煤層底板隱蔽水害危險(xiǎn)源效應(yīng)與定位實(shí)驗(yàn)研究

李攀峰

煤層底板隱蔽水害危險(xiǎn)源效應(yīng)與定位實(shí)驗(yàn)研究

李攀峰

(中煤地質(zhì)集團(tuán)有限公司，北京 100040)

近年來(lái)隱蔽于煤層底板的導(dǎo)水陷落柱和斷層突水已造成多個(gè)礦井被淹，給企業(yè)帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)損失和安全威脅。為查明上述隱蔽危險(xiǎn)源的水文地質(zhì)效應(yīng)，探索其定位方法，根據(jù)華北石炭–二疊紀(jì)煤田的水文地質(zhì)條件，進(jìn)行危險(xiǎn)源位于測(cè)區(qū)內(nèi)部的沙槽實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)顯示：流場(chǎng)穩(wěn)定后隱伏陷落柱效應(yīng)表現(xiàn)為水頭、水溫和離子濃度等值線均呈同心的閉合圈狀，危險(xiǎn)源位于最大等值線閉合圈內(nèi)；在危險(xiǎn)源上游區(qū)水頭等值線密度變小，下游區(qū)密度變大；溫度和離子濃度等值線分布則相反，在上游區(qū)等值線密度變大，下游區(qū)密度變小。隱伏斷層的效應(yīng)表現(xiàn)為水頭、水溫和離子濃度的等值線均呈平行線狀，危險(xiǎn)源位于2條最大平行線之間。同樣，水頭等值線在危險(xiǎn)源的下游區(qū)密度變大，上游區(qū)密度變小；溫度和離子濃度等值線則相反。2種危險(xiǎn)源的溫度和離子濃度最大等值線范圍都遠(yuǎn)大于水頭等值線的范圍和危險(xiǎn)源的實(shí)際尺寸，而危險(xiǎn)源實(shí)際位置都靠近等值線密度大的一側(cè)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出圖解法和流場(chǎng)擬合法2種定位危險(xiǎn)源的方法，其誤差都不大于6 m。本文關(guān)于危險(xiǎn)源效應(yīng)的檢測(cè)方法可用于華北石炭–二疊紀(jì)煤礦底板隱蔽導(dǎo)水陷落柱或斷層在薄層灰?guī)r含水層中水頭、溫度和離子濃度效應(yīng)的檢測(cè)，為其定位和治理提供依據(jù)。

陷落柱；斷層；隱蔽危險(xiǎn)源；突水；沙槽實(shí)驗(yàn)；尋源定位；效應(yīng)；華北石炭–二疊紀(jì)煤田

煤層底板隱蔽水害危險(xiǎn)源—導(dǎo)水陷落柱和導(dǎo)水?dāng)鄬右言斐扇A北許多煤礦突水淹井，據(jù)近30 a的礦井水害統(tǒng)計(jì)，19個(gè)煤礦發(fā)生了 21 次底板隱伏陷落柱和隱伏斷層重大突水淹井災(zāi)害，其中15次突水水溫超過(guò) 42℃。最嚴(yán)重突水災(zāi)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(zāi)害為2018年鶴壁第五煤礦底板斷層突水，造成礦井被淹。對(duì)于隱蔽危險(xiǎn)源，目前尚無(wú)有效的物探方法，造成突水淹井的風(fēng)險(xiǎn)仍然難以控制。因此，開(kāi)展煤層底板隱蔽水害危險(xiǎn)源物理效應(yīng)及溯源定位研究具有重要的實(shí)際意義。

