导水裂缝带部分波及顶板含水层条件下涌水量预测_刘英锋.pdf

第 44 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.5 2016 年 10 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Oct. 2016 收稿日期 2015-07-01 基金项目 国家科技支撑计划课题（2012BAC10B03） Foundation itemThe National Science and Technology Pillar Program（2012BAC10B03） 作者简介 刘英锋（1979），男，山西运城人，硕士，副研究员，从事水文地质及矿井防治水技术研究. E-mailliuyingfeng 引用格式 刘英锋，郭小铭. 导水裂缝带部分波及顶板含水层条件下涌水量预测［J］. 煤田地质与勘探，2016，44（5）97-101. LIU Yingfeng， GUO Xiaoming. Prediction of water inflow in roof aquifer affected by water-flowing fracture zone［J］. Coal Geology Exploration， 2016， 44（5）97-101. 文章编号 1001-1986（2016）05-0097-05 导水裂缝带部分波及顶板含水层条件下涌水量预测 刘英锋 1，2，郭小铭1，2 （1. 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077； 2. 陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077） 摘要 针对煤层顶板导水裂缝带部分波及含水层时涌水量预测不准确问题， 通过对煤层回采后顶 板水文地质条件变化、顶板含水层地下水渗流场变化进行分析，建立工作面水文地质概念模型， 得出了基于达西定律和承压水 Dupuit 理论的顶部进水型涌水量预测模型。通过对数学模型的分 析论证，并将此涌水量数学模型应用于实际生产，得出涌水量预测模型概化合理，符合煤层开 采实际情况下水文地质条件，对于顶板导水裂缝带部分波及含水层情况下工作面涌水量预测有 借鉴意义。 关 键 词水文地质条件；导水裂缝带；含水层；涌水量预测；数学模型 中图分类号TD742 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2016.05.018 Prediction of water inflow in roof aquifer affected by water-flowing fracture zone LIU Yingfeng1，2， GUO Xiaoming1，2 （1. Xian Research Institute， China Coal Technology and Engineering Group Corp.， Xi′an 710077， China； 2. Shaanxi Key Laboratory of Coal Mine Water Hazard Preventing and Control Technology， Xi′an 710077， China） Abstract Aiming at the inaccuracy of water inflow prediction in roof aquifer affected by water-flowing fracture zone， through analyzing the change of hydrogeological conditions and groundwater seepage field after extraction， a hydrogeological conceptual model of working face was set up， a model based on the Darcy’s law and J.Dupuit ula for prediction of top water-intake inflow in roof aquifer. Through analyzing the mathematical model and application of the model， it was proved that the conceptualization