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姜 鹏1,2,3,陈清通2,3,邱 浩2,3
(1.中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083;2.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院,北京 100013;3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室,北京 100013)
摘 要：为弄清掘进巷道顶板高压低渗水的形成机理， 以物探、钻探及化探一体化技术为辅助手段，通过物探探测岩层富水性、钻探验证富水区情况及放水试验、化探分析含水层水化学特征，结合固-液-气三相耦合特征对顶板高压低渗水形成机理进行了研究。研究结果表明:顶板岩层岩性为软硬交替的岩层组合形式，利于顶板含水层水的赋存，且上下含水层之间难以越层补给；断层带的影响改变区域应力场的分布，破坏了岩体原渗流场与应力场的平衡状态，导致岩体发生变形，岩体破碎度增加、岩体裂隙变大，使断层带区域具有更好的储水能力及地下水渗透性；由于岩体是由固相、液相、气相三部分交织组成的多相物质，使得顶板高压水压、气压及高差重力协同作用下形成混合压力，通过工程实例对“三探”一体化技术的有效应用,得出的机理可以对煤矿水害进行有效预测。
关键词：顶板水害；高压低渗；“三探”一体化技术；断层带
中图分类号：P621
文献标志码：A
文章编号：0253-2336(2019)06-0205-08
JIANG Peng1,2,3,CHEN Qingtong2,3,QIU Hao2,3
(1.School of Resources and Safety Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083,China;2.Mine Safety TechnologyBranch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 3.State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization,Beijing 100013,China)
Abstract:In order to obtain the formation mechanism of high pressure and low water permeability in coal seam roof,the overall technology of geophysical exploration,drilling and geochemical exploration was proposed as an auxiliary mean,and the solid-liquid-gas three-phase coupling characteristics were studied.The results show that the top rock strata lithology is a combination of soft and hard alternating rock layers,which is conducive to the occurrence of the top water in the aquifer,and it is difficult to replenish between the upper and lower aquifers; the influence of fault zone changed the distribution of the regional stress field and destroyed the equilibrium state between the original seepage field and stress field of the rock mass,which led to the deformation of the rock mass,increased the fragmentation of the rock mass and large rock mass fissure,resulting in a fault zone with better water storage capacity and groundwater permeability; because