宁晓曼
（晋能控股煤业集团云岗矿地质测量部，山西 大同 037000）
云岗矿位于山西省大同市西部，于1966年11月正式投入生产，核定生产能力为270万t/a，服务年限为17a。云岗矿地层发育按从老到新排列依次为三叠系、侏罗系、白垩系、上第三系以及第四系。侏罗系中下统的延安组为含煤地层，平均厚度为65.33 m，最大厚度为110.58 m。5号煤层为可采煤层，平均厚度为11.58 m，最大厚度为23.98 m，厚度整体呈中间积薄，两侧逐渐沉积加厚。5号煤层构造简单，断层较少，含煤地层变化较小，产状倾角小，趋近于水平。云岗矿地下水补给主要来自地下水补给，以渗入补给为主，径流受地形影响较大，与地形起伏一致，其水排泄主要以涌水量排泄为主，小部分向外围移动。
对云岗矿进行精细探查发现，之前认为研究地层以中粗砂岩为主，缺乏稳定隔水层结论错误，洛河组可进行上段与下段分层。5号煤层大尺度结构为“弱-硬-弱-硬”复合型，其具体厚度数值与结构如图1所示。
图1 大尺度顶板结构参数示意图
覆岩破坏高度的影响因素主要包括上覆岩层岩性、地质构造以及煤炭开采过程三方面。其中，覆岩层岩性通常可分为软弱-软弱性、坚硬-坚硬型、坚硬-软弱型以及软弱-坚硬型四类。同等条件下，覆岩层的岩性硬度越高，破坏高度越大，硬度越低，破坏高度越小；
地质构造的影响主要是对覆岩层的力学参数影响，同等开采条件下，地质构造越复杂，使得覆岩层力学参数越低，裂隙发展越为剧烈，裂缝带高度越高；
煤炭开采过程的影响主要是指煤炭开采厚度、方法、开采走向以及长度、顶板管理方案以及持续时间等因素对破坏高度的影响。合理的煤炭开采过程可有效减少覆岩层破坏，同样，不科学的煤炭开采会加剧导水裂缝带发育，增加破坏高度。煤炭开采厚度与工作面推进速度是研究破坏高度的基础指标，煤炭开采厚度与覆岩层破坏高度呈正比关系，工作面推进速度与覆岩层破坏高度呈反比关系。对云岗矿进行覆岩破坏高度测算本文采用现场实测与模拟的方法[1]。分别对8409、8401工作面进行地面钻孔探查。
2.1 8409工作面探查
8409工作面施工TC2钻孔，采前与采后岩性破碎以及冲洗液消耗多少结合彩色钻孔窥视系统结果即可分析出导水裂缝高度。TC2钻孔在224 m与233 m的孔深时进行了彩色钻孔窥视，其照片结果如图2所示。
图2 彩色钻孔窥视照片结果示意图
由窥视照片可知，221.9 m处发现较大裂隙发育，233.7与224.6处发现纵向与横向裂隙。综合冲洗液消耗量以及现场实地情况，在221.9处钻孔出现破碎，钻孔向下裂隙发育更为明显，在240.8 m处钻孔发生变形，窥视系统被卡住。取钻孔深度221.94 m为导水裂隙顶点，标高为+899.94 m，顶部裂缝发育为+677.98 m，距离5号顶板为254.04 m，TC2钻井5号煤厚度为9.2 m，裂采比数值约为28倍。因此，可得导水裂缝发育高度数值为254.04 m[2]。
2.2 8401工作探查
8401工作面施工D1与D22个钻孔。通过电视探测与冲洗液消耗量法结合涌水量确定导水裂缝发育高度。运用冲洗液消耗量法测得导水裂缝发育高度为135.2 m，为23倍的采厚。电视探测方法测得数值为138.7 m，为23倍采厚。由于裂缝中垂直裂隙较多，部分垂直裂隙不具有导水性，冲洗液消耗量法运用清水钻进的原理，故冲洗液消耗量法测量数据较为准确[3]。
对上述2个工作面测算数据进行分析总结，8401工作面TC2钻孔处采厚为9.2 m，导水裂缝发育高度为254.04 m，裂采比数值约为28倍。8401工作面采厚为6 m，导水裂缝发育高度为135.2 m，裂采比数值约为23倍。
2.3 覆岩破坏高度模拟
本文采用的覆岩破坏高度模拟方法为相似材料模拟以及数值模拟。其中，相似材料模拟主要是通过研究对象的具体力学参数以及相关地层数据按照几何相似、等比缩小的方法进行模型建立，并通过模拟实际开采过程从而研究破坏高度。经分析，2 800 mm×1 400 mm×200 mm模型较为适合；
数值模拟采用UDEC离散单元法程序依据地质条件、水文条件进行覆岩层数值分析。模拟成果见表1，表中模拟成果为导水裂缝发育高度/裂采比。
表1 覆岩破坏高度模拟成果
由表可知，不同的预测方法所得的导水裂缝发育高度也不同，主要原因3种方法都存在一定的实验误差；
云岗矿所属的“软弱-坚硬-软弱-坚硬”覆岩结构使煤层导水裂缝带发育较高，且裂缝带发育程度与采厚呈正比；
当煤层采厚为6、9 m时，洛河组下段会受影响，使采煤工作面受洛河组水害。
3.1 传统大井法涌水量预测
传统大井法是涌水量预测较为常用的一种方法，具有方便、快捷、经济等特点。传统大井法是将矿井排水系统类似的看成以巷道系统为中心的降落漏斗，将其分布范围假设为大井，利用水动力公式进行涌水量预测。8409工作面长度为1 485 m，宽度为204 m，5号煤层到洛河组含水层厚度为112 m，采厚为7.3 m，裂采比为19.3～28倍，裂缝带高度为202.8 m。5号煤层中直接充水含水层、直罗组砂岩含水层、延安组砂岩含水层为无线承压含水层，当承压水头随着巷道开拓以及水的疏排下降到含水层顶下后，承压则会转为无压，故传统大井法涌水量预测选用承压转无压公式进行计算，其具体计算公式为：
