淺埋煤層工作面突水潰沙風險評價及防治技術研究

呂情緒 李 鵬 許 峰

(1.神東煤炭集團公司神東煤炭技術研究院，陜西省神木縣，719315；2.煤炭科學研究總院，北京市朝陽區，100013；3.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西省西安市，710054)

神東及周邊礦區多數礦井具有淺埋深、薄基巖、厚富水松散沙層的水文地質沉積特征，進而導致該區域突水潰沙災害頻發[1]。據不完全統計，自20世紀90年代以來，該區域發生了突水潰沙災害事故20余起，典型案例如瓷窯灣煤礦(1990年)[2]、大柳塔煤礦1203工作面(1993年)等[3]。突水潰沙災害不僅帶來了人身財產損失，還造成了地下水含水層系統的破壞，導致生態環境惡化。眾多學者采用多種方法和手段研究了突水潰沙災害發生機理[4-6]，提出了突水潰沙預測及防控技術[7-11]，但對突水潰沙災害危險性評價研究較少。范立民等[12]在突水潰沙機理分析的基礎上討論選取沙層厚度、含水層富水性、有效隔水層厚度和采動空間作為關鍵評價因素對榆神府礦區突水潰沙威脅性進行了評價，具有很好的指導意義。本文在范立民等[12]研究的基礎上，結合神東礦區哈拉溝煤礦22206工作面實際情況，對突水潰沙威脅性評價關鍵指標進行重新考量選取，基于GIS平臺對工作面進行了突水潰沙風險分區，并提出重點區域防治思路及防治關鍵技術。

1 突水潰沙風險評價指標選取

對于淺埋深、薄基巖水文地質條件下突水潰沙災害發生的充分條件，眾多學者已達成共識，概括為：是否存在水沙潰涌的物質基礎、是否存在水沙流動的通道、是否存在一定的動水壓力和是否存在可容納水沙流入的空間4個方面。突水潰沙發生的條件是工作面突水潰沙風險評價的基礎，因此，本文結合神東礦區哈拉溝煤礦22206工作面實際情況，選取飽水沙層厚度、有效隔水層厚度以及煤層采厚作為評價突水潰沙風險的關鍵指標。

1.1 飽水沙層厚度

突水潰沙的物源包括水源和沙源，研究區沙源主要來自地表風積沙和薩拉烏蘇組松散沙層，水源則是賦存于其中的潛水。若沙層中無水，則其流動性較差，不易潰入井下，只有在沙層富水的條件下，才具有較強流動性，水源和沙源共同組成了突水潰沙物質基礎，二者缺一不可。因此，飽水沙層厚度成為表征突水潰沙災害發生的關鍵指標之一。

1.2 有效隔水層厚度

根據煤層開采頂板覆巖破壞規律，一旦導水裂隙帶溝通松散沙層含水層，水將進入井下成為充水水源，但沙粒不一定能夠通過導水裂隙帶大規模的進入井下。只有當裂縫寬度達到一定程度，能夠形成管道流時，才會引發大規模突水潰沙災害。據此，劉洋[13]研究提出了“導水沙裂縫帶”的概念，同時考慮了冒落帶和其上部發育的網絡型裂縫，并建立了導水沙裂縫帶計算公式。

本文將煤層頂板至松散層底部間距(H間)與導水沙裂縫帶(H導)之間的差值定義為有效隔水層厚度(ME)：

ME=H間-H導

(1)

當ME<0時，表明導水沙裂縫帶已溝通松散沙層，具備了突水潰沙災害發生的通道。

1.3 煤層采厚

煤層開采形成采空區，才能夠具備水沙源潰入的空間。而采動區空間的大小也決定了突水潰沙災害發生的危險程度，空間愈大，容納水沙體體積就越大，水沙體進入井下后，具有較大的流動距離，突水潰沙災害程度也愈大，反之亦然。研究區煤層厚度4.5～6 m，采用一次采全高采煤工藝，因此，本文以煤層采厚來表征采動空間的大小和開采的強度。

2 構建工作面突水潰沙風險評價模型

工作面突水潰沙風險評價模型的構建思路為：首先將上述3個指標實際數據進行歸一化處理，形成各指標專題圖，然后采用AHP法確定上述3個評價指標的權重，通過線性加權得到風險值，根據實際情況確定分級閾值，通過GIS平臺進行融合輸出，使工作面突水潰沙風險等級分區直觀可見。

2.1 指標數據歸一化處理

考慮到風險評價指標本身代表的含義、計量單位等差異，在專題圖層融合前，需將各指標進行歸一化處理。

正向指標(指標數值越大，風險值越高)的歸一化公式為：

(2)

反向指標(指標數值越大，風險值越低)的歸一化公式為：

(3)

