1 绪论
1.1 概述
煤矿水害事故是影响煤矿安全生产的主要灾害之一，在过去的 20 多年里，我国煤矿水害造成的直接经济损失列煤矿各类事故之首，而由于水害造成的事故死亡人数也仅次于瓦斯列第二位。随着目前煤层采深的不断增加，煤层水害及其事故对煤矿安全生产的威胁日益增加，评价并预测煤层开采期间的煤层含水性及突水性成为一项重要的工作。
在我国地下煤矿开采中，约有 80%矿井处于遭受水害威胁，其中近 50%的矿井处于处于承压水体采煤，其中以华北型煤田最为典型，包括山东、河南、山西，陕西，内蒙古、安徽、辽宁等众多煤炭工业基地，受威胁煤层储量达到百亿吨，淹井淹面时常发生[1]。开滦范各庄、皖北矿务局任楼矿、河北北邢台金牛能源公司东庞矿陷落柱突水事故、骆驼山煤矿断层突水事故、山西王家岭煤矿老窑透水事故等一大批矿灾仍然提醒着人们水害无情。统计显示，近年来矿井水害事故似有频度和强度增大的趋势，甚至因为饱受水害威胁，40%左右的煤炭储量因严重受水威胁而不能正常开采[2-10]。
山西省潞安集团漳村煤矿是全国示范矿井，年产量达到 400 万 t.随着采掘活动进入深部延伸区（水平延伸区）后，水文地质条件逐渐复杂，矿压及涌水量不断增大。3 煤层顶板二叠系砂岩裂隙及底板奥陶系灰岩水害威胁日益增大，如何准确评价及预测煤系含水层水害称为当前煤矿安全生产的重要问题。论文在详细收集整理漳村煤矿水文地质资料的基础上，揭示不同含水系统的径流和水力联系，分析顶板和底板富水区，评价突水危险性，为煤矿安全生产提供保障。
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1.2 国内外研究现状
矿井水害是在采掘活动中，承压水随着突水通道进入工作面产生灾害的现象。长期以来人们对煤矿采掘过程中的矿井水害理论及实践进行了深入探讨和研究。形成了诸如突水系数预测[11]、强渗通道[12]、水岩应力理论[13]、零位破坏与原位张裂、关键层及上下三带[14]等理论，从不同方面揭示和预测煤矿矿井水害的临界条件和发生。
1.2.1 国外研究现状
在 20 世纪之初，国外有人注意到底板隔水层与突水之间的联系，发现隔水层厚，突水次数和强度就随之减小[15-17]。但是直到 20 世纪 40-50 年代，匈牙利韦格弗伦斯才首次系统提出了隔水层的概念，指出矿井突水与与隔水层厚度及水头压力之间的关系，提出了隔水层强度判据（1.5m/atm），这一结论和认识被国际上普遍认可[8,18-20]。随后在发现隔水层的强度和岩性对突水事故具有重要的意义，并提出以相对隔水层厚度作为标准，主要是以砂岩抗水压能力作为标准隔水层厚度，并将其他不同岩性的岩层换算成砂岩厚度，以此作为衡量突水与否的标准[1]。随着研究的不断深入，C.F.Santos、Z.T.Bieniawski.等将 Hoek-Brown 岩体强度准则引入矿井水防治，认为隔水层是否破坏取决于岩石性质和承受破坏应力前岩石己破裂的程度，其主要意义在于考虑了矿井采掘期间的应力变化及其对隔水层的影响[21-23]。
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2 地质及水文地质条件
2.1 地层和含煤地层
2.1.1 区域地层
漳村煤矿位于沁水煤田东部边缘中段。沁水煤田位于山西省东南部，介于太行山、吕梁山、五台山、中条山之间。区域地层区属于山西地层分区中的太行山南段。地层总体走向 NNE 向，向 W 缓倾，倾角 5～15°。主要发育有古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系，中生界三叠系，新生界新近系、第四系，地层特征见表 2-1。
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2.2 区域构造及演化
2.2.1 区域构造
潞安矿区大地构造位置处于我国东部新华夏构造体系第三隆起带中段，即太行山新华夏系一级隆起之上的二级构造带，晋（城）-获（鹿）褶断带与武乡-阳城凹褶带之间（图 2-2）。整体上受沁水盆地和太行山南段构造演化的控制。
（1）晋（城）-获（鹿）褶断带
晋获断裂带北起河北省获鹿县，总体走向 NNE，与太行山近于平行，断裂宽度 1～8Km，构造样式和形强度沿走向变化较大，可分为三段：北段自获鹿县至山西省黎城县，由一条逆冲断层和一系列分支断层及紧闭伴生褶皱组成，沿走向常呈雁列状；中段由黎城县至长治县以南的庄头断层，西侧被新生代活动的长治正断层所改造；南庄头断层至晋城市冯沟为晋获断裂带南段，表现为由西向东位移的褶皱逆冲性质，自北向南构造样式演变序列为推覆→逆冲→褶皱强度逐渐变小。
（2）武乡～阳城凹褶带
该褶皱带主要展布在和顺-阳城一线以西，樊寺山-安泽一线以东的区域内，呈 NNE—SSW 方向斜贯沁水盆地。为一复式向斜，都是一些极为开阔平缓的褶曲一般长 10～20 km，最长约 40 km。两翼倾角多在 10°左右，最大 20°。
