華北型煤田礦井巖溶水涌(突)出機理與涌(突)水量預測方法探討

傅耀軍

(中國煤炭地質總局勘查研究總院，北京 100039)

華北型煤田疊置于奧陶系巖溶水系統之上，煤炭資源與巖溶水資源相伴、共存。煤炭開采，尤其是下組煤開采，往往對巖溶水系統形成干擾，甚至對巖溶水資源造成破壞。同時，高承壓巖溶水又嚴重威脅著礦井的安全。由于對巖溶發育與巖溶水賦存規律、巖溶水系統發育規律與發育史、巖溶水系統動力學特征以及與之密切相關的承壓巖溶水釋放或涌(突)出機理等北方巖溶水諸方面認識的局限，因此，對承壓巖溶水一旦釋放或涌(突)入礦井，其流量(強度)及延續時間的累積水量預測的研究少有涉及或嚴重滯后。設防或防止水措施抑或事故應急處理，往往只能經驗使然，不可避免地存在盲目性。

研究表明，不同巖溶水系統模式，巖溶水對礦井威脅程度及涌(突)水危險性不同，或者說，采煤對不同巖溶水系統水資源的干擾、破壞程度不同。礦井所處巖溶水系統位置及功能區域不同，巖溶發育、巖溶水賦存及巖溶水動力特征等不同，巖溶水對煤礦開采的影響及涌(突)水危險性、涌(突)水量也各不相同。

本文從奧陶系巖溶水系統的形成，巖溶水系統模式，巖溶水賦存及其動力學等特征方面入手，探討承壓巖溶水釋放或涌(突)出機理，并應用非穩定流理論研究其涌(突)水量預測方法。

1 北方奧陶系巖溶水系統

1.1 巖溶水系統的形成

北方奧陶系巖溶水系統是地層、構造、地貌、水文、氣候等自然因素共同作用、塑造而成，演化歷史復雜、漫長。就其巖溶發育歷程看，在奧陶紀之后的漫長地質年代，伴隨著地殼律動，氣候、水文變遷，古巖溶作用交替更迭，造就了紛繁的巖溶遺存，為巖溶水賦存提供了巨大地下空間，也為巖溶水系統發育奠定了物質基礎。容易理解，巖溶地下水與地表水共同參與特定地質、地貌單元(或流域)的水循環，同步塑造了地表水系和巖溶地下水系統。因此，北方奧陶系巖溶水系統與同流域地表水系是相輔相成的伴生關系。這一認識，為從地表水系的發育、形成過程，研究巖溶水系統發育史及巖溶水賦存、運移的系統性規律，提供了水文依據和路徑。

與南方巖溶地下水以地下暗河系統與地表水交織、轉換為典型特征不同，北方巖溶水系統多形成巖溶水徑流帶系統，以巖溶泉(群)的形式集中排泄，反補于與之伴生的地表水系。

黃河中游流域和太行山東麓的海河流域是北方巖溶水系統及巖溶大泉集中發育區。以黃河及其支流汾河為例，150KaBP(距今15萬年前)，黃河中游貫通，形成黃河東流入海，中更新世末或晚更新世初，黃河中游曾發育若干獨立的沉積盆地，盆地貫通是黃河形成的重要標志。在150KaBP左右，三門峽古湖盆切穿，使得流經黃土高原、渭河地塹的河流匯集三門峽并東流入海，是現代意義上黃河形成的重要標志。中更新世末或晚更新世初，該區又經歷了一次更為強烈的構造運動，并與當時溫暖多雨的間冰期氣候配合，形成現代汾河河谷的雛形。巖溶泉的形成及其巖溶水系統的發育、完善，應是河流貫通、形成之后，以及水系下切發育過程中，它們的形成時代有因果呼應關系。巖溶水系統是地形、地貌切割，巖溶水出露形成泉(群)后，在泉群集中排泄所控制的巖溶水動力場作用下，伴隨著巖溶水徑流帶的發育逐步演化而成。巖溶水徑流帶是巖溶水對前期(古)巖溶繼承、改造的結果，是北方巖溶水系統的基本特征。海河流域的太行山東、南麓巖溶水系統有著與之類似的形成過程，如，黑龍洞泉、辛安泉巖溶水系統等。圖1為黑龍洞泉巖溶水系統徑流帶平面圖。

