离层积水量估算方法及离层突水预测
——以陕西招贤煤矿1304工作面突水为例

许进鹏,周 宇，浦早红 ,庞思远

(1.中国矿业大学 资源与地球科学学院,江苏 徐州 221116; 2.陕西金源招贤矿业有限公司,陕西 宝鸡 721000)

作为煤矿五大自然灾害之一的矿井水害，历来受到各煤矿和相关科研工作者的重视。在充分进行水文地质探查、预测预报、超前治理等工作的前提下，水害的监测预警越来越受到重视，文献[1-5]论述了水害监测的重要性。国家煤矿安全监察局2018年颁布的《煤矿防治水细则》提出了“探、防、堵、疏、排、截、监”7字方针。在矿井水害监测中，地下水水位的监测是一个常用的传统项目。当矿井发生突水时，相应含水层水位有明显的变化。通过对地下水水位的监测，可以迅速判别突水水源，也可以通过地下水水位的监测，来分析突水通道。如文献[6-8]通过水位变化及综合其他因素对张双楼煤矿、王楼煤矿、黄玉川矿突水水源进行了判定。

近年来，离层水害作为一种新的突水形式，对矿井造成了重大危害。从东部矿区到西部矿井，均有离层水害发生，较为典型的有淮北海孜矿、宁夏红柳矿等矿井发生的水害。离层水害也引起较多科研工作者关注并进行研究。综合文献[11-14]，目前对离层水害的机理已有了较为统一认识：认为离层水害是由于煤层覆岩顶板岩性的差异，发生了不均衡沉降，在一定位置，软硬岩间形成了离层空间，当离层空间积水且下部破坏时，发生突水事故。基于此机理，文献[15-17]提出了离层水害的预测方法和以提前施工疏放孔为主要手段的离层水害防治方法，并相继得到应用。但离层突水的准确预测和超前预警，尚需要进一步的研究，离层积水水量也未有准确计算方法。

笔者通过陕西金源招贤煤矿1304工作面3次突水前水位变化和离层积水的机理，寻求离层积水水量的计算方法，从理论上分析离层突水过程中地下水水位响应机理，说明可以通过地下水水位变化预警离层突水，并进一步提出可以通过积水量计算预计突水总水量及突水可能性。

1 地质背景及突水过程

1.1 地质背景

招贤煤矿位于陕西省宝鸡市麟游县西北部，属陕西省黄陇侏罗纪煤田永陇矿区。矿区内地层由老至新依次有：三叠系中统铜川组(T)，侏罗系下统富县组(J)、中统延安组(J)、直罗组(J)、安定组(J)，白垩系下统宜君组(K)、洛河组(K)，新近系(N)及第四系中-上更新统(Q)、全新统(Q)。首采区主采煤层为3煤层，煤厚0.46～25.79 m，平均厚12.68 m。全矿井目前发现落差5 m以上断层37条，全部为正断层，构造复杂程度为中等。井田内的主要含水层包括：第四系全新统冲-洪积层孔隙潜水含水层、第四系中上更新统黄土孔隙-裂隙潜水含水层、新近系砂卵砾含水层段、白垩系下统洛河组砂岩孔隙～裂隙含水层、白垩系下统宜君组砾岩裂隙含水层、侏罗系中统直罗组砂岩裂隙含水层、侏罗系中统延安组煤层及其顶板砂岩含水层、三叠系中统铜川组砂岩裂隙含水层。

1.2 1304工作面情况及出水过程

招贤煤矿1304工作面为矿井的第3个工作面，1304工作面走向长1 675 m，倾斜宽186 m。主采侏罗纪延安组3煤层，煤层厚度为4～16 m，平均厚度11.0 m；煤层埋深为401～694 m。煤层倾角4°～24°，平均值为16°，工作面采用综采放顶煤方式开采。如图1所示，工作面上方延安组地层以灰色～深灰色泥岩为主；直罗组地层主要以灰绿色粉砂岩、细砂岩为主；安定组地层主要以泥岩、粉砂岩为主，细粒砂岩、中粒砂岩与粗粒砂岩也发育；宜君组主要为厚层状的砾岩和粗砂岩。

图1 3煤顶板地层柱状

在1304工作面开采的过程中，4个月内发生了3次涌水。第1次(2020-03-29)涌水最大涌水量为280 m/h，100 m/h以上涌水持续不足4 d，累计涌水2万m；第2次(2020-05-07)最大涌水量260 m/h，100 m/h以上涌水持续5 d，总涌水量与第1次相当；第3次(2020-07-01)最大涌水量420 m/h，100 m/h以上涌水持续6 d，总涌水量3.6万m，造成部分支架被埋、工作面断风。具体出水位置如图2所示，出水过程如图3所示。从该出水过程及其上覆岩层结构及相关文献等多方面分析，1304工作面出水属于离层出水。主要依据有：① 据相关文献研究认为该工作面突水为离层突水；② 岩性结构上宜君组与下方安定组泥岩分界面处由于挠度差异易产生不协调沉降，有形成一定的离层空间的条件；③ 间歇性出水特征符合离层水的特征。