of the model was reasonable and accorded with the hydrogeological conditions during coal mining. It has reference significance for water inflow prediction in roof aquifer affected by water-flowing fracture zone. Key words hydrogeological conditions； water-flowing fracture zone； aquifer； water inflow prediction； mathemati- cal model 矿井涌水是指井下进行采掘活动时地下水进入 采掘空间。对于井工开采的矿井，回采工作面造成 原始地层结构破坏较为严重，当存在富水性较强的 含水层时，工作面顶板涌水成为矿井涌水的主要来 源。为保证矿井安全生产，需要对涌水量进行准确 预测，常用的预测方法有数值法、解析法、水文 地质比拟法、神经网络法等［1］。其中，解析法由于 使用方便，计算过程简单，适用于各种类型的井巷 系统，成为目前矿井涌水量预测中应用最为广泛的 一种方法［2］。 以往对解析法涌水量预测研究中，往往认为顶 板导水裂缝带导通范围内的含水层水均会以疏干形 式进入矿井［3-4］，计算涌水量时直接采用地下水动力 学公式进行计算。但是，采用该方法在预测顶板导 水裂缝带部分波及含水层情况下涌水量时，往往出 现预测结果严重偏大的情况，从而影响顶板水害威 胁程度的客观评价，并对矿井防治水对策的合理制 定产生误导。 1 传统解析法涌水量预测及局限性 解析法是运用地下水动力学原理，对一定边界 条件和初始条件下地下水运动建立定解公式，然后 ChaoXing 98 煤田地质与勘探 第 44 卷 应用这些定解公式来预测矿井涌水量。目前采用解 析法进行工作面涌水量预测过程中，通常采用的计 算公式为稳定流理论公式，俗称“大井法”［5］。 “大井法”对应的水文地质概念模型为工作面开 采过程中，顶板随着工作面回采逐渐破坏并发育导 水裂缝带。当工作面上方含水层岩体遭到完全破坏 时，垂向渗透系数较大，可以将工作面顶板导水裂 缝带发育范围内假设为一个大井，随着工作面持续 出水，直到涌水量与补给量近似相等，可近似符合 裘布依公式的假设条件［6-7］。 然而，当煤层上覆含水层距离开采煤层较远或 是顶板含水层厚度较大，导水裂缝带只波及到含水 层下段时，含水层实际出水段为顶板导水裂缝带波 及段，在采用解析法进行计算时等效“大井”就不是 完整井，同时未波及段含水层地下水流为垂向流而 非水平径向流，不符合计算公式的假定条件。因此， 在这种情况下使用传统解析法公式进行涌水量预 测就会出现水文地质条件认识不清、 模型选择不恰 当的问题［8］，导致涌水量预测结果与实际情况偏差 很大。 2 水文地质概念模型 煤层开采后，其覆岩发生变形移动和破坏，顶 板可以分为“三带”，即垮落带、导水裂缝带和弯曲 下沉带［9］。分析工作面回采之后水文地质条件变化 情况，结合前人相关研究成果，可知其对工作面涌 水影响最大的为垮落带和导水裂缝带发育高度。对 于顶板含水层部分破坏情况下工作面开采顶板“两 带”实际情况进行概化，如图 1 所示。 图 1 工作面开采导水裂缝带发育示意图 Fig.1 Water-flowing fracture zone in working face after mining 在顶板含水层部分破坏情况下，导水裂缝带波 及区域垂向渗透系数增大，形成“水井”效应对含水 层水进行疏放，同时在导水裂缝带发育范围顶部会 有地下水垂向入渗。结合开采条件下水文地质条件 变化情况，通过对顶板含水层进一步分析，得出含 水层内部流场示意图（图 2）。 图 2 含水层内部流场示意图 Fig.2 Groundwater seepage field in aquifer 通过对含水层顶板水文地质条件分析，加之顶 板含水层内部地下水渗流场分析，对于顶板含水层 部分受导水裂缝带波及情况下水文地质模型进行概 化对于未波及段符合基本达西定律假设，在采空 区上方呈现出垂向导水裂缝带范围渗透；对于导水 裂缝带波及范围，由于岩体垂向渗透系数较大，采 用“大井法”思路将其概化为井壁进水的承压完整井 进水。总之，工作面开采之后，顶板含水层涌水模 型可概化为井壁进水的井流模型和顶部渗透进水的 面状补给模型的叠加，如图 3 所示。 