1-第四系沉積物(其下伏層為石炭二疊系砂巖層)；2-石炭系和二疊系砂頁巖夾煤層(其下伏巖層為奧陶系石灰巖)；3-奧陶系石灰巖；4-寒武系頁巖夾灰巖；5-閃長巖體；6-斷層；7-巖溶徑流帶(巖溶地下水脈)；8-黑龍洞泉群圖1 河北峰峰黑龍洞泉群巖溶水系統巖溶徑流帶平面圖Figure 1 Karstic water system runoff zone plan of HeilongdongSprings in Fengfeng, Hebei

1.2 巖溶水系統模式及其動力學特征

在長期系統研究、總結的基礎上，梁永平研究員將我國北方巖溶水系統模式概括為5種類型，即單斜順置型、單斜逆置型、向斜—盆地型、走向型和斷塊及其它型(表1)。單斜順置型、單斜逆置型及向斜—盆地型數量多、規模(面積)大,具有北方巖溶水系統的典型特征(圖2)。

表1 中國北方巖溶水系統模式特點匯總表

(a)單斜逆置型(頂板阻溢型)；(b)單斜順置型(底板阻溢型)；(c)向斜-盆地型圖2 北方巖溶水系統剖面水動力網示意圖Figure 2 A schematic diagram of North China karstic water system section hydrodynamic network

由巖溶水系統剖面水動力網圖2及表1可看出，單斜順置型巖溶水系統(亦稱頂板阻溢型巖溶水系統)，地層總體傾向與巖溶水徑流方向相同，煤系地層主要分布在巖溶水系統下游的排泄區和滯留承壓區，構成巖溶水系統的頂板阻(隔)水邊界。在補給區同一鉆孔中，巖溶水頭隨深度而降低；在排泄區，巖溶水頭隨深度而增高；在煤系地層分布的承壓區，由于回流作用，使巖溶水頭也產生隨深度而增高的現象。因此，排泄區巖溶發育很深，一般可達到溶蝕基準面，并可向煤系地層分布的承壓區發展。承壓區巖溶發育深度與補給、排泄區水頭差有關。而單斜逆置型巖溶水系統(亦稱底版阻溢型巖溶水系統)地層總體傾向與巖溶水徑流方向相反，煤系地層主要分布在巖溶水系統上游的滯留承壓區。在補給區及滯留承壓區，鉆孔揭露巖溶水頭隨深度而逐漸加深，巖溶水有明顯向下及順層運動趨勢；在排泄區，等水頭線呈向上彎曲的弧形，水流有明顯向上運動趨勢。向斜—盆地型巖溶水系統則大面積被煤系地層所覆蓋，巖溶水徑流方向與地層傾向由相同轉為相反，煤系地層多分布在巖溶水系統的承壓徑流區。受奧陶系灰巖埋深等因素控制，埋深較淺者，巖溶水可穿過向斜軸部向排泄區運動；深者，巖溶水不穿越向斜軸部，而是在翼部淺循環形成泉群。

巖溶水系統模式所決定的巖溶發育、巖溶水賦存規律及巖溶水動力網特征，為分析、研究煤礦井巖溶水釋放或涌(突)水機理和規律，及巖溶水防治與合理開發利用提供了水文地質依據。

2 華北型煤田礦井巖溶水涌(突)出機理

華北型煤田巖溶水系統模式及其巖溶水動力學特征，決定了其煤(采煤)、水(巖溶水)關系的基本格局。單斜順置型及向斜—盆地型巖溶水系統之上的礦井(工作面)，多位于巖溶水系統集中排泄區—泉群出露河床標高之下，屬徑流承壓或滯留承壓區，巖溶水動力特征決定其涌(突)水危險性或概率通常高于其它系統模式(與單斜逆置型巖溶水系統比較尤為明顯)。

巖溶水徑流帶所控制的巖溶水網絡系統，使得巖溶水賦存、分布在空間上極不均勻，這與構造對巖溶發育規律的控制相一致。因此，在構造不發育(或發育簡單)，灰巖相對完整的區段(塊)，巖溶不發育，巖溶水貧乏甚至為無水區。這些區段(塊)之上的礦井(工作面)，也就無水可涌，無突水危險性可言。構造發育區段(塊)，巖溶相對發育，巖溶水相對富集，往往構成巖溶水網絡的一脈或局部，采掘工程一旦揭露其延展于煤系地層中的形跡要素，往往引(誘)發巖溶水彈性釋放，類如定降深承壓水流，形成礦井涌(突)水。

