王樓煤礦防突水風(fēng)險管控模型技術(shù)研究與分析

楊位良 白建魯

（山東能源臨礦集團(tuán)王樓煤礦，山東 濟(jì)寧 272063）

1 礦井概況

王樓煤礦位于山東省濟(jì)寧市以南的任城區(qū)喻屯鎮(zhèn)境內(nèi)，行政區(qū)劃歸濟(jì)寧市管轄。設(shè)計生產(chǎn)能力90萬t/a。可采或局部可采煤層共有五層，其中3上煤為主采煤層，16上煤全區(qū)可采，10下煤局部可采，12下及17煤大部分可采。3上煤為中厚煤層，其余均為薄煤層。礦井采用立井開拓方式，工業(yè)場地內(nèi)布置主井、副井2個井筒。全礦井劃分2個水平，水平標(biāo)高分別為-680m和-1150m，現(xiàn)主要開采3上煤層，采用長壁后退式采煤法，綜采采煤工藝，全部垮落法管理頂板；在“三下”保護(hù)煤柱內(nèi)采用條帶開采。井田內(nèi)主要河流自南而北有新萬福河（堤壩標(biāo)高+38.7m）、蔡河（堤壩標(biāo)高+38m以上）、洙趙新河（堤壩標(biāo)高+38.7m）等，它們以湖盆為中心匯入南陽湖，均為引洪、排澇為目的的人工河渠。

1.1 研究區(qū)域地層情況

王樓井田位于濟(jì)寧凹陷的南部，即濟(jì)寧向斜南翼，地層分區(qū)屬華北—柴達(dá)木地層大區(qū)—華北地層區(qū)—魯西地層分區(qū)—濟(jì)寧地層小區(qū)。區(qū)域地層由老到新發(fā)育有古生代寒武系、奧陶系、石炭～二疊紀(jì)月門溝群、二疊紀(jì)石盒子群，中生代侏羅系，新生代古近系、新近系、第四系。

1.2 礦井地質(zhì)構(gòu)造規(guī)律

王樓井田位于濟(jì)寧凹陷的南部，即濟(jì)寧向斜南翼，總體為一走向北東，傾向北西的單斜構(gòu)造，地層傾角一般10°～14°，井田內(nèi)褶曲構(gòu)造不發(fā)育，以斷裂構(gòu)造為主，斷裂形式以斷層褶皺為主，斷層以近南北向斷層為主，南部及北部也發(fā)育近東西向斷層。褶皺多為近不協(xié)調(diào)褶皺，軸向多為近西北—東南方向，井田構(gòu)造復(fù)雜程度屬復(fù)雜類型。

1.3 礦井水文地質(zhì)情況

本區(qū)主要含水層有奧陶系巖溶裂隙水含水層、石炭系太原組巖溶裂隙水含水層、二疊系山西組裂隙水含水層、侏羅系三臺組裂隙水含水層和第四系孔隙水含水層。

2 突水工作面情況及分析

2.1 突水工作面概況

13301工作面是三采區(qū)首采工作面，走向長度1160m，傾斜寬度160m，煤層埋深900～960m，煤層平均厚度2.15m。工作面位于3煤層隱伏露頭處，水文地質(zhì)條件復(fù)雜。通過兩順槽實際揭露，共7條斷層，其中g(shù)f1、gf2、gf3、pf2、pf3、pf4斷層落差均較大，對回采有較大影響。

2012年4 月開始回采，由于斜跨工作面的斷層組影響（落差1.5～7m不等），工作面推進(jìn)速度很慢，直到2012年12月才采過斷層區(qū)（離開切眼440m），此期間水量沒有明顯增加。當(dāng)推采至560m時，工作面出水量明顯增加到190m3/h。當(dāng)推采至640m時，工作面出水量增加到770m3/h。工作面推采至690m時水量達(dá)到900m3/h（浮標(biāo)法測水690m3/h）。

2.2 突水工作面突水水源分析

根據(jù)13301工作面突水前后的相關(guān)水文地質(zhì)資料分析，確定本次出水水源為以侏羅系為主的混合水。

2.3 突水工作面導(dǎo)水通道分析

基于上述突水水源的研究結(jié)論，以王樓礦目前水文地質(zhì)情況為分析基礎(chǔ)，可能的突水通道為：3C-4地質(zhì)孔封孔不良，形成垂向?qū)ǖ溃恍贝?3301工作面的小斷層組采動活化導(dǎo)水；礦井內(nèi)主要控制斷裂劉官屯斷層導(dǎo)水；三維地震解釋的垂向密集裂隙帶。

通過進(jìn)一步地質(zhì)分析，排除3C-4封閉不良鉆孔為13301工作面突水通道的可能性。認(rèn)為劉官屯斷層是導(dǎo)致13301工作面突水的導(dǎo)水通道的可能性較低。認(rèn)為斷層組具有一定的阻水能力。根據(jù)三維地震解釋成果，自13301工作面上部發(fā)育的垂向密集裂隙帶，向上發(fā)育至新近系底界，為新構(gòu)造運(yùn)動產(chǎn)生的密集導(dǎo)水裂隙，是造成13301突水的主要通道。