两组断裂斜交武乡～阳城凹褶带，一组为 NNW 向，一组为 NNE 向，区域内的漳河和沁河谷及其支流，大都受这两组扭裂面的控制，形成追踪河谷。区内仅 NNE 一组较为发育，如安泽县罗云～屯留县张店一带，走向为 NE70°左右。由于所处边界条件不同，此组断裂在局部地带显示张扭性特征，如二岗山断裂，
安昌断裂、文王山断裂等。
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3.1 底板太灰突水性评价 .....................................35
3.2 底板抗压强度与隔水能力分析..............................46
4 采动应力条件下顶板水运移规律..................................56
4.1 顶板水富水区评价................................56
4.2 顶板导水裂隙带演化特征.......................................64
5 结论..................................85
4 采动应力条件下顶板水运移规律
4.1 顶板水富水区评价
4.1.1 基于多重分形奇异性理论的顶板富水区预测
一般认为含水层厚度较大处，地下水的静储量丰富，然而在储层在平面上并不是均匀分布，在局部区域内的增厚或者减薄会使得静态地下水储量发生变化。本文利用水平延伸区瓦斯抽采钻孔揭露的地质信息进行区域富水性的预测研究，结合区域多重分形理论分析含水层内相对富水性区域。
在地质学领域，许多地质作用过程和结果呈现出非均质、非线性特征，也就是说，在一个狭小的空间和时间范围内，存在大量的能量释放或高浓缩物质[73]，这种现象被称为奇异性，其实质为这些矿化点或灾害与背景值之间存在的巨大差异[74]。实际上，地质过程中的奇异性现象与煤系地层充水含水层的非线性分布及局部富集特征具有本质上的一致性。随着多重分形理论的发展，人们发现正常背景值常常服从正态和对数正态分布，而奇异性值（局部异常值）可能服从分形分布（Pareto 分布）[75]，因此从非线性理论-复杂性理论出发，成秋明等[17]提出了成矿过程中元素的非线性富集及品味-吨位的奇异性分布理论，并被广泛应用与地球化学成矿预测领域[76-80]，这也为煤矿水文地质的局部非线性准确预测研究提供了可供参考的新思路和新方法。利用含水层特征研究富水性方面，代革联[81, 82]、李新凤和魏久传[83]、任智德等[84]、赵宝峰[85, 86]利用 GIS、灰色关联法、模糊德尔菲层次分析法、因素复合分析法、分形理论、模糊预测、灰色理论、人工神经网路、沉积相、水文地质试验等方面对井田内的主要充水含水层的富水性进行了研究，并且取得了良好的效果。
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5 结论
论文以山西潞安集团漳村煤矿水平延伸区 3 煤层水文地质为主要研究对象，针对煤层深部水文地质条件逐渐复杂的实际情况，通过系统收集和整理水文地质资料，预测和评价主采煤层顶、底板带压条件下的水文特征，揭示采动应力场演化过程矿井水的运移规律，探讨 3 煤层气矿井水的评价和预测方法。得出的初步结论如下：
（1）漳村煤矿位于沁水煤田东部边缘中段，受沁水盆地和太行山复向斜联合控制。古生代煤层形成之后，经历了中生代挤压体制向印张体制的转变。燕山期构造奠定了当前区域构造格架，喜山晚期的构造分异作用形成了现今构造形态，从而影响了区域水文地质特征。区域上，漳村煤矿属于辛安泉岩溶水系统，受制于基本构造格架，地下水总体上由 NW 向 SE 方向径流。文王山南断层为北部补给边界向 S 和 E 径流；南部边界为地下水排泄边界。井田内的主要含水层为四系孔隙含水层、基岩风化带裂隙含水层、二叠系砂岩裂隙含水层，石炭系上统太原组薄层灰岩含水层，奥陶系中统灰岩岩溶裂隙含水层。综合水文钻孔、水化学特征、物探信息发现奥灰水与太原组灰岩岩水力联系微弱，垂向上隔水层稳定，各含水层之间的水力联系较弱。
（2）水平延伸区 3 号煤层底板标高为+380～+530 m，太灰水位标高为+649～+706m，太原组灰岩含水层钻孔单位涌水量 0.0004～0.0089L/s·m，属于弱富水；奥灰水位标高为+633～+662m，奥陶系灰岩含水层钻孔单位涌水量 0.0139～1.13L/m·s，含水层富水性弱～强；水平延伸区属太灰、奥灰带压开采区；水平延伸区煤层底板太灰水突水系数为 0.048～0.147Pa/m，水平延伸区大部分地段属于太灰带压开采安全区，危险区分布在水平延伸区西部及北部边界文王山南断层附近和隔水性能较差的陷落柱；水平延伸区奥灰水突水系数为0.023～0.031MPa/m，
均小于 0.06 MPa/m，在未受构造破坏的正常块段突水可能性小，可以实现带压开采；计算 3 号煤层底矿压破坏带深度为 20～23 m，断层带附近的矿压破坏带深度比正常岩层中增大约 0.5～1.0 倍，分析认为 3 号煤层断层留设的防隔水煤（岩）柱宽度应为 78.56 m。
参考文献（略）