煤層底板隱蔽水害危險源效應與定位實驗研究

李攀峰

煤層底板隱蔽水害危險源效應與定位實驗研究

李攀峰

(中煤地質集團有限公司，北京 100040)

近年來隱蔽于煤層底板的導水陷落柱和斷層突水已造成多個礦井被淹，給企業帶來巨大經濟損失和安全威脅。為查明上述隱蔽危險源的水文地質效應，探索其定位方法，根據華北石炭–二疊紀煤田的水文地質條件，進行危險源位于測區內部的沙槽實驗研究。實驗顯示：流場穩定后隱伏陷落柱效應表現為水頭、水溫和離子濃度等值線均呈同心的閉合圈狀，危險源位于最大等值線閉合圈內；在危險源上游區水頭等值線密度變小，下游區密度變大；溫度和離子濃度等值線分布則相反，在上游區等值線密度變大，下游區密度變小。隱伏斷層的效應表現為水頭、水溫和離子濃度的等值線均呈平行線狀，危險源位于2條最大平行線之間。同樣，水頭等值線在危險源的下游區密度變大，上游區密度變??；溫度和離子濃度等值線則相反。2種危險源的溫度和離子濃度最大等值線范圍都遠大于水頭等值線的范圍和危險源的實際尺寸，而危險源實際位置都靠近等值線密度大的一側。根據實驗結果，提出圖解法和流場擬合法2種定位危險源的方法，其誤差都不大于6 m。本文關于危險源效應的檢測方法可用于華北石炭–二疊紀煤礦底板隱蔽導水陷落柱或斷層在薄層灰巖含水層中水頭、溫度和離子濃度效應的檢測，為其定位和治理提供依據。

陷落柱；斷層；隱蔽危險源；突水；沙槽實驗；尋源定位；效應；華北石炭–二疊紀煤田

煤層底板隱蔽水害危險源—導水陷落柱和導水斷層已造成華北許多煤礦突水淹井，據近30 a的礦井水害統計，19個煤礦發生了 21 次底板隱伏陷落柱和隱伏斷層重大突水淹井災害，其中15次突水水溫超過 42℃。最嚴重突水災害為2010年3月的駱駝山煤礦煤層底板隱伏陷落柱突水，造成32人死亡；最新突水淹井災害為2018年鶴壁第五煤礦底板斷層突水，造成礦井被淹。對于隱蔽危險源，目前尚無有效的物探方法，造成突水淹井的風險仍然難以控制。因此，開展煤層底板隱蔽水害危險源物理效應及溯源定位研究具有重要的實際意義。

國內煤層底板突水研究程度較高，先后出現了“下三代”理論[1]、“原位破裂”理論[2]、“關鍵層”理論[3]、“下四代”理論[4]和“遞進導升”理論[5]等，其中“遞進導升”理論與隱蔽水害危險源相關，其導升高度的遞進發展是底板突水的原因?；谠摾碚撻_發了突水前兆檢測技術[6-7]；且多名學者分別利用水壓對裂隙尖端強度因子影響，得出了不同的突水判別式。上述研究說明隱伏于煤層底板的導水斷層為底板突水危險源，斷層在向其穿過的含水層充水過程中，會造成水壓、水溫和離子濃度變化。

陷落柱突水機理的研究成果也比較多，主要有陷落柱因采礦而活化的理論[8-12]、薄壁筒破裂理論[13]等，但均與水文地質效應無關。陷落柱的形成機理已經有“膏溶”說[14]、“下蝕”說[15]和“內外循環”說[16]等。只有與熱對流有關的“內外循環”說涉及陷落柱的溫度問題。近幾年柱狀熱源和離子源的模擬實驗研究[17-18]發現地熱和離子擴散過程中具有規律性較強的地溫梯度場和離子濃度梯度場，這就使根據溫度效應和離子濃度效應尋找陷落柱成為可能。

在華北石炭–二疊紀煤田，奧陶紀灰巖(簡稱奧灰)的水頭、溫度和離子濃度普遍高于其上覆的石炭–二疊系太原組灰巖(簡稱太灰)的水頭、溫度和離子濃度。因此，不論是陷落柱還是斷層危險源，在太原組灰巖或砂巖含水層內必將產生水頭、溫度和離子濃度的效應，為危險源的檢測與定位提供了依據。

總之，前人盡管已認識到導水斷層和陷落柱是礦井水害危險源，但未對其產生的水頭、溫度或離子濃度效應進行過系統的現場檢測或實驗測試，因而無法對上述隱蔽危險源進行水文地質定位。筆者對這2種隱蔽危險源在煤層底板太灰含水層內產生的水頭、溫度和離子濃度效應進行檢測實驗，并根據實驗結果對危險源進行定位研究，以期對物探方法形成補充，為危險源針對性的治理提供依據。