the rock mass is a multi-phase material composed of solid,liquid and gas phase,it is concluded that the high pressure in the roof is the mixing pressure formed by the synergy of water pressure,air pressure and high differential gravity.Through the engineering examples,the "three exploration" overall technology has been effectively applied to determine the importance of mine water damage prediction.
Key words:roof water disaster; high pressure and low permeability; overall technology of geophysical exploration,drilling and geochemical exploration; fault zone
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姜 鹏,陈清通,邱 浩.“三探”技术在顶板高压低渗水形成机理分析中的应用[J].煤炭科学技术,2019,47(6)：205-212.doi:10.13199/j.cnki.cst.2019.06.031
JIANG Peng,CHEN Qingtong,QIU Hao.Analysis on formation mechanism of roof water with high pressure and low permeability by overall technology of geophysical exploration & drilling and geochemical exploration[J].Coal Science and Technology，2019，47(6)：205-212.doi:10.13199/j.cnki.cst.2019.06.031
收稿日期：2018-12-12
责任编辑：曾康生
基金项目：国家科技重大专项资助项目(2016ZX05045001-004)；国家自然科学基金资助项目(51674142)
作者简介：姜 鹏(1987—),男,山东青岛人,助理研究员,硕士。E-mail：jiangpeng136@126.com
煤矿水害是煤炭资源开采中常见的一种灾害，我国煤炭资源十分丰富且地域分布辽阔，是世界上第一产煤大国，但由于我国煤田区域地质条件差异性较大且多构造复杂，矿井突水隐蔽致灾因素与机理多变，矿井水害呈现多样性，亦是世界上矿山水害最严重的国家之一。基于国内矿区复杂的水文地质条件，大量学者均对目前煤矿开采水害现状、突水特点及后期开采存在而众多水害问题进行了不同程度的分析研究，其中，董书宁[1]归纳总结了近年来煤矿水害事故发生的基本特点，研究了废弃矿井诱发矿井透水的水文地质条件；武强[2]基于我国采煤现状，认为随着浅部和上组煤易采资源逐渐枯竭，深部和下组煤煤炭资源开采的水害问题将愈加严重；张耀辉等[3]结合矿井探放水现状分别对矿井水害、探测方法、防治技术和注浆堵水材料进行分析总结；蒋建华等[4]总结了煤矿突水征兆、剖析原有了治理煤矿水害隐患技术存在的缺陷；张志龙等[5]基于矿井水害的防治技术及系统性、动态性等特点，论述矿井水害发生的根本原因，另外，文献[6-7]分别对典型矿井的水害特点进行了分析，提出了相应的防治技术。
煤矿水害事故具有破坏性大、突发性强、抢救难度大、经济损失大、矿井恢复周期长、恢复期间安全隐患多等特点，往往导致大量的人员伤亡，给矿工生命和国家财产造成无法挽回的损失。且随着煤炭资源开采深度、开采规模、开采范围及开采强度的不断加大，煤矿生产受水害威胁愈加严峻。针对国内煤矿复杂的水害特征，相关学者经过多年理论与实践应用，对煤矿水害的探测获得了一系列较成熟的技术，例如利用瞬变电磁法[8-11]、矿井直流电法[12]、网络并行电法[13]等探测含水层的富水性；利用槽波地震勘探、瑞利波地震勘探、无线电波透视法、矿井音频电透视，矿井地质雷达等探测隐蔽地质构造[14-16]；利用化探技术分析含水层渗流补给特征[17-18]，利用钻探技术探测及验证水体分布及隐蔽构造[19]。这些水害探测技术对煤矿水害的预测及防治有了显著的推进，大幅减少了煤矿水害事故的发生。但是目前煤矿对已有水害探测技术应用不够，往往仅限于了解或者应用其中的①种或②种手段，缺乏物探、钻探及化探技术一体化探测整体、系统的应用思想，基于此种情况，笔者利用“三探”一体化技术作为辅助手段落实于工程实例，力求推进“三探”一体化技术的应用。