由巖溶水系統模式及巖溶水動力學特征不難看出，巖溶水彈性釋放是承壓滯留區礦井巖溶水涌(突)出的本質特征。

大量巖溶水害案例表明，奧陶系和煤系共同發育的張性斷層、裂隙帶及巖溶陷落柱，其煤系層段是巖溶水彈性釋放的主要途徑或通道(表2)。如圖3所示，F2、F3斷層因未一并切割奧陶系和煤系，采掘工程中不易或不能引(誘)發巖溶水彈性釋放；F4斷層雖發育于煤系和奧陶系中，但因其壓扭性，斷層帶巖性致密，通常巖溶不發育，不能構成巖溶水網絡系統的有效組成，因此也難以引(誘)發巖溶水彈性釋放；唯有F1斷層，其斷層帶張性裂隙發育，在灰巖中往往形成巖溶發育帶和富水帶，是巖溶水網絡系統的重要組成部分，其煤系層段也往往具有相對好的含(透)水性，構成巖溶水彈性釋放涌(突)入礦井的通道(天然狀態下，往往是巖溶水系統與煤系砂巖地下水系統水力聯系的通道)。這種連接巖溶水網絡系統與采空區，具有透水空隙的斷層、裂隙帶及陷落柱，稱為巖溶水彈性釋放或涌(突)水通道。

采掘工程揭露巖溶水彈性釋水通道，造成巖溶水涌(突)出的方式大體可分為兩種，一種是一觸即發式，意指一經揭露即刻涌(突)出。往往天然狀態下，煤層頂板地下水系統與下伏巖溶地下水系統一通過上述通道保持著水力聯系；另一種是滯后延遲式，通道在巖溶水頂托“壓裂”及壓差作用下，或逐漸開裂、或擴大，進而連(疏)通，引(誘)發巖溶水彈性釋放。釋水流量通常有小漸大，進而衰減直至斷流。這一過程同樣存在于一觸即發式。這種在水壓作用下，介質(通道)開裂、擴大、連通的原理與油氣層水力壓裂相似。根據水力壓力學原理，只要有足夠的壓力液及使裂隙延伸的壓力，裂隙就會沿阻力最小的方向發展；同時在水壓裂擴容作用下，在主裂隙周圍產生“翼”狀次生裂隙，形成局部剪切貫穿裂隙帶。采煤工作面(采空區)的形成，改變了地層的應(壓)力平衡，形成承壓巖溶水與煤層底板間的水頭壓差即水力梯度，張性斷層、裂隙帶所控制的巖溶水網絡中的承壓水，在水頭壓力作用下，對連接其與采空區的構造帶施以類如水力壓裂的揳劈作用，壓裂裂隙逐漸擴大、連通，形成巖溶水彈性釋放通道。顯然，通道形成速度、規模與巖溶水承壓水頭，巖溶水與采空區間的水力梯度，構造帶巖性結構及厚度有關。圖4顯示了天然裂隙與壓裂裂隙的相互作用關系。

表2 華北型煤田煤礦巖溶水主要突水淹井一覽表

(據《煤礦防治水手冊》)

圖3 巖溶水涌(突)水通道示意圖Figure 3 A schematic diagram of karstic water inrush (bursting) channel

圖4 天然裂縫和水力裂縫的相互作用Figure 4 Interaction between natural fissures and hydraulically fractured fissures

承壓巖溶水彈性釋放，流量往往隨著通道的形成由小變大，水流由清變濁，而之后的由大變小，由濁變清，逐漸衰減，則是由于承壓水頭逐漸降低，巖溶水彈性釋放逐漸減少所致。

3 巖溶水涌(突)水流量、累積涌(突)水量預測

3.1 巖溶水涌(突)水流量預測

張性斷層、裂隙帶及陷落柱的煤系層段是奧陶系巖溶水釋放涌(突)入礦井的主要通道。當采掘工程揭露與巖溶水裂隙網絡系統相連的通道時，承壓巖溶水通過壓裂、揳劈等作用，疏通通道，進入礦井，巖溶水承壓水頭即刻降至接近煤層底板，巖溶水彈性釋放形成定降深承壓自涌水流，類如定降深承壓自流井(群)(圖5)。

圖5 張性斷層引發承壓巖溶水彈性釋放示意圖Figure 5 A schematic diagram of confined karstic waterelastic release initiated by tensional fault