1 實驗設計

1.1 實驗平臺結構

實驗平臺左右兩端分別為進、出水倉，中間為沙槽(實驗區)，沙槽長=0～240 cm，寬=0～80 cm，高=60 cm，側方為危險源的供水水槽，如圖1所示。在測區內設置40個監測點，每個點都可以檢測溫度、水頭和離子濃度。

實驗以華北石炭–二疊紀煤田底板地層結構安排水槽內含水層和隔水層組合，如圖2所示。中部細砂層代表太原組灰巖含水層，滲透系數=0.047 m/d。含水層水源由圖1中進水倉提供。含水層頂底板為膨潤土，代表隔水層。含水層內的“立柱”為細礫石，代表陷落柱或斷層，滲透系數=0.61 m/d。導水陷落柱或導水斷層的水源由圖1中陷落柱或斷層供水槽提供，水壓、水溫和離子濃度均高于含水層。代表陷落柱發育于奧陶系灰巖內，終止于太原組灰巖含水層內，成為底板隱蔽水害危險源。

1.2 水文地質條件

含水層進出口水壓分別由進水倉壁和出水倉的溢流孔控制，進水口水頭恒定為1=450±1 mm，溫度恒定為0=8.2±0.5℃，Cl–質量濃度恒定為0=4.50±0.5 mg/L，排水口水頭恒定為2=442± 1 mm，初始水力梯度0=1/30。陷落柱或斷層供水水頭恒定為s=60±1 mm；Cl–質量濃度恒定為s=260± 0.5 mg/L，溫度恒定為s=40±0.5℃。

圖1 實驗沙槽俯視圖和含水層底板平面圖

圖2 沿水流方向沙槽內實驗物理模型剖面圖

斷層和陷落柱的補給水源在含水層內已長期存在，且已形成穩定的流場，因此，采用穩定流為實驗條件，模擬檢測區內外的導水陷落柱或導水斷層的水頭、水溫和Cl–在含水層內的效應。

1.3 實驗方法

水頭采用測壓管測試，測試頻率為1次/min，溫度采用傳感器測試，頻率為10次/min，離子濃度采用復合電極測試，頻率為2次/h。

1) 實驗一：陷落柱水文地質效應檢測

實驗過程如下：① 在細砂含水層中心部位開挖?100 mm的圓筒，填入細礫，測壓管和溫度傳感器安裝完成后，鋪設頂板隔水層；② 觀測并記錄水頭、溫度和離子濃度直至最后兩次變化量之比大于95%，實驗結束；③ 繪制水頭、溫度和離子濃度等值線圖。

2) 實驗二：斷層水文地質效應檢測

實驗過程如下：① 在陷落柱的正上方開挖，直至含水層；取出陷落柱內的所有物質；在含水層內通過原陷落柱位置開挖3 cm寬、垂直于箱體邊的溝槽，直至含水層底板；在槽內充填細礫，直至充滿為止；安裝測壓管、溫度傳感器后，用膨潤土填埋頂板隔水層的溝槽。② 觀測并記錄水頭、溫度和離子濃度，方法同上。③ 繪制水頭、溫度和離子濃度等值線圖。

2 實驗結果

2.1 導水陷落柱的物理效應

2.1.1 水頭效應

流場穩定后，測得水頭等值線如圖3所示。在靠近進水端和出水端水頭等值線仍保持相互近似平行的狀態，而越靠近陷落柱位置，水頭等值線曲率和梯度越大，且基礎流場下游方向的梯度大于上游，在陷落柱周圍附近水頭等值線形成閉合圈。

圖3 陷落柱在流場穩定后水頭等值線

2.1.2 溫度效應

同一實驗的溫度數據也顯示類似規律：越靠近陷落柱位置，溫度等值線曲率和梯度越大，在陷落柱附近形成以陷落柱為中心的溫度等值線閉合圈。但和水頭效應不同的是，在基礎流場上游方向的等值線曲度和梯度大于下游，溫度傳導范圍小，溫度發生明顯變化的范圍為40～60 cm。在順水流方向上，溫度擴展已到達出水端處。水頭穩定時，溫度還沒有完全穩定，還在發生緩慢變化，在整個實驗過程中，在危險源下游，高溫區一直在上升，但基本格局不變，如圖4所示。