國(guó)內(nèi)煤層底板突水研究程度較高，先后出現(xiàn)了“下三代”理論[1]、“原位破裂”理論[2]、“關(guān)鍵層”理論[3]、“下四代”理論[4]和“遞進(jìn)導(dǎo)升”理論[5]等，其中“遞進(jìn)導(dǎo)升”理論與隱蔽水害危險(xiǎn)源相關(guān)，其導(dǎo)升高度的遞進(jìn)發(fā)展是底板突水的原因。基于該理論開(kāi)發(fā)了突水前兆檢測(cè)技術(shù)[6-7]；且多名學(xué)者分別利用水壓對(duì)裂隙尖端強(qiáng)度因子影響，得出了不同的突水判別式。上述研究說(shuō)明隱伏于煤層底板的導(dǎo)水?dāng)鄬訛榈装逋凰ｋU(xiǎn)源，斷層在向其穿過(guò)的含水層充水過(guò)程中，會(huì)造成水壓、水溫和離子濃度變化。

陷落柱突水機(jī)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(zhì)效應(yīng)無(wú)關(guān)。陷落柱的形成機(jī)理已經(jīng)有“膏溶”說(shuō)[14]、“下蝕”說(shuō)[15]和“內(nèi)外循環(huán)”說(shuō)[16]等。只有與熱對(duì)流有關(guān)的“內(nèi)外循環(huán)”說(shuō)涉及陷落柱的溫度問(wèn)題。近幾年柱狀熱源和離子源的模擬實(shí)驗(yàn)研究[17-18]發(fā)現(xiàn)地?zé)岷碗x子擴(kuò)散過(guò)程中具有規(guī)律性較強(qiáng)的地溫梯度場(chǎng)和離子濃度梯度場(chǎng)，這就使根據(jù)溫度效應(yīng)和離子濃度效應(yīng)尋找陷落柱成為可能。

在華北石炭–二疊紀(jì)煤田，奧陶紀(jì)灰?guī)r(簡(jiǎn)稱(chēng)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?guī)r(簡(jiǎn)稱(chēng)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(xiǎn)源，在太原組灰?guī)r或砂巖含水層內(nèi)必將產(chǎn)生水頭、溫度和離子濃度的效應(yīng)，為危險(xiǎn)源的檢測(cè)與定位提供了依據(jù)。

總之，前人盡管已認(rèn)識(shí)到導(dǎo)水?dāng)鄬雍拖萋渲堑V井水害危險(xiǎn)源，但未對(duì)其產(chǎn)生的水頭、溫度或離子濃度效應(yīng)進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)或?qū)嶒?yàn)測(cè)試，因而無(wú)法對(duì)上述隱蔽危險(xiǎn)源進(jìn)行水文地質(zhì)定位。筆者對(duì)這2種隱蔽危險(xiǎn)源在煤層底板太灰含水層內(nèi)產(chǎn)生的水頭、溫度和離子濃度效應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)危險(xiǎn)源進(jìn)行定位研究，以期對(duì)物探方法形成補(bǔ)充，為危險(xiǎn)源針對(duì)性的治理提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)左右兩端分別為進(jìn)、出水倉(cāng)，中間為沙槽(實(shí)驗(yàn)區(qū))，沙槽長(zhǎng)=0～240 cm，寬=0～80 cm，高=60 cm，側(cè)方為危險(xiǎn)源的供水水槽，如圖1所示。在測(cè)區(qū)內(nèi)設(shè)置40個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)都可以檢測(cè)溫度、水頭和離子濃度。

實(shí)驗(yàn)以華北石炭–二疊紀(jì)煤田底板地層結(jié)構(gòu)安排水槽內(nèi)含水層和隔水層組合，如圖2所示。中部細(xì)砂層代表太原組灰?guī)r含水層，滲透系數(shù)=0.047 m/d。含水層水源由圖1中進(jìn)水倉(cāng)提供。含水層頂?shù)装鍨榕驖?rùn)土，代表隔水層。含水層內(nèi)的“立柱”為細(xì)礫石，代表陷落柱或斷層，滲透系數(shù)=0.61 m/d。導(dǎo)水陷落柱或?qū)當(dāng)鄬拥乃从蓤D1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(fā)育于奧陶系灰?guī)r內(nèi)，終止于太原組灰?guī)r含水層內(nèi)，成為底板隱蔽水害危險(xiǎn)源。