图2 1304工作面涌水位置

图3 1304工作面涌水量与水位的变化关系

1.3 突水过程中水位超前响应现象

1304工作面周边已施工了长期观测孔G3，G4。其中G3距工作面第1次出水位置424 m，观测的地下水层位为宜君组；G4观测孔距工作面第1次出水位置1 116 m，观测的地下水层位为宜君组。在1304工作面出水过程中，G3，G4孔均先于突水时间出现水位下降现象。

以第1次出水为例：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时开始下降，比出水时间早了约5 d时间，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时之后水位开始急速下降，截至3月29日0时，水位累计下降10.97 m，日均下降速度2.194 m(图4(a))。

G4水文观测孔自3月23日12时之后水位开始急速下降，截止到3月29日0时(出水时间)，水位累计下降23.39 m，平均下降速度4.253 m/d(图4(b))。

图4 出水前G3，G4水文孔水位监测

第2次出水和第3次出水，2个水文长观孔的水位也都出现了先于突水时间水位下降的现象(图3)。

2 离层积水量的计算

通过分析1304工作面出水过程中长观孔水位变化情况及参考相关文献，认为离层突水有离层形成、离层积水到离层破裂突水的一个过程。离层出水的涌水量由离层积水量、煤层上覆直接含水层补给量组成。为了研究突水过程中地下水水位的响应机理，首先要研究离层积水量的大小。

2.1 基于地下水动力学理论进行的离层积水量计算

离层积水水量，可以通过动下水动力学相关理论进行计算。

2.1.1 离层空间汇水模型

根据1304工作面顶板覆岩结构及文献[18]的分析，得出离层空间发育于宜君组含水层底部的隔水层中，因此，宜君—洛河组含水层中的水进入离层空间的过程中，只有离层的顶部接受水源补给。在地下水动力学中，这一进水形式可以概化为半无限含水层空间汇点，也可称为半无限厚含水层进底井水的承压不完整井模型，如图5所示。

图5 离层进水模型

为求得半无限含水层汇点的解，首先求取无限边界含水层中空间汇点的解，假定含水层均值各向同性，则形成的等位线为球形状，按照Darcy定律，流向空间汇点的流量表达式为式(1)，将式(1)分离变量后得距井任意点的降深，表达式为式(2)。在有下部隔水层阻水的情况下，为半无限含水层汇点模型，离层边界的渗流呈半球形，汇水流量为无边界空间汇点模型的一半，表达式为式(3)。根据积水量时间关系，离层积水量表达式为式(4)。为了计算方便，可以根据水位观测的时间间距将式(4)离散化，为式(5)。

(1)

(2)

=2π

(3)

(4)

(5)

式中，为离层边界汇水流量，m/d；为渗透系数，m/d；为水位降深，m；为某时间段水位降深，m；为观测点距汇水点的距离，m；为离层积水量，m；为离层积水持续时间，d；为某时间段时长，d。

2.1.2 估算公式参数确定及计算结果

(1)水文地质参数确定。渗透系数采用矿区对宜君—洛河组含水层混合抽水试验，根据本矿井6个抽水孔的实测值，取平均值=0.011 063 m/d；观测点距汇水点距离根据G4观测孔距工作面涌水断面的直线距离确定。水位降深根据观测孔数据确定，定第1次离层积水开始前的观测孔水位为初始水位，即3月23日0时的G4水位，其他时段的水位降深取该时段的G4孔的观测水位与初始水位的水位差。

(2)离层积水持续时间取值确定。根据水位观测数据，认为观测孔水位出现同步明显下降为离层积水开始时刻，根据G3和G4观测孔的水位降速，正常情况下水位降速均小于0.02 m/h。因此，G4观测孔的水位变化速率大于0.02 m/h为离层空间积水时间。如第1次出水时水位降速如图6所示，由图6估算离层积水时间为10 d。其他2次出水的离层积水时间也采用同样方法求得。

图6 “3·29”工作面涌水前后G4观测孔水位降速

(3)计算结果。综合上述分析，按式(5)计估算离层积水量。以第1次离层积水为例，G4孔每4 h进行1次水位观测，因此，取4 h为1个时间段，各段计算积水量累计为总积水量。

3次离层积水量计算结果见表1。

表1 1304工作面离层积水量估算结果

2.2 突水过程中水量分割

为了验证以上计算结果的可靠性，可通过实际出水量进行验证，但实际出水量中包含了离层积水量和含水层正常出水量。为确定离层积水量，可采用水文学中洪水量分析方法——分割法求出离层积水量。一次离层突水过程相当于一次独立的流量过程，且离层积水与含水层出水关系不大，含水层出水量基本可以看成是一个稳定的流量。因此，可采用平割法或斜割法进行离层积水量划分。

图7(a)为第1次出水水量过程线，从3月29日0时工作面开始涌水，涌水中离层积水涌水持续近3 d，按照平割法划分的离层积水量为13 619 m；图7(b)为第2次出水水量过程线，从5月6日12时工作面开始涌水，离层涌水持续时间近5 d，采用平割法划分的离层积水量为11 410 m；图7(c)为第3次出水过程线，从7月1日20时开始涌水，离层涌水持续时间不足7 d，划分的离层积水量为19 409 m。