圖4 陷落柱在流場穩定后溫度等值線

2.1.3 濃度效應

同一實驗的Cl–濃度數據顯示了與溫度場類似規律：越靠近陷落柱位置，離子濃度等值線曲率和梯度越大，但基礎流場上游方向的曲度和梯度大于下游，在陷落柱周圍附近形成以陷落柱為中心的離子濃度等值線閉合圈，如圖5所示。水頭穩定時，離子濃度還沒有完全穩定，在整個實驗過程中，陷落柱外的離子濃度一直在緩慢上升。

2.2 導水斷層的物理效應

2.2.1 水頭效應

在基礎流場穩定后，往斷層內注入與前述實驗相同的Cl–溶液。流場穩定后的水頭等值線如圖6所示，在斷層兩側，水頭等值線均密集，但在斷層上游方向，等值線開始密度很大，然后迅速變緩進入平原區至進水口；下游方向，斷層臨近區域水頭的等值線密度大，然后以均勻的坡度延伸至排泄端。流場總體上呈現出以斷層線為界線，兩側形成平行的水頭等值線，這一現象為斷層危險源的定位提供依據。

圖5 陷落柱在流場穩定后Cl–質量濃度等值線

圖6 導水斷層流場穩定后水頭等值線

2.2.2 溫度效應

水流場穩定后，在兩盤形成與斷層平行的等溫線，如圖7所示。從等值線可以看出，逆流方向上，溫度的顯著影響范圍局限在斷層30～40 cm；順流方向上，溫度等值線的密度變化不大，溫度影響范圍遠較逆流影響的大，覆蓋了從斷層至排泄端的整個區域。溫度從斷層向兩邊成不對稱下降的變化規律，為斷層危險源的定位提供依據。但值得注意的是，溫度最大值區域隨著時間推移而不斷擴大，在實驗結束時，溫度最大值區域已遠大于斷層帶區域，這將對斷層危險源的定位造成很大誤差。通過比較，斷層溫度效應的影響范圍比水頭效應影響范圍要大得多，兩者之間的顯著差別說明，溫度效應的影響方向和范圍受到水力坡度的影響較大，但最大等值線中直線度高的一側靠近斷層危險源。

圖7 導水斷層流場穩定后水溫等值線

2.2.3 濃度效應

在水流場穩定后，Cl–濃度場如圖8所示。在斷層兩側形成狹長條帶狀的Cl–濃度等值線密集區。逆流方向靠近斷層30 cm范圍內，等值線密度大。30 cm以外區域等值線密度突然變緩，呈平原狀態。順流方向上，等值線密度變化不大，離子濃度影響范圍遠較逆流方向的大，覆蓋了從斷層至排泄端的全區。濃度從斷層向兩邊成不對稱下降的變化規律，為斷層危險源的定位提供了理論依據。同樣，離子濃度最大值區域隨著時間推移而不斷擴大，在水頭場穩定時，濃度場仍在變化，濃度最大值區域已遠大于斷層帶區域，但斷層危險源靠近2條最大等值線中直線度高的那一側。

圖8 測區內流場穩定后導水斷層水中Cl–質量濃度等值線

3 危險源定位

3.1 圖解法

根據實驗一和實驗二的結果，測區內危險源效應的最大等值線有閉合圈和平行線2種形式。如果危險源為導水陷落柱，那么水頭、溫度和離子濃度的最大值等值線呈閉合圈，靠近閉合曲線直線度高的一側為危險源位置，如圖3—圖5所示；如果危險源為導水斷層，那么水頭、溫度和離子濃度等值線在斷層兩側呈對稱平行線，最大的2條平行線之間靠近直線度高的一側為危險源的位置，如圖6—圖8所示。

3.2 擬合法

如果測點不足，指標差異不夠大，水頭、溫度或離子濃度等值線可能難以出現完整的閉合圈或直線狀平行線，而是呈現出多個閉合圈或放大的閉合圈圖，或呈喇叭口狀曲線。在這種情況下，人工難以準確地確定危險源的位置，需借助軟件對流場進行擬合。

流場擬合實質上就是反演尋源的數值模擬技術，具體方法是先繪制出水頭、水溫和離子濃度等值線圖，然后根據圖形確定危險源是陷落柱還是斷層，再在圖中確定危險源可能存在的大區域，將大區域細分為與危險源尺寸相當的小區域，再將小區域作為危險源進行試算，最后根據相關系數確定危險源位置，即相關系數最大的試算結果定為最終的危險源位置。根據Pearson公式可得相關系數。