1.2 水文地質(zhì)條件

含水層進(jìn)出口水壓分別由進(jìn)水倉(cāng)壁和出水倉(cāng)的溢流孔控制，進(jìn)水口水頭恒定為1=450±1 mm，溫度恒定為0=8.2±0.5℃，Cl–質(zhì)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(zhì)量濃度恒定為s=260± 0.5 mg/L，溫度恒定為s=40±0.5℃。

圖1 實(shí)驗(yàn)沙槽俯視圖和含水層底板平面圖

圖2 沿水流方向沙槽內(nèi)實(shí)驗(yàn)物理模型剖面圖

斷層和陷落柱的補(bǔ)給水源在含水層內(nèi)已長(zhǎng)期存在，且已形成穩(wěn)定的流場(chǎng)，因此，采用穩(wěn)定流為實(shí)驗(yàn)條件，模擬檢測(cè)區(qū)內(nèi)外的導(dǎo)水陷落柱或?qū)當(dāng)鄬拥乃^、水溫和Cl–在含水層內(nèi)的效應(yīng)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

水頭采用測(cè)壓管測(cè)試，測(cè)試頻率為1次/min，溫度采用傳感器測(cè)試，頻率為10次/min，離子濃度采用復(fù)合電極測(cè)試，頻率為2次/h。

1) 實(shí)驗(yàn)一：陷落柱水文地質(zhì)效應(yīng)檢測(cè)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：① 在細(xì)砂含水層中心部位開(kāi)挖?100 mm的圓筒，填入細(xì)礫，測(cè)壓管和溫度傳感器安裝完成后，鋪設(shè)頂板隔水層；② 觀測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)束；③ 繪制水頭、溫度和離子濃度等值線圖。

2) 實(shí)驗(yàn)二：斷層水文地質(zhì)效應(yīng)檢測(cè)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：① 在陷落柱的正上方開(kāi)挖，直至含水層；取出陷落柱內(nèi)的所有物質(zhì)；在含水層內(nèi)通過(guò)原陷落柱位置開(kāi)挖3 cm寬、垂直于箱體邊的溝槽，直至含水層底板；在槽內(nèi)充填細(xì)礫，直至充滿(mǎn)為止；安裝測(cè)壓管、溫度傳感器后，用膨潤(rùn)土填埋頂板隔水層的溝槽。② 觀測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 導(dǎo)水陷落柱的物理效應(yīng)

2.1.1 水頭效應(yīng)

流場(chǎng)穩(wěn)定后，測(cè)得水頭等值線如圖3所示。在靠近進(jìn)水端和出水端水頭等值線仍保持相互近似平行的狀態(tài)，而越靠近陷落柱位置，水頭等值線曲率和梯度越大，且基礎(chǔ)流場(chǎng)下游方向的梯度大于上游，在陷落柱周?chē)浇^等值線形成閉合圈。

圖3 陷落柱在流場(chǎng)穩(wěn)定后水頭等值線

2.1.2 溫度效應(yīng)

同一實(shí)驗(yàn)的溫度數(shù)據(jù)也顯示類(lèi)似規(guī)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(yīng)不同的是，在基礎(chǔ)流場(chǎng)上游方向的等值線曲度和梯度大于下游，溫度傳導(dǎo)范圍小，溫度發(fā)生明顯變化的范圍為40～60 cm。在順?biāo)鞣较蛏希瑴囟葦U(kuò)展已到達(dá)出水端處。水頭穩(wěn)定時(shí)，溫度還沒(méi)有完全穩(wěn)定，還在發(fā)生緩慢變化，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在危險(xiǎn)源下游，高溫區(qū)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(chǎng)穩(wěn)定后溫度等值線

2.1.3 濃度效應(yīng)

