離層積水量估算方法及離層突水預測
——以陜西招賢煤礦1304工作面突水為例

許進鵬,周 宇，浦早紅 ,龐思遠

(1.中國礦業大學 資源與地球科學學院,江蘇 徐州 221116; 2.陜西金源招賢礦業有限公司,陜西 寶雞 721000)

作為煤礦五大自然災害之一的礦井水害，歷來受到各煤礦和相關科研工作者的重視。在充分進行水文地質探查、預測預報、超前治理等工作的前提下，水害的監測預警越來越受到重視，文獻[1-5]論述了水害監測的重要性。國家煤礦安全監察局2018年頒布的《煤礦防治水細則》提出了“探、防、堵、疏、排、截、監”7字方針。在礦井水害監測中，地下水水位的監測是一個常用的傳統項目。當礦井發生突水時，相應含水層水位有明顯的變化。通過對地下水水位的監測，可以迅速判別突水水源，也可以通過地下水水位的監測，來分析突水通道。如文獻[6-8]通過水位變化及綜合其他因素對張雙樓煤礦、王樓煤礦、黃玉川礦突水水源進行了判定。

近年來，離層水害作為一種新的突水形式，對礦井造成了重大危害。從東部礦區到西部礦井，均有離層水害發生，較為典型的有淮北海孜礦、寧夏紅柳礦等礦井發生的水害。離層水害也引起較多科研工作者關注并進行研究。綜合文獻[11-14]，目前對離層水害的機理已有了較為統一認識：認為離層水害是由于煤層覆巖頂板巖性的差異，發生了不均衡沉降，在一定位置，軟硬巖間形成了離層空間，當離層空間積水且下部破壞時，發生突水事故?；诖藱C理，文獻[15-17]提出了離層水害的預測方法和以提前施工疏放孔為主要手段的離層水害防治方法，并相繼得到應用。但離層突水的準確預測和超前預警，尚需要進一步的研究，離層積水水量也未有準確計算方法。

筆者通過陜西金源招賢煤礦1304工作面3次突水前水位變化和離層積水的機理，尋求離層積水水量的計算方法，從理論上分析離層突水過程中地下水水位響應機理，說明可以通過地下水水位變化預警離層突水，并進一步提出可以通過積水量計算預計突水總水量及突水可能性。

1 地質背景及突水過程

1.1 地質背景

招賢煤礦位于陜西省寶雞市麟游縣西北部，屬陜西省黃隴侏羅紀煤田永隴礦區。礦區內地層由老至新依次有：三疊系中統銅川組(T)，侏羅系下統富縣組(J)、中統延安組(J)、直羅組(J)、安定組(J)，白堊系下統宜君組(K)、洛河組(K)，新近系(N)及第四系中-上更新統(Q)、全新統(Q)。首采區主采煤層為3煤層，煤厚0.46～25.79 m，平均厚12.68 m。全礦井目前發現落差5 m以上斷層37條，全部為正斷層，構造復雜程度為中等。井田內的主要含水層包括：第四系全新統沖-洪積層孔隙潛水含水層、第四系中上更新統黃土孔隙-裂隙潛水含水層、新近系砂卵礫含水層段、白堊系下統洛河組砂巖孔隙～裂隙含水層、白堊系下統宜君組礫巖裂隙含水層、侏羅系中統直羅組砂巖裂隙含水層、侏羅系中統延安組煤層及其頂板砂巖含水層、三疊系中統銅川組砂巖裂隙含水層。

1.2 1304工作面情況及出水過程

招賢煤礦1304工作面為礦井的第3個工作面，1304工作面走向長1 675 m，傾斜寬186 m。主采侏羅紀延安組3煤層，煤層厚度為4～16 m，平均厚度11.0 m；煤層埋深為401～694 m。煤層傾角4°～24°，平均值為16°，工作面采用綜采放頂煤方式開采。如圖1所示，工作面上方延安組地層以灰色～深灰色泥巖為主；直羅組地層主要以灰綠色粉砂巖、細砂巖為主；安定組地層主要以泥巖、粉砂巖為主，細粒砂巖、中粒砂巖與粗粒砂巖也發育；宜君組主要為厚層狀的礫巖和粗砂巖。