工作面(采掘工程)揭露通道形式，如圖6所示。在目前地震等勘探精度及采煤技術條件下，通常設計工作面所及斷層規模較小(斷距一般小于5m)。

圖6 工作面釋水通道示意圖Figure 6 A schematic diagram of working face waterrelease channel

前已述及，承壓巖溶水彈性釋放涌(突)入礦井，水頭降至接近煤層底板，屬定降深自涌承壓水流，假定其滿足非穩定流完整井定降深井流條件，則可用非穩定流定降深井流理論研究、預測(計算)承壓巖溶水釋放即涌(突)水流量問題。在側向無限延伸、均質各向同性含水層中，水頭下降引起地下水從貯存量中釋放是瞬時完成的。據此，非穩定流定降深井流可用下式描述，

(1)

式中：Q-自流井流量，m3d-1；

Sw-自流井降深，m；

T-承壓含水層導水系數，m2d-1；

a-承壓含水層水頭擴散系數或壓力傳導系數，m2d-1；

t-自流井涌水時間，d。

圖7 G(λ)-λ(Q-t)曲線Figure 7 G(λ)-λ(Q-t) curve

基于承壓含水層彈性釋放的非穩定流理論，及其定降深井流方程，為華北型煤田礦井承壓巖溶水涌(突)出流量及累積水量預測等提供了科學方法。

通常情況下，華北型煤田下伏奧陶系巖溶含水層可概化或理解為無限承壓含水層。由(1)式可知，在已知巖溶水系統模式、礦井所處巖溶水系統位置，獲取巖溶承壓含水層水文地質參數、巖溶水承壓水頭(由煤層底板或揭露通道處算起)等數據及探獲工作面將揭露通道空間展布特征情況下，將經突水危險性評價為危險區域的構造之線狀過水斷面和釋水通道(圖5、圖6)，概化成環狀過水斷面和釋水通道，線狀過水斷面長度等效于承壓自流井含水層段井壁周長，就可用非穩定流定降深承壓水井流方程預測斷層、裂隙帶、陷落柱等線形構造可能引(誘)發的涌(突)水流量及其動態變化。

設r線為概化自流井灰巖(出水)段半徑，則，

(2)生產指標大幅改善。產品數質量得到優化，矸石損失降低2百分點、洗混煤損失下降4百分點，綜合回收率提高1百分點，精煤回收率提高1.5百分點，增加銷售收入約3 600萬元。

(2)

式中：L-揭露線狀構造長度，m。

用S定表示概化自流井定降深，即由煤層底板算起的巖溶水承壓水頭，與(2)式一并代入(1)式，則得預測巖溶構造可能的涌(突)水流量(Q涌)

公式，

(3)

此為華北型煤田礦井巖溶水涌(突)水流量預測公式，簡稱巖溶涌(突)水流量公式。

圖8為給定合理的巖溶含水層水文地質參數值及S定、L值，由(3)式給出的涌(突)水流量與巖溶含水層水文地質參數、要素關系曲線。反映出的流量隨時間延續而衰減之特征，與圖7G(λ)-λ曲線特征相同；Q-T曲線表明，涌(突)水流量與巖溶含水層導水系數為線性關系，隨著導水系數等幅增加，涌(突)水流量幾乎呈倍增式加大；Q-S定曲線呈現出，涌(突)水流量隨定降深加大，呈直線上升(加大)趨勢；Q-u﹡曲線顯示，隨巖溶含水層貯水系數增大，涌(突)水流量增大，且有增速加快趨勢；Q-L曲線反映出，涌(突)水流量隨巖溶構造規模(過水斷面長度)增大而加大的趨勢，但增速逐漸變緩。

圖8 Q-t、T、L、S定、u※關系曲線Figure 8 Relationship curve betweenQ-t,T,L,Sconstant andu※

3.2 累積涌(突)水量計算

礦井累積涌(突)水量，簡稱涌(突)水量，指承壓巖溶水涌(突)過程中，從始涌(突)延續到某時間點(或某時間段內)涌(突)入礦井的總水量，為體積量。

由(1)、(3)式可知，巖溶含水層水文地質參數、定降深及線狀構造長度確定，涌(突)水流量隨時間延續而衰減，流量是時間的函數，即，

(4)

(5)

設起算時間為t1(t1>0)，截止時間為t2(t1

(6)

(6)式為承壓巖溶水礦井涌(突)水量預測公式。由定積分原理可知，W為圖9所示曲邊梯形面積。至此，用計算程序或科學計算器可快捷計算(預測)任意延續時間的巖溶水涌(突)水量。