試算的含水層初邊條件已知，危險源最大水頭高度、最高溫度、最大離子濃度、危險源大約幾何尺寸均為已知，僅危險源位置待求。

如果3種指標計算出的危險源位置不完全重合，則以最大重疊區為準；如果沒有重疊區，則以最靠近2個擬合區中心點連線的中點為危險源。現以算例對這一方法加以說明。

1) 算例一：測區內隱伏導水陷落柱的定位

初始條件和基礎參數同實驗一，不同的是測點數由40減少到10，但仍保持均勻分布。根據10個測點的數據繪出水頭、溫度和離子濃度等值線圖，如圖9—圖11所示。在3張圖上，上述指標等值線都分別存在1個閉合圈，可以斷定危險源為陷落柱，且危險源就在該閉合圈內。但圖9中實測水位等值線(黑線)和擬合水位等值線(灰色)最大值閉合圈都為橢圓形，擬合最大等值線閉合圈的長短軸分別為24、12 cm，遠大于常見陷落柱的尺寸10 cm；將其劃分為6個小區，再對各小區進行試算，最后得到A2和A3的擬合相關系數最大，取其中點為危險源所在位置。

圖9 10測點時陷落柱等水頭線及危險源擬合區

同理，10個測點時獲得了溫度等值線與Cl–濃度等值線，如圖10和圖11所示，顯示為閉合圈形態的曲線，判斷應為陷落柱危險源。擬合曲線所包圍的區域都為渾圓形，因區域較大，將其劃分為9個小區。擬合結果顯示在A2小區和A7小區的擬合誤差最小，定為危險源。

水頭擬合的危險源中心與實際危險源中心偏離1.5 cm，因為陷落柱直徑為10 cm，模擬得到的陷落柱中心落入實際陷落柱體內，施工鉆孔不會漏探；溫度和濃度擬合的危險源中心與實際危險源中心偏差分別為2.5、3.0 cm，危險源中心也都位于實際危險源內，不會漏探。

圖10 10測點時陷落柱等溫線及危險源擬合區

圖11 10測點時陷落柱Cl–質量濃度等值線及危險源擬合區

2) 算例二：隱伏導水斷層的定位

本算例的初始條件和基礎參數同實驗二。根據10個測點的數據繪出水頭、溫度和離子濃度等值線如圖12—圖14所示。在3張圖上，各類等值線都呈平行線狀，可以斷定危險源為導水斷層。根據實驗結果，危險源應定位在2條最大的平行線之間。但圖12中2條平行最大等值線的寬度為8 cm，大于斷層帶寬度(3 cm)，因此，將該區域再分為7個小區域，本著在兩平行等值線間直線度高的一側優先的原則，先擬合A區，依次為A，B，…，E。結果顯示A區擬合相關系數最大，確定A區為斷層位置，擬合得到的危險源位置和試驗中實際危險源位置誤差0.5 cm。溫度和濃度也同樣劃分為7個小區進行擬合，分別是B小區和B區的誤差最小，定為危險源位置，與實驗中實際危險源誤差 2 cm。3種擬合結果的重合區為=120～124 cm，=0～80 cm，將其定為最終的危險源中心位置。

圖12 10測點時斷層等水頭線及危險源擬合區

圖13 10測點時斷層等溫線及危險源擬合區

圖14 10測點時斷層Cl–質量濃度等值線及危險源擬合區

4 結論

a. 水頭、溫度和離子濃度等值線都呈現出以陷落柱為中心的閉合狀，其中最大等值線閉合圈為陷落柱位置。

b. 水頭、溫度和離子濃度等值線都以斷層為軸呈現出對稱的平行線狀，2條最大值平行等值線之間的區域為斷層的位置。

c.底板隱蔽水害危險源是可以通過水頭、溫度和離子濃度效應采用圖解法或擬合法進行定位。如果測點密度較大，陷落柱危險源則位于水頭、溫度和離子濃度最大等值線之內；斷層危險源位于2條最大值等值線之間。如果測點稀疏，各類危險源需要采用場擬合法定位，擬合曲線相關系數最大者為危險源的位置。

致謝：中煤科工集團西安研究院有限公司王皓研究員為實驗提供了平臺，并在設備和材料上給予了幫助；實驗和論文撰寫過程中得到華北科技學院王經明教授的指導，在此一并表示衷心感謝！

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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

中煤地質集團有限公司科技發展專項資金項目(ZMDZJTKJ-2019-03)

李攀峰，1980年生，男，安徽臨泉人，高級工程師，從事煤炭地質及水工環勘查工作. E-mail：29105576@qq.com

李攀峰. 煤層底板隱蔽水害危險源效應與定位實驗研究[J]. 煤田地質與勘探，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

(責任編輯 周建軍)