八连城煤矿隶属于珲春矿业(集团)有限责任公司，位于吉林省珲春市境内珲春煤田河北区的西部，井田内主要含煤地层为古近系，共7个可采煤层，自上而下编号为18煤 、19煤、19-2煤、20煤、23煤、26煤、28煤，为高瓦斯矿井。井田南部规划开采区域的西三轨道巷、运输巷沿着19煤底板掘进，在掘进过程中在西三轨道巷附近区域揭露5条落差较大的正断层，分别为DF70正断层(落差0～43 m)、DF71正断层(落差0～28 m)、 DF72正断层(落差0～43 m)、DF73正断层(落差0～18 m)及F12正断层(落差0～88 m)[20]。煤层顶板主要赋存3层含水层，分别为煤系层间承压含水层(弱富水性)、风化裂隙带含水层(弱富水性)及第四系含水层(强富水性)，其中风化裂隙带含水层及第四系含水层距离煤层顶板200 m以上。在西三轨道巷DF70断层区域开展煤与瓦斯突出鉴定钻孔瓦斯压力观测过程中，探测得到顶板钻孔中压力高达4.3 MPa，经进一步现场分析及施工钻孔探测，初步确定测得钻孔高压力可能为顶板水压。
图1 区域采掘工程平面
Fig.1 Plan of regional mining engineering
研究区域19煤平均厚度1.6 m，分析区域附近钻孔所揭露的岩性结构状况，对顶板各类岩石进行物理力学性质测试，获得相关参数见表1，整理19煤顶板以上100 m高度范围内的岩性特征，见表2。对照分析表1及表2，得到如下结果：
1)依据岩性特征，把煤层归为泥岩类，粉砂岩和泥岩归为一类，细砂岩、中砂岩及粗砂岩归为砂岩类，分别统计各钻孔组合特性：① 0406钻孔19煤顶板0～50 m范围内粉砂岩和泥岩所占比例为93.3%，砂岩为6.7%；51～100 m范围内粉砂岩和泥岩所占比例为100%；② 0407钻孔19煤顶板0～50 m范围内粉砂岩和泥岩所占比例为54.9%，砂岩为45.1%；51～100 m范围内粉砂岩和泥岩所占比例为76.6%，砂岩为23.4%；③ 补-16钻孔19煤顶板0～50 m范围内粉砂岩和泥岩所占比例为100%；51～100 m范围内粉砂岩和泥岩所占比例为88.2%，砂岩为11.8%。
2)区域的一个明显特征是泥岩类在煤层顶板覆岩总厚度中所占比例较大，区域泥岩类具有强度低、塑性大的特点，基岩中随着泥岩类厚度比例的增大，岩性变软，强度降低、塑性增大，抗变形能力增强，具有原生裂隙和采动裂缝易于弥合与压实等一系列特定属性，此种地层特征对采动裂隙的向上发展具有比较强的抑制作用，同时该类基岩具有较强隔水能力。
3)依据3个钻孔岩性分布情况，3个钻孔岩层构成特征有一定的共性，均以泥岩和粉砂岩为主，亦具有一定差异性，仅0407钻孔19煤顶板中含有较大比例的砂岩类，0406、补-16两个钻孔顶板中砂岩类构成比例很小，总体分析表明0407钻孔所在区域顶板砂岩层具有一定的富水条件，且顶板软硬交替的岩层组合形式，利于顶板砂岩含水层水的赋存，无构造情况下上下含水层之间难以越层补给。
表1 煤层顶板各类岩性岩石的力学指标
Table 1 Rock mechanics index of coal roof
目前在众多物探方法中，瞬变电磁以其对低阻含水体灵敏、受体积效应影响小、纵横向分辨率高、且施工灵活轻便及工作效率高等特点而被广泛认同应用，且己用于煤矿地下水探测多年，并已取得了较好的地质验证效果。因此，此次应用井下矿用本安型瞬变电磁仪进行顶板富水性的探测。
3.1.1 探测方案设计
此次应用瞬变电磁技术主要探测断层带区高压孔附近的顶板富水性，依据探测目的，布置井下探测点(图3)，在探测区域2条巷道中布置5个方向的测线，测线方向布置如图4所示。
图3 井下瞬变电磁测点布置
Fig.3 Measuring points layout of transient electromagnetic method
图4 瞬变电磁测线角度布置
Fig.4 Measuring lines angle layout of transient electromagnetic method
3.1.2 探测综合成果分析
综合探测结果及研究区现场地质环境状况，形成视电阻率等值线拟断面图(图5，x为至初始探测位置的距离，y为探测深度)及物探综合成果平面叠加图(图6)，图中圈定的相对低阻异常区为砂岩裂隙水局部富水区反应，结合现场地质条件，综合分析认为：西三轨道巷探测区域顶板圈定几处相对富水区域，尤其靠近断层位置的砂岩富水区域更明显，分析认为受到断层带的影响，顶板裂隙较为发育，因此富水性相对更加明显。