圖1 3煤頂板地層柱狀

在1304工作面開采的過程中，4個月內發生了3次涌水。第1次(2020-03-29)涌水最大涌水量為280 m/h，100 m/h以上涌水持續不足4 d，累計涌水2萬m；第2次(2020-05-07)最大涌水量260 m/h，100 m/h以上涌水持續5 d，總涌水量與第1次相當；第3次(2020-07-01)最大涌水量420 m/h，100 m/h以上涌水持續6 d，總涌水量3.6萬m，造成部分支架被埋、工作面斷風。具體出水位置如圖2所示，出水過程如圖3所示。從該出水過程及其上覆巖層結構及相關文獻等多方面分析，1304工作面出水屬于離層出水。主要依據有：① 據相關文獻研究認為該工作面突水為離層突水；② 巖性結構上宜君組與下方安定組泥巖分界面處由于撓度差異易產生不協調沉降，有形成一定的離層空間的條件；③ 間歇性出水特征符合離層水的特征。

圖2 1304工作面涌水位置

圖3 1304工作面涌水量與水位的變化關系

1.3 突水過程中水位超前響應現象

1304工作面周邊已施工了長期觀測孔G3，G4。其中G3距工作面第1次出水位置424 m，觀測的地下水層位為宜君組；G4觀測孔距工作面第1次出水位置1 116 m，觀測的地下水層位為宜君組。在1304工作面出水過程中，G3，G4孔均先于突水時間出現水位下降現象。

以第1次出水為例：2020-03-28 T 11：00，水量3 m/h，2020-0-29 T 2：00，水量40 m/h。G3水文孔水位在3月24日0時開始下降，比出水時間早了約5 d時間，3月1日至3月23日，水位由1 249.09 m下降至1 246.78 m，下降2.31 m，日均下降0.1 m，自3月24日0時之后水位開始急速下降，截至3月29日0時，水位累計下降10.97 m，日均下降速度2.194 m(圖4(a))。

G4水文觀測孔自3月23日12時之后水位開始急速下降，截止到3月29日0時(出水時間)，水位累計下降23.39 m，平均下降速度4.253 m/d(圖4(b))。

圖4 出水前G3，G4水文孔水位監測

第2次出水和第3次出水，2個水文長觀孔的水位也都出現了先于突水時間水位下降的現象(圖3)。

2 離層積水量的計算

通過分析1304工作面出水過程中長觀孔水位變化情況及參考相關文獻，認為離層突水有離層形成、離層積水到離層破裂突水的一個過程。離層出水的涌水量由離層積水量、煤層上覆直接含水層補給量組成。為了研究突水過程中地下水水位的響應機理，首先要研究離層積水量的大小。

2.1 基于地下水動力學理論進行的離層積水量計算

離層積水水量，可以通過動下水動力學相關理論進行計算。

2.1.1 離層空間匯水模型

根據1304工作面頂板覆巖結構及文獻[18]的分析，得出離層空間發育于宜君組含水層底部的隔水層中，因此，宜君—洛河組含水層中的水進入離層空間的過程中，只有離層的頂部接受水源補給。在地下水動力學中，這一進水形式可以概化為半無限含水層空間匯點，也可稱為半無限厚含水層進底井水的承壓不完整井模型，如圖5所示。

圖5 離層進水模型

為求得半無限含水層匯點的解，首先求取無限邊界含水層中空間匯點的解，假定含水層均值各向同性，則形成的等位線為球形狀，按照Darcy定律，流向空間匯點的流量表達式為式(1)，將式(1)分離變量后得距井任意點的降深，表達式為式(2)。在有下部隔水層阻水的情況下，為半無限含水層匯點模型，離層邊界的滲流呈半球形，匯水流量為無邊界空間匯點模型的一半，表達式為式(3)。根據積水量時間關系，離層積水量表達式為式(4)。為了計算方便，可以根據水位觀測的時間間距將式(4)離散化，為式(5)。