图 3 工作面开采水文地质概化模型 Fig.3 Conceptual hydrogeological model of working face after mining 综合以上水流模型的概化，将含水层部分波及 情况下工作面涌水量预测概化为两部分，一部分为 井壁进水，用裘布依公式进行计算；一部分为顶部 未波及区域依据达西定律公式进行计算。由此，将 工作面上覆含水层在垂向上分为互不影响的二元结 构，对含水层进行实际概化。 3 概念模型验证 3.1 现场实测验证 通过对矿井开采过程中顶板含水层水位、水质 和矿井涌水量实际观测资料，对所概化的水文地质 概念模型进行实际验证。 ChaoXing 第 5 期 刘英锋等 导水裂缝带部分波及顶板含水层条件下涌水量预测 99 胡家河矿井位于陕西彬长矿区，主采侏罗系 4 号煤层，煤层开采过程中主要受顶板巨厚洛河组含 水层的影响，含水层厚度平均约 330 m，煤层顶板 距离洛河组含水层约 140 m，据相关“两带”探查成 果，导水裂缝带波及洛河组含水层下部约 122 m。 在矿井首采 401101 工作面回采过程中， 在工作 面范围内施工 T5、T6 水文钻孔分别对洛河组含水 层上、下段（底部 100 m）进行水位观测。结果显示， 工作面回采结束之后，含水层上段水位下降约 36 m，且趋于稳定，下段水位下降 210 m，基本疏降至 导水裂缝带顶部。 由现场实测流场情况可知，工作面回采之后， 导水裂缝带波及部分以大降深、近似“大井”形式的 出水，未波及含水层部分并不会出现疏干现象，而 是以顶部越流渗流形式进入矿井。 3.2 数值法验证 为了检验概念模型的正确性，选取了比较简单 的理想化模型，并用 Visual MODFLOWF 软件进行 模拟，其概念模型描述如图 4。 图 4 水文地质概念模型（单位m） Fig.4 Conceptual hydrogeological model 模型为典型的煤层顶板巨厚含水层模式，上层 为巨厚承压含水层， 渗透系数0.2 m/d， 储水系数0.2； 中间为隔水层，渗透系数 0.000 1 m/d，储水系数 110-6；底层为煤层，渗透系数为 0.000 1 m/d，储 水系数为 110-6。承压含水层水流为由西向东，均 采用 GHB 边界进行定义。 煤层开挖之后， 导水裂缝带向上发育， 最终波及 含水层 122 m，隔水层和含水层下段渗透系数增大， 由于断裂带底部向上渗透系数呈倍数级的减小［10］， 对含水层参数进行重新定义。通过参数赋值、边界 条件设定、参数识别验证、渗透系数重新赋值、参 数再次识别验证，模型可以较好地刻画工作面开采 状态下含水层渗流场状态。用识别好的模型对工作 面开采条件下含水层渗流场变化情况进行模拟，成 果如图 5。 由图 5 可以看出，在工作面开采之后，工作面 上覆导水裂缝带波及段流线方向为竖直向下，大小 较未波及部分要大的多。其主要是由侧向补给和上 部未波及段含水层垂直渗透造成。且由于工作面开 采面积较大，垂向补给水量基本不会对侧部进水造 成影响，内部流线近似为垂直。 图 5 含水层流场模拟图（单位m） Fig.5 Flow field simulation in aquifer 在未波及段含水层底部流线为垂向入渗，顶部 流线方向为斜曲线，且流量相对较小。 4 改进的涌水量预测方法 4.1 涌水量预测模型建立 综合以上水流模型的概化，将含水层部分受波 及情况下工作面涌水量预测概化为两部分，一部分 为井壁进水，用裘布依公式进行计算；一部分为顶 部未波及区域依据达西定律公式进行计算。由此， 将工作面上覆含水层在垂向上分为互不影响的二元 结构，对含水层进行实际概化。 依据达西定律，含水层内部受水头差影响，在 含水层内部存在垂向流。得出含水层未受到导水裂 缝带波及段水量计算公式 12 1V1 1 HH QKA M - （1） 式中 Q1为未受导水裂缝带波及段含水层涌水量； KV1为未受导水裂缝带波及段含水层垂向渗透系数； A 为导水裂缝带波及范围等效面积；H1为未受导水 裂缝带波及段含水层顶部水头；H2为受导水裂缝带 波及段含水层顶部水头；M1为未受导水裂缝带波及 段含水层厚度。 在实际应用中，KV1值以实测成果为准，若无 专门的试验成果， 按照经验系数参照渗透系数取值。 A 的确定依据工作面尺寸、煤层开采厚度、含水层 距离、煤层垮落角等因素综合确定。 