图5 视电阻率等值线拟断面
Fig.5 Contour line section of apparent resistivity
1—低阻异常区；2—断层带影响下低阻异常区；3—断层带富水区
图6 物探综合结果平面叠加
Fig.6 Plane overlay of geophysical comprehensive results
在研究区域DF70断层南侧探测到4.3 MPa钻孔压力后，随后在靠近DF70断层下盘位置另施工一个水压探测孔，测得瞬时钻孔压力达到4.1 MPa。在现场已做工作的基础上，进行此次钻探试验的方案设计。
3.2.1 富水区钻探试验方案
此次试验设计2个探水孔(Ⅰ号钻孔和Ⅱ号钻孔)，分别在西三轨道下山DF70断层上盘、下盘各施工1个探水钻孔，再利用前期已经施工过的1个钻孔(定义Ⅲ号钻孔)，其中Ⅱ号、Ⅲ号钻孔位置均在本次物探圈定顶板相对富水性明显区域，钻孔布置位置如图7所示。
图7 探放水钻孔布置示意
Fig.7 Layout sketch of dewatering drillings
通过3个钻孔试验，探测顶板煤系含水层水压、水量等水文地质特征，并对试验孔取水样进行水质化验。
3.2.2 试验孔试验过程分析
1)试验孔Ⅰ施工完毕关阀封孔口24 h后，初期开阀后孔口水流呈喷射状涌出，且孔口涌水的同时伴有大量气体喷出，瓦斯检测仪无警报，测得瞬时压力最大值4 MPa，大概20 s后，孔口水流放缓，呈小股水流状态流出，气体量明显减少。随后间隔一定时间连续做几次测试，测试结果出现如下规律：伴随时间的增长及试验次数增多，试验孔再次关阀放水时，伴随的气体量也明显减少，测得的最大水压值也逐渐降低。
2)由于试验孔Ⅱ钻孔施工高度位置没有按照要求打到既定含水区，因此观测过程中水压值变化很小(1 h水压值从0上升到0.6 MPa)，水流量值也很小，无法形成连贯水流，呈现滴答状，分析认为其上部封孔位置位于顶板泥岩岩层区域，此区域有较好的隔水性。
3)试验孔Ⅲ试验观测表现出的规律与试验孔Ⅰ基本类似，初期测得瞬时压力最大值4.1 MPa，开阀后放水时水流亦呈喷射状涌出，孔口涌水伴有大量气体喷出，瓦斯检测仪无警报。伴随时间的增长及试验次数增多，再次放水时伴随水流涌出的气体量比明显减少，水压也不断减小，钻孔放水8 d后，测得瞬时最大压力为2.8 MPa。
3.2.3 钻探试验综合分析
综合3个试验孔试验结果，得出以下结论：
1)2个有效试验孔孔口涌水初期总是伴有大量气体喷出，经测试分析涌出的气体并非瓦斯，随后气体明显较少。因此，初步认为2个有效试验孔测得的最大压力值是水压、气压及高差(水流从高处流下产生的附加压力值)共同作用下形成的，后期测得最大压力值逐渐变小，同时水流涌出伴随气体量也明显减少，充分表明气压在测得最大混合压力值中的影响作用。
2)巷道顶板上部砂岩岩层局部含水，顶板岩层构成中泥岩分布较多，以泥岩为主的岩体组合特征，决定了顶板岩层具有良好的隔水性，同时也具有了良好的封闭性，因此说明在顶板砂岩裂隙中封闭充填有部分气体，即顶板砂岩裂隙中是水体和气体共存，和岩体共同形成一种固-液-气三相耦合关系。
3)试验孔Ⅲ顶部孔口位置位于断层破碎区，测得试验孔3的最大压力值及水流量均大于试验孔Ⅰ，且水流十几天没有衰竭，分析认为由于试验孔Ⅲ顶部孔口位于断层带破碎区，受到断层带的破坏，区域岩体裂隙发育，富水较强，且上下含水层间形成一定的补给通道对测定区含水层进行水量补给。
为了明确研究区断层附近高压水水化学特征，在井下和地面分别取了4个水样进行实验室水质化验分析，4个水样取水位置分别为：1号水样取自地面水井第四系含水层水；2号水样取自DF70正断层上盘位置煤系顶板砂岩含水层水；3号和4号水样均取自DF70正断层下盘位置钻探试验孔出水，利用元素类比法及Piper三线图法判断含水层水质特征及煤系含水层与第四系含水层间的补给关系。
3.3.1 元素类比法
参考4个水样水质化验结果(表3)，运用元素类比法对比已知含水层水质特征与未知水样水质之间的区别，判断未知水样所属含水层，其中水样1为第四系含水层水，水样2为顶板砂岩含水层水。由表中，得到如下水质特点：
1)水样2取自煤层顶板，参考《煤矿水害防治水化学分析方法规定》，水样1水质中主要离子的毫克当量比值,即w(Na+)-w(Cl-)/w(S
)>1，w(Na+)/w(Cl-)>1，属于砂岩水的特征，因此判断水样2为顶板砂岩含水层水。
2)水样3和水样4的阴阳离子特征明显与水样1不同，与水样1相比，表现为阳离子Na+及阴离子S、C