(1)

(2)

=2π

(3)

(4)

(5)

式中，為離層邊界匯水流量，m/d；為滲透系數，m/d；為水位降深，m；為某時間段水位降深，m；為觀測點距匯水點的距離，m；為離層積水量，m；為離層積水持續時間，d；為某時間段時長，d。

2.1.2 估算公式參數確定及計算結果

(1)水文地質參數確定。滲透系數采用礦區對宜君—洛河組含水層混合抽水試驗，根據本礦井6個抽水孔的實測值，取平均值=0.011 063 m/d；觀測點距匯水點距離根據G4觀測孔距工作面涌水斷面的直線距離確定。水位降深根據觀測孔數據確定，定第1次離層積水開始前的觀測孔水位為初始水位，即3月23日0時的G4水位，其他時段的水位降深取該時段的G4孔的觀測水位與初始水位的水位差。

(2)離層積水持續時間取值確定。根據水位觀測數據，認為觀測孔水位出現同步明顯下降為離層積水開始時刻，根據G3和G4觀測孔的水位降速，正常情況下水位降速均小于0.02 m/h。因此，G4觀測孔的水位變化速率大于0.02 m/h為離層空間積水時間。如第1次出水時水位降速如圖6所示，由圖6估算離層積水時間為10 d。其他2次出水的離層積水時間也采用同樣方法求得。

圖6 “3·29”工作面涌水前后G4觀測孔水位降速

(3)計算結果。綜合上述分析，按式(5)計估算離層積水量。以第1次離層積水為例，G4孔每4 h進行1次水位觀測，因此，取4 h為1個時間段，各段計算積水量累計為總積水量。

3次離層積水量計算結果見表1。

表1 1304工作面離層積水量估算結果

2.2 突水過程中水量分割

為了驗證以上計算結果的可靠性，可通過實際出水量進行驗證，但實際出水量中包含了離層積水量和含水層正常出水量。為確定離層積水量，可采用水文學中洪水量分析方法——分割法求出離層積水量。一次離層突水過程相當于一次獨立的流量過程，且離層積水與含水層出水關系不大，含水層出水量基本可以看成是一個穩定的流量。因此，可采用平割法或斜割法進行離層積水量劃分。

圖7(a)為第1次出水水量過程線，從3月29日0時工作面開始涌水，涌水中離層積水涌水持續近3 d，按照平割法劃分的離層積水量為13 619 m；圖7(b)為第2次出水水量過程線，從5月6日12時工作面開始涌水，離層涌水持續時間近5 d，采用平割法劃分的離層積水量為11 410 m；圖7(c)為第3次出水過程線，從7月1日20時開始涌水，離層涌水持續時間不足7 d，劃分的離層積水量為19 409 m。

圖7 1304工作面第1，2，3次離層積水量劃分

2.3 離層積水量估算結果分析

對比采用井底進水的承壓非完整井公式計算的離層積水量與實測涌水量劃分的離層積水量，見表2。由表2中可知，總體上公式計算值和過程線劃分值相差不大，特別是第1次出水和第2次出水，相對誤差非常小，這說明本文對離層積水量計算方法是可靠的。第3次計算較第1次出水和第2次出水的誤差相對較大，但對于涌水量計算而言，8.35%也是在可接受的范圍之內。第3次出水量預計誤差較大的原因，可能是第經過第1次出水和第2次出水后，裂隙中的細小顆粒被帶走，整個含水層滲透性增大造成的。

表2 估算值與劃分值對比

3 應 用

3.1 突水預警及突水量預測

首先，對離層積水的計算過程可以明確，離層積水有個時間過程，在積水開始時(尚未突水)，水位就開始下降。這就從理論上說明了地下水水位可以預警離層水害。從招賢煤礦1304工作面出水案例實際情況分析，3次發生離層突水前，水文長觀孔的水位均提前下降，提前時間為2～6 d。這些數據也充分說明，可以利用地下水水位變化來預警離層突水。

