǎn)性判別：太灰含水層位于煤層的底板，并距離較遠(yuǎn)，突水系數(shù)小于0.06 MPa/m，且煤層底板完整無裂隙、構(gòu)造發(fā)育，對(duì)煤層采掘影響較小，屬于底板安全型，如圖2所示。

圖2 底板安全型

2)防治方法：可以正?；夭?。

3.2 頂板突水危險(xiǎn)型

3.2.1 頂板突水危險(xiǎn)型(無補(bǔ)給)

1)風(fēng)險(xiǎn)性判別：太灰含水層位于煤層的頂板，煤層導(dǎo)水?dāng)嗔褞Э梢圆昂畬?，富水性中等及以上，與其他含水層及地表水體無水力聯(lián)系，采掘過程中具有頂板突水風(fēng)險(xiǎn)，屬于頂板突水危險(xiǎn)型(無補(bǔ)給),如圖3所示。

圖3 頂板突水危險(xiǎn)型(無補(bǔ)給)

2)防治方法：構(gòu)建礦井在線水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)立防治水專業(yè)組織機(jī)構(gòu)，并組建專業(yè)探放水隊(duì)伍；提前勘探、查明富水區(qū)并進(jìn)行安全評(píng)估；采前提前疏放、加強(qiáng)排水系統(tǒng)建設(shè)、分區(qū)隔離。

3.2.2 頂板突水危險(xiǎn)型(有補(bǔ)給)

1)風(fēng)險(xiǎn)性判別：太灰含水層位于煤層的頂板，煤層導(dǎo)水?dāng)嗔褞Э梢圆昂畬?，富水性中等及以上，與第四系松散含水層或地表水體有水力聯(lián)系，采掘過程中具有頂板突水風(fēng)險(xiǎn)，屬于頂板突水危險(xiǎn)型(有補(bǔ)給)，如圖4所示。

圖4 頂板突水危險(xiǎn)型(有補(bǔ)給)

2)防治方法：構(gòu)建礦井在線水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)立防治水專業(yè)組織機(jī)構(gòu)，并組建專業(yè)探放水隊(duì)伍；提前勘探、查明富水區(qū)、查明補(bǔ)給通道并進(jìn)行安全評(píng)估；采前提前疏放、帷幕截流、加強(qiáng)排水系統(tǒng)建設(shè)、分區(qū)隔離；如果第四系松散含水層或地表水體與季節(jié)相關(guān)，可以在枯水季進(jìn)行治理和回采。

3.3 底板太灰突水危險(xiǎn)型

3.3.1 底板太灰單一突水危險(xiǎn)型(無補(bǔ)給)

1)風(fēng)險(xiǎn)性判別：太灰含水層位于煤層的底板，突水系數(shù)大于0.06 MPa/m，富水性中等及以上，與其他含水層及地表水體無水力聯(lián)系，采掘過程中具有底板突水風(fēng)險(xiǎn)，屬于底板突水危險(xiǎn)型(無補(bǔ)給)，如圖5 所示。

圖5 底板太灰單一突水危險(xiǎn)型(無補(bǔ)給)

2)防治方法[18]：構(gòu)建礦井在線水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)立防治水專業(yè)組織機(jī)構(gòu)，并組建專業(yè)探放水隊(duì)伍；提前勘探、查明富水區(qū)、查明構(gòu)造發(fā)育情況并進(jìn)行安全評(píng)估；可以采取疏水降壓的方法，將突水系數(shù)降到0.06 MPa/m以下，并兼顧礦井排水、供水、環(huán)境保護(hù)“三位一體”的管理模式。

3.3.2 底板太灰單一突水危險(xiǎn)型(有補(bǔ)給)

1)風(fēng)險(xiǎn)性判別：太灰含水層位于煤層的底板，突水系數(shù)大于0.06 MPa/m，富水性中等及以上，且與松散含水層或地表水體有水力聯(lián)系，采掘過程中具有底板突水風(fēng)險(xiǎn)，屬于底板突水危險(xiǎn)型(有補(bǔ)給)，如圖6所示。

圖6 底板太灰單一突水危險(xiǎn)型(有補(bǔ)給)