同一實(shí)驗(yàn)的Cl–濃度數(shù)據(jù)顯示了與溫度場(chǎng)類(lèi)似規(guī)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(chǔ)流場(chǎng)上游方向的曲度和梯度大于下游，在陷落柱周?chē)浇纬梢韵萋渲鶠橹行牡碾x子濃度等值線閉合圈，如圖5所示。水頭穩(wěn)定時(shí)，離子濃度還沒(méi)有完全穩(wěn)定，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，陷落柱外的離子濃度一直在緩慢上升。

2.2 導(dǎo)水?dāng)鄬拥奈锢硇?yīng)

2.2.1 水頭效應(yīng)

在基礎(chǔ)流場(chǎng)穩(wěn)定后，往斷層內(nèi)注入與前述實(shí)驗(yàn)相同的Cl–溶液。流場(chǎng)穩(wěn)定后的水頭等值線如圖6所示，在斷層兩側(cè)，水頭等值線均密集，但在斷層上游方向，等值線開(kāi)始密度很大，然后迅速變緩進(jìn)入平原區(qū)至進(jìn)水口；下游方向，斷層臨近區(qū)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(chǎng)總體上呈現(xiàn)出以斷層線為界線，兩側(cè)形成平行的水頭等值線，這一現(xiàn)象為斷層危險(xiǎn)源的定位提供依據(jù)。

圖5 陷落柱在流場(chǎng)穩(wěn)定后Cl–質(zhì)量濃度等值線

圖6 導(dǎo)水?dāng)鄬恿鲌?chǎng)穩(wěn)定后水頭等值線

2.2.2 溫度效應(yīng)

水流場(chǎng)穩(wěn)定后，在兩盤(pán)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(yuǎn)較逆流影響的大，覆蓋了從斷層至排泄端的整個(gè)區(qū)域。溫度從斷層向兩邊成不對(duì)稱(chēng)下降的變化規(guī)律，為斷層危險(xiǎn)源的定位提供依據(jù)。但值得注意的是，溫度最大值區(qū)域隨著時(shí)間推移而不斷擴(kuò)大，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，溫度最大值區(qū)域已遠(yuǎn)大于斷層帶區(qū)域，這將對(duì)斷層危險(xiǎn)源的定位造成很大誤差。通過(guò)比較，斷層溫度效應(yīng)的影響范圍比水頭效應(yīng)影響范圍要大得多，兩者之間的顯著差別說(shuō)明，溫度效應(yīng)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(cè)靠近斷層危險(xiǎn)源。

圖7 導(dǎo)水?dāng)鄬恿鲌?chǎng)穩(wěn)定后水溫等值線

2.2.3 濃度效應(yīng)

在水流場(chǎng)穩(wěn)定后，Cl–濃度場(chǎng)如圖8所示。在斷層兩側(cè)形成狹長(zhǎng)條帶狀的Cl–濃度等值線密集區(qū)。逆流方向靠近斷層30 cm范圍內(nèi)，等值線密度大。30 cm以外區(qū)域等值線密度突然變緩，呈平原狀態(tài)。順流方向上，等值線密度變化不大，離子濃度影響范圍遠(yuǎn)較逆流方向的大，覆蓋了從斷層至排泄端的全區(qū)。濃度從斷層向兩邊成不對(duì)稱(chēng)下降的變化規(guī)律，為斷層危險(xiǎn)源的定位提供了理論依據(jù)。同樣，離子濃度最大值區(qū)域隨著時(shí)間推移而不斷擴(kuò)大，在水頭場(chǎng)穩(wěn)定時(shí)，濃度場(chǎng)仍在變化，濃度最大值區(qū)域已遠(yuǎn)大于斷層帶區(qū)域，但斷層危險(xiǎn)源靠近2條最大等值線中直線度高的那一側(cè)。