進一步，可以通過離層積水量的計算公式,更加精準地預測出水時間和出水量大小。

(1)根據水位下降速度，可以預測地下水向離層空間的滲入流量。根據式(1)，地下水向離層空間的滲入流量與地下水水位的降速d、觀測孔距離及滲透系數有關，而后2者是已知量，因此，可以根據水位的降速d來計算地下水向離層空間的滲入流量。

(2)根據地下水水位的下降時間，可以進一步預測離層積水量的大小。根據式(4)，(5)，有了時間及降深，可以計算離層積水量。根據離層積水量，可以及時配備必要的抗災排水的設備。

3.2 離層空間高度的推算和突水可能性預測

3.2.1 離層空間大小及離層高度的推算及結果討論

從理論上分析，工作面回采過程中的離層空間大小應等于根據式(5)計算出的最大積水量。如果將離層空間概化為一個半橢球體，根據半橢球體積式(6)，可以得到離層高度計算式。

(6)

(7)

式中，為離層區的長度，m；為離層空間的寬度，m；為最大離層高度，m。

現根據式(7)對1304工作面的3次突水時的最大離層高度進行計算。離層積水量取前文計算得出的數據，取工作面寬度為180 m，取工作面的相對推進距離，分別為101.4,57.0和107.0 m。張嚴靜通過采用數值模擬對郭家河煤礦的離層空間發育規律進行探索，得出該礦區離層發育到閉合的間距為100 m，而郭家河煤礦為招賢煤礦的鄰近礦區(相距20 km)。該文獻也說明本文推進長度為離層空間寬度是合理的。

經計算，得出3次出水時的離層高度為0.75,1.08,0.87 m，見表3。由于以上計算中積水量為突水時的積水量，所得出的離層高度也為突水時的離層高度，大于或等于離層高度的臨界值。

表3 離層空間的發育高度

趙團芝等通過鉆孔電視錄像技術對淮北某礦4段離層進行現場實測，結果顯示離層的層段高0.14～1.63 m。本文計算數值位于該測試結果范圍之內，認為計算合理。

3.2.2 離層突水可能性預測

根據礦井煤層頂板覆巖的特征，可以預測離層突水發生的可能性。煤層開采時頂板出現離層是一種常見現象，但離層不一定突水，只有當離層空間的一部分巖層被破壞以后，才發生突水。針對具體礦井，可以根據煤層頂板覆巖的結構和巖性力學確定離層空間下部破壞的離層高度的臨界值()。同時，根據上文所述，可以推算出離層高度,當≥時，會發生突水事故。反之，離層下部巖層不會破壞，不會發生突水事故。

上述預測中最重要的是關于的確定，可以采用巖體力學理論分析，如蘇仲杰等，得到離層高度計算的理論公式；更好的方法是采用數據模擬計算，如文獻[20]；也可以根據前期突水案例進行推算，如本文計算出3次突水時的離層高度為0.75，1.08，0.87 m，為安全起見，可取其最小值0.75作為本礦井今后預警的臨界值。

4 結 論

(1)離層突水前，有一個離層積水過程，離層開始積水時，相應的地下水水位會下降，這種先于離層突水的地下水水位下降可以作為離層突水的預警依據。

(2)離層積水一般是從離層頂部進水，相當于一個半無限含水層空間匯點模型，依據此模擬，可以建立離層積水量計算公式，并據此公式計算了3次離層積水的積水量。

(3)離層突水的水量由積水量和含水層補給水量兩部分組成，采用水文學中的分割法可以分割出離層突水過程中的積水量大小。

(4)通過對公式計算的離層積水量與分割法得出的積水量大小比較，表明本文所建模型及其公式是適合離層積水量計算的。

(5)通過離層積水量的計算，可以進一步計算離層高度，并據此可進一步準確預測離層水害的發生。