3 防突水風(fēng)險管控模型

大采深礦井防突水風(fēng)險管控技術(shù)方法以地層屬性、礦井采掘活動、水文地質(zhì)條件和礦井地質(zhì)構(gòu)造為基礎(chǔ)，為有效解決礦井的綜合評價難題提供了一種新的途徑。可信度原則是依據(jù)防突水的風(fēng)險管控具有有序性這一特點所提出的，在做出評價時根據(jù)給出的可信度原則不會出現(xiàn)最大隸屬度原則那樣有分類不清或不合理的情況出現(xiàn)，從而讓評價結(jié)果更具可靠性。鑒于該項研究理論所存在的優(yōu)點，本項目依據(jù)數(shù)學(xué)理論和工程地質(zhì)理論建立了礦井防突水風(fēng)險管控技術(shù)方法，并將其應(yīng)用到王樓煤礦防突水風(fēng)險管控工作中，為煤礦防突水風(fēng)險管控評價提供了一種有效的方法和途徑。

礦井防突水風(fēng)險管控評價是一個綜合評價系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過分析突涌水危險性影響因素，對煤礦突涌水危險性進(jìn)行判別或預(yù)測。

礦井防突水風(fēng)險管控技術(shù)方法采用風(fēng)險矩陣評估法：

R=L×S

式中：

R-危險源風(fēng)險值；

L-發(fā)生事故的可能性；

S-發(fā)生事故的后果嚴(yán)重性。

風(fēng)險矩陣及風(fēng)險等級劃分如圖1所示。

圖1 風(fēng)險矩陣及風(fēng)險等級劃分圖

煤礦突涌水實質(zhì)上是地下水循環(huán)系統(tǒng)受外界影響發(fā)生的三向應(yīng)力失穩(wěn)現(xiàn)象，影響因素多且復(fù)雜，但總體上可概化為地質(zhì)因素和工程因素。本項目針對地質(zhì)因素對煤礦突涌水危險性進(jìn)行評價，而工程因素對突涌水危險性的影響不予考慮。突涌水危險性屬性評價時需要對某些參數(shù)進(jìn)行量化或修正，以滿足屬性數(shù)學(xué)理論的應(yīng)用條件。將地層巖性、不良地質(zhì)體、地下水壓力、巖層產(chǎn)狀、地層富水性納入一般風(fēng)險、較大風(fēng)險、重大風(fēng)險考慮方面中，按其所占權(quán)重如表1、表2所示。

表1 煤礦防突水風(fēng)險管控評價指標(biāo)和分級標(biāo)準(zhǔn)

表2 風(fēng)險管控等級劃分

地層巖性。巖性是控制地下水運(yùn)移通道的物質(zhì)基礎(chǔ)，不同巖層地下水賦存狀態(tài)不一，根據(jù)地層巖性的地下水滲透性能，可將其劃分為強(qiáng)、中等、弱透水性3個級別。不良地質(zhì)構(gòu)造通常是指工作面附近潛存的構(gòu)造異常區(qū)，不良地質(zhì)構(gòu)造中的富水導(dǎo)水性及空間位置關(guān)系在很大程度上決定了突水風(fēng)險的大小。本項研究從突水水源及突水通道兩個方面評價礦井突涌水危險性。突水水源主要考慮含水體的水量、水壓、補(bǔ)給條件及其與煤礦回采工作面的距離等特征。

水壓。地下水是煤礦突涌水的決定性因素之一，煤礦深部飽水帶一般是深部緩循環(huán)帶，地下水活動強(qiáng)度較低，存在形式以孔隙水和裂隙水為主，但由于地下水壓力較高，一旦發(fā)生突水，其危害更大，所以選取地下水壓力作為突水風(fēng)險管控的評價指標(biāo)。

巖層產(chǎn)狀。巖層產(chǎn)狀是煤礦突涌水的重要影響因素之一，地下巖層的滲透性具有各向異性，沿層面的導(dǎo)水能力遠(yuǎn)大于垂直層面的導(dǎo)水能力。同時，地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄、入滲條件亦受巖層產(chǎn)狀影響。

地層富水性。地層富水性是決定煤礦工作面回采是否發(fā)生突涌水災(zāi)害的控制性因素之一，若地層富水性強(qiáng)，則突涌水水源充足，在突涌水通道滿足一定條件時易發(fā)生突涌水災(zāi)害，所以地層富水性是影響煤礦突水風(fēng)險管控的評價指標(biāo)。

4 突水風(fēng)險管控分析

建立的防突水風(fēng)險管控模型，如表3所示。

表3 王樓煤礦防突水風(fēng)險管控模型

對王樓煤礦13301工作面風(fēng)險管控性進(jìn)行了計算，該區(qū)發(fā)育的垂直密集裂隙帶屬于不良地質(zhì)體為強(qiáng)致災(zāi)性，地下水壓力P＜2MPa，巖層產(chǎn)狀為0～40°，地層富水性為強(qiáng)富水性，采用就高不就低的原則，因此得到王樓煤礦突水危險管控等級為I級，屬于重大風(fēng)險。再根據(jù)風(fēng)險矩陣法進(jìn)行驗證，本次取值L為6，S取值為6，所以危險源風(fēng)險值為36，與王樓煤礦突水的實際情況相符合。如圖2所示。

圖2 防治水風(fēng)險矩陣及風(fēng)險等級劃分圖

5 建議

為了保證王樓煤礦的生產(chǎn)安全，必須對王樓煤礦井田內(nèi)各采區(qū)、各工作面防突水風(fēng)險管控模型進(jìn)行分析，并總結(jié)礦井防突水風(fēng)險管控模型的情況以及規(guī)律，做好一切防突水措施，杜絕水害事故發(fā)生，只有這樣，才能夠保證煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)。