平朔井工開采煤層頂底板水文地質條件評價及防治水對策研究

張忠溫，武 強，付恩俊，樊振麗

(1.中煤平朔煤業有限責任公司，山西朔州036006;2.中國礦業大學，北京100083)

1 前言

1.1 我國頂底板水害[1～4]

中國煤炭資源豐富，煤炭資源的開發利用是我國國民經濟發展的重要組成部分和既定國策。然而，我國許多煤田水文地質條件十分復雜，煤層開采過程中受到多種水體的威脅，頂板水問題十分普遍，底板突水問題也非常突出，煤礦突水事故頻繁發生，嚴重地威脅著煤炭的安全開采，并不斷造成巨大的經濟損失和不良社會影響。

煤礦頂板水是指煤層頂板以上的承壓、潛水含水層水，在煤炭開采過程中通過斷層帶、裂隙涌入或在頂板孔隙裂隙滲入、淋、滴入礦井采面的水體;在開采煤層情況下，圍巖應力重新分配，冒落帶高度范圍內頂板巖層產生新的裂隙或裂隙性質向張性改變，導致新增的頂板水進入礦井，對開采造成重大威脅，有時發生涌(突)水事故，形成煤礦頂板水害。頂板水在我國礦井生產中普遍存在，侏羅紀、二疊紀煤層的頂板水主要是砂巖，石炭系煤層頂板水主要是石灰巖，部分地區為砂巖，如山西高原的沁水、大同、平朔礦區等。

煤礦底板突水，是指煤層下伏承壓含水層中的水突然涌入采掘工作面，使礦井涌水量增加或淹井的災害現象，底板突水是我國煤田水文地質條件的顯著特征之一，并且底板水具有的強富水和高水壓特點致使下組煤層難以開采。據原煤炭工業部統計，占全國煤炭儲量60%的華北型煤田，其受底板承壓水威脅的煤炭儲量就在160億t以上，造成40%左右的煤炭不能正常開采。我國北方主要產煤的華北型礦區，東起徐州、淄博，西至陜西渭北，北起遼寧南部，南至淮南、平頂山一帶，礦床水文地質條件復雜，下組煤層與其下伏的灰巖巖溶含水層之間的隔水層厚度從幾米到幾十米不等，幾乎都受石炭二疊紀煤系底部巨厚層奧陶系、寒武系灰巖強富水含水層高壓水的影響，礦井底板巖溶水害嚴重。比如，在1984年6月2日開灤范各莊礦2171綜采工作面發生的陷落柱奧陶系灰巖水突水事故，以及2003年9月2日0時30分，河南省伊川縣奮進煤礦黃村分礦發生的底板寒武系灰巖水突水事故均造成了巨大經濟損失。南方煤田煤層下方茅口灰巖厚度達140～170 m，煤層底板至灰巖之間的隔水層僅數米甚至無隔水層，礦井受底板水害威脅嚴重。目前，礦井水害尚處于散亂和不完善狀態，難以快速地查閱、處理和科學分析各種水害信息。煤礦淹井傷人事故仍多有發生，給人民的生命與財產帶來了極大的損失，嚴重制約著煤炭工業的可持續發展，影響著保水采煤等環境工程。因此，煤礦底板突水的預測和防范一直是礦業工程中的攻關問題。

1.2 平朔井工一礦受水害威脅情況與研究意義

平朔井工一礦位于產煤大省山西寧武煤田中北部，其水文地質條件比較復雜。該礦主要可開采煤層為4、9、11號煤層，其頂板充水含水層是富水性較好的中厚砂巖裂隙承壓含水層組，對煤層安全生產造成很大的威脅;底板下伏奧陶系灰巖水，隨著開采深度的不斷增加，水壓也越來越大，對生產的威脅越來越大。底板突水問題是開采下組煤層的重大隱患，因此，煤層頂、底板涌(突)水問題是影響煤礦生產的兩大水文地質問題，是該礦目前迫切需要解決的問題[5，6]。