、Cl-高，Ca2+、Mg2+含量低。
3)水样3和水样2中阴、阳离子含量及pH值十分接近，表明2个水样属同一含水层，即水样3属于砂岩含水层水。
4)水样4的阳离子含量与水样2基本类似，仅HC
与pH值有差距，且水样4水质中主要离子的毫克当量比值w(Na+)-w(Cl-)/w(S)>1、w(Na+)/w(Cl-)>1，同样属于顶板砂岩水的特征，因此判断水样4为砂岩含水层水。
5)水样4水质中的N
含量高于其他3个水样，且HC含量减少，说明水样4所处的水源环境较封闭，水源处于还原环境，水交替迟缓。分析水样4很可能属于顶板泥岩封闭环境中的裂隙水。
表3 水样水质化验特征(简化)
Table 3 Water quality test characteristics (simplified)
3.3.2 Piper三线图法
运用Aquachem软件将各水质离子毫克当量百分数导入，绘制出Piper三线图解图(图8)。
图8 水样分析—Piper三线图解
Fig.8 Piper third-line diagram of water sample analysis
从Piper三线图解得出以下分析：
1)水样1水质属于HC-Ca+·Mg2+·Na+水质类型；水样2及水样3同属于水质属于HC-Na+水质类型；水样4水质属于
水质类型。
2)在阳离子所处的左下角三角形域内，水样3和水样4均集中于已知水样2(顶板砂岩水)的阳离子周围，远偏离已知水样1(第四系含水层水)周围；在阴离子所处的右下角三角形域内，水样3集中于水样2(顶板砂岩水)周围，水样4偏离水样2一定距离，但是水样3和水样4均远偏离水样1(第四系含水层水)；在上方用阴阳离子表示水质总的化学性质的菱形域，水样3与水样2重叠，水样3和水样4均远偏离水样1。
3)综合判断认为水样3属顶板砂岩含水层水，水样4水质的化学性质较接近于顶板砂岩水。
岩体是在渗流场和应力场相互作用影响下演变动态平衡体系中的变形、损伤破坏及稳定性特征，无构造地层岩体本身已达到渗流场与应力场的平衡状态，但是西三轨道下山区域断层分布较多，断层带的活动影响改变了研究区域构造应力场的分布，致使岩体变形，岩体变得更加破碎，岩体裂隙变大，最终导致断层带区域具有更好的储水能力及地下水渗透性[21]。因此，西三轨道下山DF70与F12正断层附近及交汇带区域巷道顶板岩层具有较好的富水条件，对照顶板岩层富水性探测结果(图6)，进一步表明断层带区域比无构造区域富水性更加明显。
地层中岩体是由固相、液相、气相三部分交织组成的多相物质，因此，岩体可以称作是多相、多场耦合并相互作用的复杂混合体。对顶板岩体结构性质分析知，19煤顶板岩层以泥岩类占据较大比例的岩体组合特征，说明顶板岩层具有良好的隔水性，亦具备了良好的封闭性，致使岩体裂隙中的水及气体能够较好的密封，且上下含水层之间难以越层补给。断层未破坏活化前其断面之间充填了大量的泥岩物质，充填较为密实，因此也难以形成上下含水层间的导水通道，化探分析结果表明试验孔的出水均为煤层顶板砂岩含水层，进一步说明目标含水层位未与上部的含水层形成水力联系。钻探试验结果表明在断层破碎带影响中心区域试验孔测得的最大压力值及出水流量值大于附近其他试验孔测得数据，伴随时间的增长及试验次数增多，同一试验孔再次关阀放水时，伴随的气体量明显减少，测得的最大水压值也逐渐降低。
综合物探、钻探及化探技术成果，得出如下判断：研究区域钻孔测得高压力是水压、气压及高差重力共同作用下形成的混合压力值，且由于断层带影响破坏了原有岩体应力场的平衡状态，岩体渗流场与应力场的相互作用下，研究区岩体裂隙增大，岩体富水性及裂隙充填气体量亦增大。具体表现特征为：在断层破碎带影响中心区域试验孔测得最大压力及水量值大于附近其他无构造影响区试验孔值。
1)应用“三探”技术作为辅助手段：物探探测顶板岩层富水性、钻探验证顶板岩层富水区及进行放水试验、化探分析顶板含水层特征，明确顶板岩层富水性、含水层间补给关系及顶板高压形成特征。
2)岩体是在渗流场和应力场相互作用影响下演变动态平衡特征，断层带的活动影响改变了区域应力场的分布，破坏了岩体原渗流场与应力场的平衡状态，致使岩体变形，破碎度增大、裂隙变大，从而断层带区域岩体具有更好的储水能力及地下水渗透性。
3)地层中岩体是由固相、液相、气相三部分交织组成的多相物质，结合“三探”一体化技术成果，分析研究顶板高水压低渗流的形成机理，判断认为研究区钻孔测得顶板高水压是在水压、气压及高差重力协同作用下形成的混合压力。
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