图7 1304工作面第1，2，3次离层积水量划分

2.3 离层积水量估算结果分析

对比采用井底进水的承压非完整井公式计算的离层积水量与实测涌水量划分的离层积水量，见表2。由表2中可知，总体上公式计算值和过程线划分值相差不大，特别是第1次出水和第2次出水，相对误差非常小，这说明本文对离层积水量计算方法是可靠的。第3次计算较第1次出水和第2次出水的误差相对较大，但对于涌水量计算而言，8.35%也是在可接受的范围之内。第3次出水量预计误差较大的原因，可能是第经过第1次出水和第2次出水后，裂隙中的细小颗粒被带走，整个含水层渗透性增大造成的。

表2 估算值与划分值对比

3 应 用

3.1 突水预警及突水量预测

首先，对离层积水的计算过程可以明确，离层积水有个时间过程，在积水开始时(尚未突水)，水位就开始下降。这就从理论上说明了地下水水位可以预警离层水害。从招贤煤矿1304工作面出水案例实际情况分析，3次发生离层突水前，水文长观孔的水位均提前下降，提前时间为2～6 d。这些数据也充分说明，可以利用地下水水位变化来预警离层突水。

进一步，可以通过离层积水量的计算公式,更加精准地预测出水时间和出水量大小。

(1)根据水位下降速度，可以预测地下水向离层空间的渗入流量。根据式(1)，地下水向离层空间的渗入流量与地下水水位的降速d、观测孔距离及渗透系数有关，而后2者是已知量，因此，可以根据水位的降速d来计算地下水向离层空间的渗入流量。

(2)根据地下水水位的下降时间，可以进一步预测离层积水量的大小。根据式(4)，(5)，有了时间及降深，可以计算离层积水量。根据离层积水量，可以及时配备必要的抗灾排水的设备。

3.2 离层空间高度的推算和突水可能性预测

3.2.1 离层空间大小及离层高度的推算及结果讨论

从理论上分析，工作面回采过程中的离层空间大小应等于根据式(5)计算出的最大积水量。如果将离层空间概化为一个半椭球体，根据半椭球体积式(6)，可以得到离层高度计算式。

(6)

(7)

式中，为离层区的长度，m；为离层空间的宽度，m；为最大离层高度，m。

现根据式(7)对1304工作面的3次突水时的最大离层高度进行计算。离层积水量取前文计算得出的数据，取工作面宽度为180 m，取工作面的相对推进距离，分别为101.4,57.0和107.0 m。张严静通过采用数值模拟对郭家河煤矿的离层空间发育规律进行探索，得出该矿区离层发育到闭合的间距为100 m，而郭家河煤矿为招贤煤矿的邻近矿区(相距20 km)。该文献也说明本文推进长度为离层空间宽度是合理的。

经计算，得出3次出水时的离层高度为0.75,1.08,0.87 m，见表3。由于以上计算中积水量为突水时的积水量，所得出的离层高度也为突水时的离层高度，大于或等于离层高度的临界值。

表3 离层空间的发育高度

赵团芝等通过钻孔电视录像技术对淮北某矿4段离层进行现场实测，结果显示离层的层段高0.14～1.63 m。本文计算数值位于该测试结果范围之内，认为计算合理。

3.2.2 离层突水可能性预测

根据矿井煤层顶板覆岩的特征，可以预测离层突水发生的可能性。煤层开采时顶板出现离层是一种常见现象，但离层不一定突水，只有当离层空间的一部分岩层被破坏以后，才发生突水。针对具体矿井，可以根据煤层顶板覆岩的结构和岩性力学确定离层空间下部破坏的离层高度的临界值()。同时，根据上文所述，可以推算出离层高度,当≥时，会发生突水事故。反之，离层下部岩层不会破坏，不会发生突水事故。

上述预测中最重要的是关于的确定，可以采用岩体力学理论分析，如苏仲杰等，得到离层高度计算的理论公式；更好的方法是采用数据模拟计算，如文献[20]；也可以根据前期突水案例进行推算，如本文计算出3次突水时的离层高度为0.75，1.08，0.87 m，为安全起见，可取其最小值0.75作为本矿井今后预警的临界值。

4 结 论

(1)离层突水前，有一个离层积水过程，离层开始积水时，相应的地下水水位会下降，这种先于离层突水的地下水水位下降可以作为离层突水的预警依据。

(2)离层积水一般是从离层顶部进水，相当于一个半无限含水层空间汇点模型，依据此模拟，可以建立离层积水量计算公式，并据此公式计算了3次离层积水的积水量。

(3)离层突水的水量由积水量和含水层补给水量两部分组成，采用水文学中的分割法可以分割出离层突水过程中的积水量大小。

(4)通过对公式计算的离层积水量与分割法得出的积水量大小比较，表明本文所建模型及其公式是适合离层积水量计算的。

(5)通过离层积水量的计算，可以进一步计算离层高度，并据此可进一步准确预测离层水害的发生。