煤層頂底板涌(突)水條件評價是在對礦區地質、水文地質條件，包括井田構造、地下水運移規律和礦井生產過程中暴露的地質、水文地質現象等進行詳細研究的基礎上，采用武強教授提出的頂板“三圖法”和底板“脆弱指數法”水害評價方法對煤層受頂底板含水層威脅情況進行綜合分析評價。頂板分析主要開采煤層頂板含水層富水性，并對煤層頂板涌(突)水危險性進行分區;底板采用多元地學信息疊加方法，確定突水危險區，對下組煤煤層底板的突水脆弱性進行研究和評價預測，最終針對性地制定出切實可行的防治水措施，對平朔井工一礦煤炭安全生產和長遠銜接具有極其重要的理論指導意義和實用價值，對于解放煤田儲量，保證礦井的安全生產和提高礦井經濟效益具有重要意義。

2 煤層頂底板水文地質條件評價原理

2.1 煤層頂板水文地質條件評價原理——“三圖法”

“三圖法”是指一種解決煤層頂板充水水源、通道和強度3大問題的頂板水害評價方法。三圖是指煤層頂板充水含水層富水性分區圖、頂板冒裂安全性分區圖和頂板涌(突)水條件綜合分區圖[7]。

對煤層頂板含水層富水性的評價主要依據多元地學信息復合疊加的概念，在建立與含水層富水性相關的各地學因素專題庫與圖的基礎上結合地理信息系統(GIS)強大的空間分析功能與相關數學方法耦合的富水性指數區域分布進行充水含水層富水性的分區。該分區利用多個水文地質物理場的不同特征，相互對比驗證，互相彌補不足，對充水含水層的富水性進行了系統綜合分析。煤層頂板充水含水層富水性分區圖旨在解決煤層頂板水害水源問題。

頂板冒裂安全性分區圖提出了煤層頂板充水的充分必要條件是煤層回采形成的頂板導水裂隙帶溝通了上覆直接充水含水層，并且含水層在回采工作面冒裂范圍對應的部位富水性較強，研究了采動前、后危險區、安全區的分布狀況，由此區劃頂板冒裂安全性信息。頂板冒裂安全性分區圖旨在解決煤層頂板水害通道問題[8～12]。

在解決了頂板水害的水源與突水通道問題之后，將水源富水性信息與突水通道信息疊加耦合，找出既富水又能導通礦井工作空間的區域，依據不同的耦合信息確定不同的突水危險性等級分區，即煤層頂板涌(突)水條件綜合分區圖，該圖中不同的危險性等級亦代表了突水強度信息，解決了突水強度問題。

2.2 煤層底板水文地質條件評價原理——“脆弱性指數法”

“脆弱性指數法”是一種將可確定充水含水層富水性多種主控因素權重系數的信息融合方法與具有強大空間信息分析處理功能的GIS耦合在一體的預測評價方法。它不僅可以考慮影響充水含水層富水性的眾多主控因素，而且可以刻畫多因素之間相互復雜的作用關系以及對富水性貢獻的相對“權重”比例，并可實施富水性的多級分區。依據信息融合的不同數學方法，充水含水層富水性評價新方法可劃分為非線性和線性兩大類。非線性評價方法有基于GIS的ANN型脆弱性指數法、基于GIS的證據權重法型脆弱性指數法、基于GIS的貝葉斯法型脆弱性指數法等;線性評價方法有基于GIS的AHP型脆弱性指數法等。該方法是在實踐中逐步完善起來的，是現代信息技術與地學的結晶，它使復雜的底板水害問題，以更直觀、更準確的表達形式指導于礦井實際生產中[13～15]。

3 煤層頂板水文地質條件評價

3.1 綜合反映充水含水層富水性的多元地學信息

含水層富水性是由多種因素共同決定的，在分析了井工一礦的地質、采礦條件后，確定了含水層厚度、煤層頂板覆巖結構、單位涌水量、滲透系數、沖洗液消耗量、巖心取芯率、構造(斷層、陷落柱、褶皺)等與含水層富水性相關的多元地學信息[16]。