采用完整井井壁进水裘布依公式对导水裂缝带 波及区域进行涌水量计算 222 2 00 2.73 lglg K M S Q Rr - （2） 式中 Q2为受导水裂缝带波及段含水层涌水量；K2为 受波及段含水层水平渗透系数； M2为受导水裂缝带波 及段含水层厚度；S2为受导水裂缝带波及段含水层降 深；R0为引用半径；r0为预测区折算半径；由式（1）和 ChaoXing 100 煤田地质与勘探 第 44 卷 式（2），综合得出顶部进水型涌水量预测模型 QQ1Q2 （3） 式中 Q 为工作面总涌水量。 4.2 模型成立条件 顶部进水型涌水量模型的建立是基于达西定律 和裘布依公式得出，因此模型适用条件主要为裘布 依假设的相关条件和煤层开采后含水层上下段二元 结构构建。 顶部进水型涌水量模型假设条件裘布依假设 的相关条件；导水裂缝带发育高度处处相等；上段 垂向渗透与水平流无互相干扰作用；导水裂缝带波 及范围内无储水作用；含水层受波及部分顶板水头 为含水层波及范围顶部。 4.3 不同条件下涌水量预测 4.3.1 单个工作面和相邻工作面涌水量预测 在相邻工作面开采过程中，若工作面间留设煤 柱较薄，煤层开采之后两个工作面形成一个“大井” 对工作面含水层水进行疏放，采用以上模型直接对 工作面涌水量进行预测。 4.3.2 非相邻双工作面开采涌水量预测 若两个工作面相距较远，不能等效为同一“大 井”进行预测，需要考虑互相影响情况下涌水量情 况。通过地下水流叠加原理，将两个工作面等效为 两个“大井”，当工作面参数基本相同时，其涌水量 计算模型中式（2）可以转换为如下水量计算公式 222 2 2 2π ln M K S Q R rL （4） 式中 L 为两个工作面距离，其它参数同式（2）。 4.4 模型检验 通过以上建立的工作面涌水量预测模型，分别 对不同情况下模型进行检验①在彬长矿区胡家河 矿工作面回采过程中，分别对上覆洛河组含水层上 下段水位进行监测。成果显示，在导水裂缝带波及 段和未波及段水位降深差异达到 100 m 以上，充分 说明该“二元结构”模型成立，在采动影响下含水层 上下段表现出较大的差异性；②工作面涌水量大小 与导水裂缝带波及含水层厚度有较大关系，主要表 现在随着导水裂缝带波及范围的增加， 涌水量增加； ③由式（4）可以看出，当两个工作面相距 L 时，涌水 量计算结果要大于式（1）算出的相邻工作面涌水量 值；④当导水裂缝带未波及到含水层（即 M20）， Q20。同时，含水层内部无垂向流，式（1）中 H1H2， Q10，Q0；⑤当导水裂缝带完全波及含水层时， 12 1 d（） 0 d HH M - ，即 Q10，涌水量计算公式转换为 常用“大井法”公式。 从上述评价可以看出，涌水量计算模型各方面 与工作面开采实际情况较为相符，说明水文地质条 件概化合理，数学模型可靠，可以用于现实不同组 合情况下工作面涌水量预测。 4.5 模型适用条件分析 对于推导得出的顶部进水型涌水量计算模型， 主要适用于煤层底板巨厚含水层部分受波及情况。 本次采用数值模拟对模型的实用性进行验证。 通过 3.2 节建立的工作面开采地下水渗流模型， 分别调整含水层原始渗透系数对工作面开采顶板部 分波及情况下渗流场进行模拟，结果如图 6 所示。 图 6 不同渗透系数流场图（单位m） Fig.6 Flow field with different permeability coefficient in aquifer 上述评价可以看出，在渗透系数较小（K0.02 m/d） 时，含水层未波及段由于补给量有限，使得导水裂 缝带波及范围内含水层疏干，与模型概化不一致。 在渗透系数较大（K20 m/d）时，导水裂缝带未波及 到含水层段出现整体疏降的现象，含水层下段导水 裂缝带波及区域流场受顶部渗透影响较大，与模型 假设也有所差别，该情况下模型适用性较差。 综合以上分析成果，本文推导得出顶部进水型 含水层部分破坏情况下涌水量预测模型，主要应用 于渗透系数 0.1～1 m/d 的含水层。 依据 水利水电工 ChaoXing 第 5 期 刘英锋等 导水裂缝带部分波及顶板含水层条件下涌水量预测 101 程地质勘察规范中对岩石渗透系数的定义，其使 用范围为透水性中等含水层，不适用于富水性差的 基岩含水层和渗透系数较大的松散层含水层。 5 应用实例 通过建立顶部进水型涌水量预测模型，结合彬 长矿区胡家河矿 401101 工作面和 401102 工作面开 采过程中涌水量进行预测。 胡家河煤矿主采侏罗系 4 号煤，上覆充水含水 层有延安组、安定和直罗组及洛河组 3 个含水层。 煤层开采导水裂缝带发育完全波及延安组、安定和 直罗组含水层，波及洛河组巨厚含水层约 122 m。 工作面范围洛河组含水层底部标高平均为567 m， 含水层上下段水头存在差异（上段水位855.4 m，下 段水位831.6 m）。