圖8 測(cè)區(qū)內(nèi)流場(chǎng)穩(wěn)定后導(dǎo)水?dāng)鄬铀蠧l–質(zhì)量濃度等值線

3 危險(xiǎn)源定位

3.1 圖解法

根據(jù)實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二的結(jié)果，測(cè)區(qū)內(nèi)危險(xiǎn)源效應(yīng)的最大等值線有閉合圈和平行線2種形式。如果危險(xiǎn)源為導(dǎo)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(cè)為危險(xiǎn)源位置，如圖3—圖5所示；如果危險(xiǎn)源為導(dǎo)水?dāng)鄬樱敲此^、溫度和離子濃度等值線在斷層兩側(cè)呈對(duì)稱(chēng)平行線，最大的2條平行線之間靠近直線度高的一側(cè)為危險(xiǎn)源的位置，如圖6—圖8所示。

3.2 擬合法

如果測(cè)點(diǎn)不足，指標(biāo)差異不夠大，水頭、溫度或離子濃度等值線可能難以出現(xiàn)完整的閉合圈或直線狀平行線，而是呈現(xiàn)出多個(gè)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(zhǔn)確地確定危險(xiǎn)源的位置，需借助軟件對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行擬合。

流場(chǎng)擬合實(shí)質(zhì)上就是反演尋源的數(shù)值模擬技術(shù)，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(jù)圖形確定危險(xiǎn)源是陷落柱還是斷層，再在圖中確定危險(xiǎn)源可能存在的大區(qū)域，將大區(qū)域細(xì)分為與危險(xiǎn)源尺寸相當(dāng)?shù)男^(qū)域，再將小區(qū)域作為危險(xiǎn)源進(jìn)行試算，最后根據(jù)相關(guān)系數(shù)確定危險(xiǎn)源位置，即相關(guān)系數(shù)最大的試算結(jié)果定為最終的危險(xiǎn)源位置。根據(jù)Pearson公式可得相關(guān)系數(shù)。

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

如果3種指標(biāo)計(jì)算出的危險(xiǎn)源位置不完全重合，則以最大重疊區(qū)為準(zhǔn)；如果沒(méi)有重疊區(qū)，則以最靠近2個(gè)擬合區(qū)中心點(diǎn)連線的中點(diǎn)為危險(xiǎn)源。現(xiàn)以算例對(duì)這一方法加以說(shuō)明。

1) 算例一：測(cè)區(qū)內(nèi)隱伏導(dǎo)水陷落柱的定位

初始條件和基礎(chǔ)參數(shù)同實(shí)驗(yàn)一，不同的是測(cè)點(diǎn)數(shù)由40減少到10，但仍保持均勻分布。根據(jù)10個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)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(biāo)等值線都分別存在1個(gè)閉合圈，可以斷定危險(xiǎn)源為陷落柱，且危險(xiǎn)源就在該閉合圈內(nèi)。但圖9中實(shí)測(cè)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(zhǎng)短軸分別為24、12 cm，遠(yuǎn)大于常見(jiàn)陷落柱的尺寸10 cm；將其劃分為6個(gè)小區(qū)，再對(duì)各小區(qū)進(jìn)行試算，最后得到A2和A3的擬合相關(guān)系數(shù)最大，取其中點(diǎn)為危險(xiǎn)源所在位置。

圖9 10測(cè)點(diǎn)時(shí)陷落柱等水頭線及危險(xiǎn)源擬合區(qū)

同理，10個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)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(tài)的曲線，判斷應(yīng)為陷落柱危險(xiǎn)源。擬合曲線所包圍的區(qū)域都為渾圓形，因區(qū)域較大，將其劃分為9個(gè)小區(qū)。擬合結(jié)果顯示在A2小區(qū)和A7小區(qū)的擬合誤差最小，定為危險(xiǎn)源。