3.2 基于GIS煤層頂板含水層富水性分區

3.2.1 多元地學信息對富水性影響權重的確定

利用層次分析法(AHP)將多元地學信息分成3個層次，即煤層頂板充水含水層富水性是這一問題的最終目的，這作為模型的目標層(A層次);巖性場、水力特性、構造因素決定了富水性，但其影響方式還需通過與其相關的具體因素來體現，這是解決問題的中間環節，亦即模型的準則層(B層次)，各個具體的主控因素指標構成了本模型的決策層(C層次)，通過對該層次問題的決策，即可最終達到所要求解的目標[17，18]。運用層次分析法將定性與定量有機結合，最終確定出各個地學因素對煤層頂板含水層富水性的影響，表1為4號煤頂板間接充水含水層富水性各主控因素的權重值。

表1 影響頂板富水性各主控因素的權重Table 1 The roof watery weights of main control factors

3.2.2 煤層頂板含水層富水性分區

首先，利用搜集的各個地質因素的基礎數據繪制矢量化的GIS單因素等值線專題圖;其次，利用GIS強大的空間數據復合疊加功能將各種地學信息(單因素專題圖)依據其對富水性不同的影響權重進行復合疊加，最終得出含水層富水性專題圖。圖1為井工一礦4號煤頂板間接充水含水層(下石盒子組砂巖裂隙含水層)富水性分區專題圖。

圖1 4號煤頂板間接充水含水層富水性分區圖Fig.1 Watery zoning map of 4#indirect roof aquifer

3.3 冒裂安全性評價與分區[19]

前已述及，采用“三圖法”評價煤層頂板突水安全性，不僅要研究充水水源的富水性，而且在研究開采冒落裂隙帶的發育高度是否觸及充水含水層的底板標高及所觸及部位的富水情況的基礎上，建立煤層頂板突水條件綜合分區。通過數值模擬計算，精確得出煤層頂板開采導水裂隙帶最大發育高度，計算煤層頂板距離含水層底界的覆巖厚度與導水裂隙帶的發育高度之差，若差值為正則說明導水通道未貫通含水層或水源，為冒裂安全區;反之，則說明導水通道連通了含水層或水源，為冒裂非安全區。在以鉆孔為單位對覆巖厚度與導水裂隙帶的發育高度之差進行計算的基礎上，對其進行整個研究區的差值運算，使得開采冒裂安全性分區精確化得以實現。4號煤頂板間接含水層冒裂安全性分區如圖2所示，研究區大部已經導通間接含水層，只有在K2鉆孔周圍區域(圖中淺色區域)導水裂隙帶沒有發育到間接含水層底界。

圖2 4號煤間接充水含水層冒裂安全性分區圖Fig.2 Cracking safety subarea map of 4#coal indirect aquifer

3.4 煤層頂板含水層涌(突)水條件綜合分區

“三圖法”中的富水性分區圖和冒裂安全性分區圖得到之后，將其空間信息數據進行分析梳理，將涌(突)水水源信息與通道信息相結合，將間接含水層的富水性圖與冒裂安全性分區圖(見圖1、圖2)復合疊加后可得出4號煤間接充水含水層涌(突)水條件綜合分區(見圖3)。

圖3 4號煤間接充水含水層涌(突)水條件綜合分區圖Fig.3 Hydrogeology conditions zoning map of 4#coal indirect aquifer

4 煤層底板水文地質條件評價

依據平朔井工一礦的生產經驗，采用基于GIS的AHP型脆弱性指數法對該礦煤層底板突水危險性進行評價。首先，利用GIS強大的空間信息處理能力，對各地質要素圖形信息進行量化;其次，運用層次分析法(AHP)對地質因素進行定量化處理，計算出各因素對富水性的影響權重;最后，應用GIS的空間復合疊加功能并結合AHP的計算結果進行富水性評價，并以直觀的圖件形式給出評價分區結果[20，21]。該方法不僅充分利用了大量繁雜的空間信息，運用定性與定量相結合的思維來研究地學問題，深入剖析問題的本質，而且其評價結果較單一的文字評價更為直觀、準確。