2)防治方法[18]：構(gòu)建礦井在線水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)立防治水專業(yè)組織機(jī)構(gòu)，并組建專業(yè)探放水隊(duì)伍；提前勘探、查明富水區(qū)、查明構(gòu)造發(fā)育情況、查明補(bǔ)給通道并進(jìn)行安全評(píng)估；如果補(bǔ)給通道清楚，可以采取帷幕截流、疏水降壓開采的方法；如果補(bǔ)給充沛，不適宜采用帷幕截流、疏水降壓開采的方法，可采用地面區(qū)域治理或注漿改造含水層等方法，并編制專項(xiàng)設(shè)計(jì)，煤礦總工程師審批。

3.4 底板太灰與奧灰含水層關(guān)聯(lián)突水危險(xiǎn)型

1)風(fēng)險(xiǎn)性判別：太灰含水層位于煤層的底板，突水系數(shù)大于0.06 MPa/m，富水性中等及以上，且因裂隙(非斷層和陷落柱)發(fā)育與奧灰含水層有水力聯(lián)系，采掘過程中具有發(fā)生底板太灰與奧灰含水層關(guān)聯(lián)突水的風(fēng)險(xiǎn)，屬于底板太灰與奧灰含水層關(guān)聯(lián)突水危險(xiǎn)型，如圖7所示。

圖7 底板太灰與奧灰關(guān)聯(lián)突水危險(xiǎn)型

2)防治方法[18]：構(gòu)建礦井在線水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)立防治水專業(yè)組織機(jī)構(gòu)，并組建專業(yè)探放水隊(duì)伍；提前勘探、查明富水區(qū)、查明構(gòu)造發(fā)育情況并進(jìn)行安全評(píng)估；采前注漿改造、底板注漿阻截奧灰與太灰的水力聯(lián)系、加強(qiáng)排水系統(tǒng)建設(shè)、分區(qū)隔離；編制注漿加固或改造含水層設(shè)計(jì)和安全措施，并由煤礦總工程師組織注漿效果評(píng)價(jià)，采煤工作面突水系數(shù)不得大于0.1 MPa/m。

3.5 陷落柱或斷層貫通突水危險(xiǎn)型

1)風(fēng)險(xiǎn)性判別：一是斷裂構(gòu)造造成煤層與太灰含水層的導(dǎo)通，存在導(dǎo)致太灰含水層突水的較大風(fēng)險(xiǎn)；二是斷裂構(gòu)造造成太灰含水層與奧灰含水層的導(dǎo)通，存在導(dǎo)致太灰含水層與奧灰含水層復(fù)合型突水較大風(fēng)險(xiǎn)。該類型屬于陷落柱或斷層貫通突水危險(xiǎn)型，如圖8、圖9所示。

圖8 斷層貫通突水危險(xiǎn)型

圖9 陷落柱貫通突水危險(xiǎn)型

2)防治方法：對(duì)陷落柱及斷層的特性及賦存條件進(jìn)行分析，開展陷落柱及斷層鉆探、物探井上下綜合探查工作，分析陷落柱、斷層成因及導(dǎo)富水性，對(duì)陷落柱及斷層突水風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，合理留設(shè)保護(hù)煤柱、注漿封堵導(dǎo)水通道或采取安全技術(shù)措施直接推過。

4 結(jié)論

1)從不同維度對(duì)近年太灰含水層突涌水事故進(jìn)行了不完全統(tǒng)計(jì)，并對(duì)突水事故特點(diǎn)進(jìn)行了分析，確定突水系數(shù)、含水層富水性、補(bǔ)給條件、斷裂構(gòu)造是否導(dǎo)通煤層、層位關(guān)系為太灰含水層突水風(fēng)險(xiǎn)分類判別的主要變量。

2)根據(jù)確定的突水風(fēng)險(xiǎn)分類判別變量，將太灰含水層突水風(fēng)險(xiǎn)性劃分為安全型(頂板型或底板型)、頂板突水危險(xiǎn)型(有補(bǔ)給或無補(bǔ)給)、底板太灰單一突水危險(xiǎn)型(有補(bǔ)給或無補(bǔ)給)、底板太灰與奧灰含水層關(guān)聯(lián)突水危險(xiǎn)型、陷落柱或斷層貫通突水危險(xiǎn)型等類型，并分別闡明了防治方法。