水頭擬合的危險(xiǎn)源中心與實(shí)際危險(xiǎn)源中心偏離1.5 cm，因?yàn)橄萋渲睆綖?0 cm，模擬得到的陷落柱中心落入實(shí)際陷落柱體內(nèi)，施工鉆孔不會(huì)漏探；溫度和濃度擬合的危險(xiǎn)源中心與實(shí)際危險(xiǎn)源中心偏差分別為2.5、3.0 cm，危險(xiǎn)源中心也都位于實(shí)際危險(xiǎn)源內(nèi)，不會(huì)漏探。

圖10 10測(cè)點(diǎn)時(shí)陷落柱等溫線及危險(xiǎn)源擬合區(qū)

圖11 10測(cè)點(diǎn)時(shí)陷落柱Cl–質(zhì)量濃度等值線及危險(xiǎn)源擬合區(qū)

2) 算例二：隱伏導(dǎo)水?dāng)鄬拥亩ㄎ?/p>

本算例的初始條件和基礎(chǔ)參數(shù)同實(shí)驗(yàn)二。根據(jù)10個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)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(lèi)等值線都呈平行線狀，可以斷定危險(xiǎn)源為導(dǎo)水?dāng)鄬印８鶕?jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，危險(xiǎn)源應(yīng)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(qū)域再分為7個(gè)小區(qū)域，本著在兩平行等值線間直線度高的一側(cè)優(yōu)先的原則，先擬合A區(qū)，依次為A，B，…，E。結(jié)果顯示A區(qū)擬合相關(guān)系數(shù)最大，確定A區(qū)為斷層位置，擬合得到的危險(xiǎn)源位置和試驗(yàn)中實(shí)際危險(xiǎn)源位置誤差0.5 cm。溫度和濃度也同樣劃分為7個(gè)小區(qū)進(jìn)行擬合，分別是B小區(qū)和B區(qū)的誤差最小，定為危險(xiǎn)源位置，與實(shí)驗(yàn)中實(shí)際危險(xiǎn)源誤差 2 cm。3種擬合結(jié)果的重合區(qū)為=120～124 cm，=0～80 cm，將其定為最終的危險(xiǎn)源中心位置。

圖12 10測(cè)點(diǎn)時(shí)斷層等水頭線及危險(xiǎn)源擬合區(qū)

圖13 10測(cè)點(diǎn)時(shí)斷層等溫線及危險(xiǎn)源擬合區(qū)

圖14 10測(cè)點(diǎn)時(shí)斷層Cl–質(zhì)量濃度等值線及危險(xiǎn)源擬合區(qū)

4 結(jié)論

a. 水頭、溫度和離子濃度等值線都呈現(xiàn)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(xiàn)出對(duì)稱(chēng)的平行線狀，2條最大值平行等值線之間的區(qū)域?yàn)閿鄬拥奈恢谩?/p>

c.底板隱蔽水害危險(xiǎn)源是可以通過(guò)水頭、溫度和離子濃度效應(yīng)采用圖解法或擬合法進(jìn)行定位。如果測(cè)點(diǎn)密度較大，陷落柱危險(xiǎn)源則位于水頭、溫度和離子濃度最大等值線之內(nèi)；斷層危險(xiǎn)源位于2條最大值等值線之間。如果測(cè)點(diǎn)稀疏，各類(lèi)危險(xiǎn)源需要采用場(chǎng)擬合法定位，擬合曲線相關(guān)系數(shù)最大者為危險(xiǎn)源的位置。

致謝：中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司王皓研究員為實(shí)驗(yàn)提供了平臺(tái)，并在設(shè)備和材料上給予了幫助；實(shí)驗(yàn)和論文撰寫(xiě)過(guò)程中得到華北科技學(xué)院王經(jīng)明教授的指導(dǎo)，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(zhì)集團(tuán)有限公司科技發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目(ZMDZJTKJ-2019-03)

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

李攀峰. 煤層底板隱蔽水害危險(xiǎn)源效應(yīng)與定位實(shí)驗(yàn)研究[J]. 煤田地質(zhì)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(zé)任編輯 周建軍)