4.1 煤層底板涌(突)水條件主控因素確定

合理恰當地選取影響底板突水的主控因素，對層次分析法模型建立和評價結果的準確性起關鍵性的作用。因此，底板突水主控因素的選擇和數據采集就十分重要。通過對平朔井工一礦的現有水文和地質及生產經驗資料的研究和對突水因素的分析，在主控因素的選擇和數據采集過程中，主要考慮了以下幾個方面:

1)煤層底板的充水含水層:該礦下組煤的開采，對其威脅最大的就是奧陶系灰巖含水層。影響奧陶系灰巖含水層的因素包括它的富水性、巖溶發育程度以及含水層對上部隔水層的水頭壓力。

2)從地質構造考慮:井田內褶皺、斷層、陷落柱的存在對隔水層造成嚴重的破壞和影響，所以它們的分布及其發育情況、規模大小等對底板突水起控制作用。

3)從隔水層的隔水強度考慮:煤層底板與主要研究的含水層之間的隔水層厚度及其巖性組合和分布位置，對底板突水起關鍵性的作用。

根據以上考慮的情況，選取奧陶系灰巖含水層的水壓、富水性要素、煤層底板有效隔水層的等效厚度、奧灰頂部古風化殼厚度、斷層線分布、斷層交點和端點的分布、陷落柱影響帶分布以及褶皺影響帶分布共8個因素作為煤層底板突水脆弱性預測的主控因素。

4.2 各主控因素權值的確定

同頂板含水層評價，底板突水脆弱性評價是這一問題的最終目的，這作為模型的目標層(A層次);地質構造、承壓含水層、底板隔水層決定了突水的可能性，但其影響方式還需通過與其相關的具體因素來體現，這是解決問題的中間環節，亦即模型的準則層(B層次)，各個具體的主控因素指標構成了本模型的決策層(C層次)，通過對該層次問題的決策，即可最終達到所要求解的目標。利用AHP法確定影響底板突水脆弱性因素的權重，如表2所示。

表2 影響底板突水各主控因素的權重Table 2 The floor watery weights of main control factors

4.3 煤層底板突水脆弱性評價分區

4.3.1 評價分區數學模型

建立煤層底板突水脆弱性模型，實際上就是建立一個表明各影響因素作用的數學模型，這個模型所得出的計算值能反映出某一地理位置煤層底板突水的危險程度。初始模型的建立必須以地質條件分析、突水因素分析以及各因素對突水的貢獻機理為基礎。單個突水主控因素專題圖只包含一個因素的信息，因此它不能滿足通過一個數字模型進行多因素綜合處理的要求。

須先構造一個初始模型，使之能基本反映各因素的作用，然后通過反復調參、多次擬合運算，使之逐步向目標逼近，最終建立能反映井工一礦煤層底板突水脆弱性情況的模型。

為此引入脆弱性指數VI(vulnerability index)的初始模型來對煤層底板突水脆弱性進行評價。脆弱性指數定義為某一地區的某一地段的某一柵格位置上的各種影響因素對其產生的疊加影響總和。可用以下模型公式表示:

式(1)中，VI為脆弱性指數;Wk為主控因素權重;fk(x，y)為單因素影響值函數;x，y為地理坐標;n為影響因素的個數。

4.3.2 評價分區

對脆弱性指數進行統計分析做出底板突水脆弱性指數累計統計直方圖，確定出分區閾值0.25、0.36、0.48、0.65(見圖 4)。脆弱性指數越大，突水的可能性也就越大。

根據分區閾值將研究區域劃分為5個區域，圖5為9號煤底板突水脆弱性評價分區圖。

圖4 脆弱性指數統計圖Fig.4 Vulnerability index statistical figure

圖5 9號煤底板突水脆弱性分區圖Fig.5 Water bursting vulnerability zoning map of 9#coal floor

5 防治水對策

采掘施工前必須做好水害的預測預報工作，堅持“預測預報，有疑必探，先探后掘，先治后采”的探放水原則，做好水害排查制度，加強日常管理工作，有針對性地開展水文地質工作，以確保礦井的安全生產。