其中，Q为涌水量（m3/d）；
k为渗透系数（m/d）;M为含水层厚度（m）；
S为水位降深（m）；
H为水头高度（m）；
R为引用影响半径（m）；
r为引用半径（m）。
实际计算过程中，需对侏罗系与洛河组下段进行分别涌水量预测，各参数及计算结果见表2。
表2 涌水量预测各参数及计算结果表
因此，传统大井法预测涌水量为197 m3/d。
3.2 倒置非完整大井法涌水量预测
3.2.1 地质概化模型建立
云岗矿大井顶部存在进水现象发生，故传统的大井法无法适用，需进行相应改进。云岗矿随着开采活动的进行，覆岩会发生移动和变化，导水裂缝会向上发育形成“马鞍状”形态。顶部虽有凹陷，但可忽略，近似为平面。覆岩的破坏使得导水裂缝渗透系数大增，故需将大井法改进为将导水裂缝概化为非完整井，大井应倒置，且进水部位为顶部[4]。运用倒置非完整大井法进行地质概化模型建立如图3所示。其中，巨厚洛河组含水层的顶部与底部为隔水边界，左右两边为定水头边界。导水裂缝带会对水流方向造成影响，水流会向大井汇流。由于垂直向大井的渗透系数相比于其他位置的渗透系数相差较多，故可近似看作水是由大井边界直接流向工作面采空区，边界两侧的地下水可忽略不计。模型中两侧的边界可看作为定水头边界，整个水流场看作以大井轴线为中心的轴对称坡面流。
图3 倒置非完整大井法地质概化模型示意图
3.2.2 涌水量预测分析
由图3可知，巨厚洛河组含水层可分为上段与下段2段导水裂缝带。上段的导水裂缝带进水量计算公式[5]为：
式中：Q为倒置非完整大井法顶部进水量（m3/h）；
K为渗透系数（m/h）；
S为过水断面面积（m2）；
H1为半径外围定水头高度（m）；
H2为大井边界定水头高度（m）；
R为流线半径（m）；
r为非完整大井引用半径（m）；
M为含水层未波及厚度（m）。
下段井壁进水量计算公式为：
式中：Q为倒置非完整大井法井壁进水量（m3/h）；
K为渗透系数（m/h）；
M为含水层波及厚度（m）；
H1为半径外围定水头高度（m）；
H2为大井边界定水头高度（m）；
R为流线半径（m）；
r为非完整大井引用半径（m）。
云岗矿巨厚洛河组含水层上段平均厚度为112 m，采厚平均约为7 m，渗透系数具体为0.017 8 m/h，下段平均厚度为100 m，水位降深为101.1 m。由覆岩破坏高度测算可知，巨厚洛河组含水层裂采比取最大值为28倍，导水裂缝发育高度为254.04 m，洛河组进入为91 m，未完全贯穿，含水层未波及厚度为8.81 m。将数据代入上述公式，并将上段导水裂缝带涌水量与下段导水裂缝带涌水量相加可得，涌水量为320 m3/h。
3.3 数值法涌水量预测
通过数值法是利用EFLOW软件进行云岗矿地下水三维模型数值模拟预测，数值法采用的是离散化的方法进行数学模型求解，预测结果为近似值。数值法是将研究区域分割为几乎均质的规则单元体，然后运用地下水测流表达式进行均质问题求解。运用EFLOW软件对工作面进行抽水井与最小水头限制设置，模拟疏干排水过程，当含水层水位下降到实际监测水位后，利用水均衡模块进行涌水量预测，其流场图如图4所示。
图4 数值法涌水量预测流场图
经水均衡计算分析可得，地下水预测涌水量为331 m3/h。
经测算，实际涌水量为290 m3/h，与预测涌水量较为相近，其误差率大约为10.34 %，较为符合涌水量预测标准。为证明该方法较为准确，本文对运用传统大井法和数值法的涌水量预测与本方法进行了对比分析，其具体数值见表3。通过表格数据可知，传统大井法和数值法涌水量预测与本方法数值相近，但其相对误差比本方法高，本方法最为适合云岗矿涌水量预测分析。
表3 多方法涌水量预测结果对比
云岗矿顶板水害事故频发，严重影响企业安全高效生产。经分析，水害发生的主要原因在于云岗矿进行涌水量预测时，将含水层视为一个整体进行涌水量预测分析，未考虑到上段与下段具有分层特性，使得涌水量预测分析数值与实际数值相差较大。针对这一现象，本文进行了针对性分析研究并得出以下结论：
1）云岗矿5号矿井大尺度结构为“弱-硬-弱-硬”复合型，运用现场实测进行覆岩破坏高度测算，8409工作面TC2钻孔处采厚为9.2 m，导水裂缝发育高度为254.04 m，裂采比数值约为28倍。8401工作面采厚为6 m，导水裂缝发育高度为135.2 m，裂采比数值约为23倍。
2）运用多种方法进行涌水量预测分析发现，倒置非完整大井法对云岗矿涌水量预测最为准确，预测涌水量为320 m3/h，与实际测算的290 m3/h相差30 m3/h，误差率为10.34%，符合涌水量预测要求。
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