圖9 涌(突)水量定積分計算Figure 9 Definite integral computation of water inrush(bursting) flow

例如，某煤礦井，根據抽(放)水試驗資料獲得奧陶系巖溶含水層導水系數T=200m2/d，貯水系數u※=10-4，由煤層底板算起的巖溶水承壓水頭為500m(S定=500m)，工作面揭露一條發育于煤系和奧陶系的正斷層，所及長度20m(L=20m)。用上述方法可預測該斷層一旦涌(突)水，其最大涌(突)水流量，之后任意時間的涌(突)水流量及任意時間段的總涌(突)水量。用Q(0.5)、Q(5)、Q(10)分別表示涌(突)水0.5h、5h、10h的流量，W5、W10、W15分別表示從0.5h到5h、10h、15h的涌(突)水量，相關數據輸入程序，即得預測水量，

Q(0.5)=5 729m3/d

Q(5)=4 575m3/d

Q(10)=4 314m3/d

Q(15)=4 174m3/d

W5=22 092m3

W10=44 226m3

W15=65 419m3

礦井涌(突)水量預測可為礦井排水系統及防治水工程等提供科學依據，將有效提升礦井巖溶水防治水平。

4 相關問題再述

巖溶泉群及其巖溶水系統形成地質年代和與地表水系相輔相成關系的分析、研究，為通過地文期比對及新構造運動作用研究，進一步揭示巖溶發育和巖溶水賦存規律，進而精細刻畫巖溶水系統特征，提供了地質、地理及水文等因素的時、空依據。

巖溶水強徑流帶控制的巖溶水網絡系統是北方巖溶水系統的基本特征，也是巖溶水賦存不均一的根本原因。巖溶水系統模式的研究，揭示了不同模式巖溶水動力學特征，對礦井巖溶水防治有重要指導意義。

礦井涌(突)水是承壓巖溶水彈性貯存的釋放，屬非穩定流范疇，可用非穩定流理論描述、模擬并定量評價。

承壓巖溶水對斷層、裂隙帶及陷落柱煤系層段的水力壓裂作用，是引(誘)發承壓巖溶水彈性釋放或涌(突)出的重要因素。水力壓裂作用始于采掘空間形成，煤層頂、底板地下水系統間水壓失衡之后。天然狀態下，煤層頂板地下水系統與底板巖溶地下水系統水力聯系的通道，經采掘工程揭露，往往構成承壓巖溶水彈性釋放通道。

巖溶含水層是由以溶隙、溶孔為主的巖溶空隙(主要是古巖溶遺存)構成的巖溶水網絡系統，受構造控制，其所展布的空間即所謂巖溶含水空間。因此，引用非穩定流承壓完整井井流公式是適宜的。將斷層等線狀構造概化成等長過水斷面的井(孔)，未見先例，實際過水斷面面積是所揭露斷層帶(巖溶裂隙帶)充(釋)水面積，若所揭露長度范圍斷層帶(線狀構造帶)連續充水，則概化合理?；诔袎簬r溶水彈性釋放及非穩定流理論的礦井承壓巖溶水涌(突)水預測，著眼于涌(突)水概率最大或有著最多涌(突)水案例的張性斷層、裂隙帶及陷落柱，一旦引(誘)發涌(突)水的流量(強度)及某時間段的涌(突)水總量，深化和豐富了“涌(突)水危險性評價”的內涵，突破了巖溶涌(突)水難以預測的禁錮，將促進礦井巖溶水防治更科學、主動和有效。

巖溶含水層(巖溶水系統)導水系數、貯水系數以及巖溶水承壓水頭(定降深)、線狀構造規模對涌(突)水量影響直接而敏感，因此，應是勘查、研究的重點。有效的抽(放)水試驗及獲取相應精度的試(實)驗數據，獲取水文地質參數至關重要。

致謝：首都師范大學朱一心教授、河北地質大學彭建萍教授及中國地質調查局康寧幫助解決了定積分求解問題；中國煤炭地質總局勘查研究總院林恬編制了涌(突)水量定積分計算程序，趙岳、萬貴龍給予了定積分問題的幫助，丁瑩瑩、趙欣、孫杰提供了黃河、汾河及太行山東麓河流發育史和油氣層水力壓裂的相關參考資料，韓金輝計算機繪制了全部圖表。對他們的熱心幫助和辛苦勞動致以衷心感謝。