5.1 地表防治水措施

研究區主要發育的七里河因安太堡露天礦的建設已經改道經井坪，其匯水面積僅限于本礦區范圍內。其四條支溝轉吉溝—馬蹄溝、羅家坪溝、井溝、大路門溝以及東部發育有狼塔溝是礦區內能夠威脅礦井開采的主要地表水。由“三圖法”結果看，頂板冒裂帶已經基本涉及全部區域，因此，礦井防治水最重要的一個環節就是防治地表水或大氣降水的滲透補給。礦區位于丘陵地貌區，為確保井下安全生產，避免由洪水季節形成的地表水順冒裂帶潰入礦井而引發水害事故，建議對較大溝谷轉吉溝—馬蹄溝、井溝和大路門溝在開采初期的冒裂不穩定期采用在礦區北部、西部邊界截流，在后期穩定階段可進行疏通改造，對較窄支溝加寬取直，鋪設墊層，使地表水有序排出礦區。必要時在地表河流或者溝壑低洼地帶修筑防滲工事，防止汛期地表水潰入井巷。

5.2 煤層頂板砂巖裂隙水防治措施

1)建議在煤層頂板的危險區、次危險區進行井下鉆孔探放水驗證，或者其他措施驗證，有水時進行放水。對于導水裂隙帶導通頂板含水層的區域，應采取預先抽水疏干措施，并與礦井供水相結合，做到既解除礦井水患威脅又保證水資源綜合利用的雙重目的;對于導水裂隙帶未導通的含水層作出必要的封堵注漿措施。對于頂板探放水順序，建議在開采4號煤探放水時，對9號煤頂板、4號煤底板也進行探放水。建議主要運輸巷道和主要回風巷布置在不受水害威脅的層位，或者提前探放水后進行治理，并以石門分區開采。

2)從研究區煤層頂板充水含水層涌(突)水條件綜合分區圖上可以看出，過渡區主要分布在危險區、次危險區和較安全區之間，該區域富水性一般，隔水層厚度中等，但該區域也有突水的可能，特別是構造發育地段也存在突水可能。對于過渡區應主要采取以下措施:a.對接近構造區段或者局部富水區段采取抽放水、含水層改造和隔水層加固措施;b.對區內導水斷層及斷層帶應預留防水煤柱。

3)分區圖中的較安全區和相對安全區富水性相對較弱，在開采時一般不會發生突水。但是，開采時也應該采取一些預防、監測措施，以防突水發生。

5.3 煤層底板奧陶系巖溶裂隙水防治措施

1)地面、井下放水降壓孔。在匯水區、高水壓地段布置大口徑地面超前疏排鉆孔，對煤層底板奧陶系含水層提前疏水降壓，減少突發性涌水事故的發生。井下放水孔可在主輔運巷道中實施，地面排水孔建議在白家新窯向斜核部的南、北兩端和普3孔向斜、普23孔背斜南端，這樣在考慮疏排水鉆孔布設時，不過多地占壓煤炭資源。

地面觀測孔和井下放水鉆孔竣工后，可進行一次井下奧陶系含水層放水，井下、地面聯合觀測的放水試驗，以對奧陶系含水層巖溶裂隙水流場、水量變化、動態以及對周邊環境影響有一個全面的深度了解，對進一步的工作起到積極作用。

2)底板加固與含水層改造。煤層底板加固與含水層改造技術是指通過注漿加固底板和填充含水層裂隙，一方面提高底板強度，一方面截斷或阻滯地下水徑流通道，確保安全生產，該技術是解決底板，尤其是奧陶系突水威脅的有效途徑之一。目前，已成功地應用于肥城、焦作、鄭州、邢臺、峰峰、永城等大水礦區，并且取得了明顯的經濟效益和社會效益。

近年來，永城煤電集團城郊煤礦通過20多個回采工作面煤層底板、含水層注漿改造技術實踐，探索出一套行之有效的保障技術與方法。對于平朔井工一礦來講，可以在探明的薄弱地帶、研究的脆弱區域進行底板注漿加固或者周邊含水層改造。底板加固和含水層改造，最好取得井下疏放水試驗成果資料，如果奧陶系防水降壓有效，則可減少底板加固的面積和厚度，降低防治水費用。