工作面回采之后含水层上段水位 下降约 36 m。 5.1 单工作面涌水量预测 胡家河矿 401101 工作面为矿井首采工作面， 结 合相关规划和设计对工作面涌水量进行预测。 根据矿井水文地质条件，延安组、安定组和直 罗组含水层富水性较弱，通过传统数值法对其涌水 量进行预测，3 个含水层涌水量为 32.7 m3/h。 洛河组含水层厚度大，距离煤层较远，扰动程 度低，无法通过回采形成的裂隙在开采过程中完成 疏干。采用以上建立的顶部进水型涌水量计算模型 对 401101 工作面涌水量进行预测， 具体参数见表 1。 表 1 洛河组含水层涌水量计算参数表 Table 1 Parameters for prediction of water inflow in aq- uifer of Luohe ation 引用参数 未波及部分 波及部分 渗透参数 K/（m.d-1） 0.025 5 0.073 含水层厚度 M/m 230 120 水头差 H1-H2/m 130 水位降深 S/m 142.6 影响半径 R/m 385.28 大井引用半径 r0/m 295.07 面积 F/m2 273 525 273 525 引用影响半径 R0/m 680.35 涌水量/（m3.h-1） 164.26 391.65 总涌水量 Q/（m3.h-1） 555.91 401101 工作面总涌水量为各含水层涌水量之 和，即工作面涌水量为 588.61 m3/h。 401101 工作面实际回采过程中，在工作面推采 到 900 m 左右涌水量保持稳定，可以认为其顶部含 水层达到稳定状态，实际涌水量为 550 m3/h，与预 测结果较为吻合，说明新推出计算公式概化合理， 计算结果较为可靠。 5.2 相邻工作面开采涌水量预计 在401101工作面回采结束之后， 进行相邻401102 工作面的回采工作。相邻工作面开采时，两个工作面 一起形成一个“大井”对含水层进行疏放，采用改进的 解析法公式对洛河组含水层涌水量进行计算，具体参 数见表 2。同时采用传统公式对延安组和安定、直罗 组含水层水量进行计算，涌水量为 44.08 m3/h。 表 2 双工作面开采洛河组涌水量计算参数表 Table 2 Parameters for prediction of water inflow of Luohe ation in double working faces 引用参数 未波及部分 波及部分 渗透参数 K/（m.d-1） 0.025 5 0.073 含水层厚度 M/m 230 120 水头差 H1-H2/m 130 水位降深 S/m 142.6 影响半径 R/m 385.28 大井引用半径 r0/m 417.29 面积 F/m2 547 050 547 050 引用影响半径 R0/m 802.57 涌水量/（m3.h-1） 328.53 500.25 总涌水量 Q/（m3.h-1） 828.78 401101 工作面总涌水量为各含水层涌水量之 和，即工作面洛河组涌水量为 828.78 m3/h，两个工 作面总涌水量为 872.85 m3/h。从计算成果可知，相 邻工作面开采之后，涌水量并非两个工作面涌水量 叠加，与实际情况较为相符。401102 工作面开采之 后，401101 工作面采空区涌水有所减小，两个工作 面涌水量约 790 m3/h。 6 结 论 a. 系统分析工作面开采时顶板含水层破坏形 式，概化出导水裂缝带未完全波及含水层时含水层 破坏形式物理模型和“二元结构”水流模型。 b. 采用裘布依公式和达西定律相关原理，结合 含水层实际情况分析在含水层部分破坏情况下的涌 水机理，推导出顶部进水型涌水量计算模型。 c. 通过生产实践和对不同情况下涌水量预测 模型的评价分析，分别得出单个工作面、两个相邻 工作面、 两个非相邻工作面情况下涌水量预测成果。 通过分析可知模型计算成果与客观情况较为接近， 说明模型概化合理。 d. 经实际验证表明模型概化合理，该方法对顶 板巨厚含水层部分破坏情况下涌水量预测有较好的 应用价值。 （下转第 107 页） ChaoXing 第 5 期 徐拴海等 冻融循环条件下粗砂岩物理力学性质变化规律 107 围压、 不同冻融循环次数下岩石三轴抗压强度公式， 并与试验结果进行了对比，验证了公式的合理性。 参考文献 ［1］ 徐光苗， 刘泉声. 岩石冻融破坏机制分析及冻融力学试验研究 ［J］. 岩石力学与工程学报，2005，24（17）3076-3082. 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