3)帷幕截流。帷幕注漿截流技術考慮以下兩個方面:a.根據礦區水文地質條件結合物探成果，查清導水裂隙帶、通道和采空區的空間位置，構造微裂隙中以靜水或達西滲流狀態下的條件，有的放矢設計注漿鉆孔，準確控制注漿鉆孔深度和個數;b.可考慮采用三液漿為主，單液、雙液漿為附的注漿技術，達到在保證幕墻墻體強度的基礎上盡可能的節約材料，降低費用。

帷幕注漿截流成本相對較高，在帷幕注漿截流技術實施前，要在地面或井下放水孔實施后，并具有一定數量的奧陶系觀測孔網的觀測資料，經過分析得到確定無誤的補給方向后實施。

4)奧灰水防治的重點應放在構造的探測上。工作面回采前要進行無線電波透視工作，查明3 m以上的斷層和直徑大于10 m的陷落柱，同時對查明的地質構造要用鉆探或物探方法進行含水性評價，確認無突水危險后方可進行生產，盡量避免采掘工程直接揭露導水構造而引發惡性突水事故的發生。

5)對于含水構造(大型斷層、陷落柱)或無法確定是否導水的構造，要留設防隔水煤柱。

5.4 斷層、陷落柱積水防治措施

斷層、陷落柱水主要來自于溝通奧陶系和上部砂巖含水層水，在已有的空間富集，對開采造成威脅，對于斷層、陷落柱水的治理原則一是探明，二是在源頭上截流。

1)巖溶陷落柱要首先進行超前探測，根據水量大小，選擇適當的處理措施，水量不大的可以疏排;中等者采取填骨料、注漿;水量大者，采取在上游截流技術封堵。

2)井田中勘探時期已知斷層以及在采掘過程中新發現的導水斷層處應預留防水煤(巖)柱，嚴重的可采取兩盤預注漿或者局部疏水降壓等措施處理。

5.5 采空區積水防治措施

采空區突水具有來勢猛、損害性大的特點，建議采取以下措施:

1)做好采區內及其周邊小煤窯采空區與鉆孔封孔情況的調查、勘測確認工作，對于周邊老窯、生產井等的開采邊界、采空區逐一查明。開采9號煤時防范4號煤老空水的工作，避免采空區老空水害和封孔不佳的鉆孔導通涌(突)水水源的情況發生。

2)采掘工程需穿越廢棄的空巷和采空區時，均要先進行探放水后方可穿越空巷和采空區。

3)有關部門要對已形成的采空區以及廢棄的巷道進行嚴格排查，將可能形成的積水區域標于充水性圖上，同時還應標注積水量及積水水位標高，在實際施工中根據不同的積水情況采取相應的措施進行治理。下分層巷道掘進時，應安排打鉆探放水，采取邊探邊掘的措施，以保證巷道施工的順利進行。

6 結語

1)通過對平朔井工一礦井田地質條件、水文地質條件的研究，對導致煤層頂板突水的主要控制因素進行了綜合分析，確定了含水層厚度、脆塑性巖厚度比、滲透系數、單位涌水量、鉆孔取芯率、沖洗液消耗量、斷層、陷落柱、褶皺等因素是影響頂板突水的主要控制因素。這些因素相互作用，共同影響煤層頂板突水的發展過程。

2)利用“三圖法”評價了平朔井工一礦煤層頂板水文地質條件，分別區劃了煤層頂板充水含水層涌(突)水條件相對安全區、較安全區、過渡區、較危險區和危險區。

3)利用“脆弱性指數法”評價了平朔井工一礦煤層底板突水脆弱性程度，分別區劃了煤層底板突水脆弱區、較脆弱區、過渡區、較安全區和相對安全區。

4)針對水文地質條件研究結果，提出了針對性的防治水措施。即加強探測、監測工作，保證疏排系統正常運轉，針對不同危險性水體采用疏降、封堵、底板加固、留設煤柱、帷幕截流等技術措施，確保礦井安全生產。

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