式中：Ai——各指標的實際數值；

maxAi——單一指標最大值；

minAi——單一指標最小值。

根據歸一化結果，繪制各指標專題圖。

2.2 指標權重的確定

采用AHP(層次分析法)結合1-9標度方法構建兩兩判別矩陣、層次排序及其一致性檢驗來確定工作面突水潰沙指標的權重。判別矩陣及其特征向量見表1。

根據隨機一致性指標RI值對表1判別矩陣進行一致性檢驗：一致性指標CI=0.017，檢驗系數CR=0.033<1，則通過了一致性檢驗。

因此，經計算，飽水沙層厚度、有效隔水層厚度以及煤層采厚指標各自權重分別取值為0.32、0.56和0.12。

表1 判別矩陣及其特征向量

2.3 突水潰沙風險值的確定

在各指標權重確定的基礎上，通過線性融合，建立工作面突水潰沙風險(VI)評價模型：

(4)

式中：VI——突水潰沙風險指數；

Wi——指標權重；

x、y——地理坐標。

根據已建立的各指標專題圖，通過GIS平臺融合疊加，得到工作面突水潰沙風險分區圖。

3 實例研究

3.1 評價工作面地質概況

神東礦區哈拉溝煤礦22206工作面開采22煤層，煤層埋深35～96 m，屬典型的淺埋煤層，煤層厚度4.5～6 m，采用一次采全高采煤工藝。工作面地層自上往下依次為第四系風積沙層、侏羅系直羅組和延安組基巖層。由于第四系風積沙底部賦存有一定量積水，且與直羅組地層直接不整合接觸，使得工作面回采過程中可能會存在突水潰沙風險。

3.2 建立評價指標專題圖

根據22206工作面鉆孔數據統計顯示，工作面范圍內飽水沙層厚度為0～20 m，煤層采厚為4.5～6 m、有效隔水層厚度經計算為0～55 m。通過數據歸一化處理，繪制得到各指標專題圖，見圖1。

圖1 各指標歸一化專題圖

3.3 專題圖疊加及分區評價

利用ArcGIS平臺，將上述飽水沙層厚度、采厚、有效隔水層厚度歸一化專題圖采用前述突水潰沙風險評價模型(VI)進行加權疊加融合，同時采用自然間斷點分級法(Jenks)進行統計分級，確定各分級間斷值分別為0.22、0.48、0.79，則工作面突水潰沙風險可分為高風險、較高風險、低風險以及安全4個等級，工作面突水潰沙風險分區見圖2。

高風險區VI值>0.79，表示該區域范圍無有效隔水層，且具有一定厚度飽水沙層，極易發生突水潰沙災害；較高風險區VI值介于0.48～0.79，表示該區域有效隔水層厚度基本為零，飽水沙層厚度有限，發生突水潰沙災害風險較高；低風險區VI值介于0.22～0.48，表示該區域有效隔水層厚度較小，突水潰沙災害發生幾率較低；安全區VI值<0.22，表示有效隔水層厚度較大，該區不會發生突水潰沙。

圖2 工作面突水潰沙風險分區圖

3.4 分區結果討論

分區結果顯示，距工作面切眼900 m至停采線大部分區域為突水潰沙低風險區和安全區，突水潰沙高風險區及較高風險區主要集中距切眼900 m范圍內的兩塊區域。而2個高風險區域對應的地表存在三元溝的兩條支流，見圖3。由于溝流侵蝕切割基巖，使得溝流及周邊一定范圍內基巖厚度較薄(<30 m)，有效隔水層缺失，從而導致工作面回采導水沙裂縫帶直接溝通了飽水沙層。結果同樣顯示了有效隔水層厚度在突水潰沙風險評價中占主導因素，體現了是否具備水沙潰涌通道是突水潰沙災害發生中的決定性條件之一。

圖3 突水潰沙高風險區與三元溝位置關系圖

4 突水潰沙防治思路及關鍵技術

4.1 突水潰沙防治基本思路

根據大量現場防治實踐[14-16]及其研究，筆者將淺埋深薄基巖工作面突水潰沙災害防治思路總結為：水文地質條件探查與分析，掌握基巖、含水層厚度特征、含水層富水性等關鍵信息；進行工作面突水潰沙風險評價，確定防治重點區域；根據風險評價結果采取有針對性的防治關鍵技術，如注漿改造沙層含水層、疏水降壓、限厚開采等。

4.2 突水潰沙防治關鍵技術

(1)注漿改造關鍵技術。針對突水潰沙高風險區(如過溝段薄基巖區域)，可在井下或地面施工鉆孔至飽水沙層底部進行注漿，改造沙層充水性質，填堵裂縫，降低飽水砂層的流動性，并且增加有效隔水層厚度等來降低突水潰沙風險。煤礦注漿改造飽水沙層示意圖見圖4。

圖4 煤礦注漿改造飽水沙層示意圖

針對22206工作面三元溝薄基巖段(突水潰沙高風險區)，采用了井下注漿方法，共施工注漿鉆孔161個，共計注漿量為5610 m3。通過檢驗鉆孔取芯結果顯示，松散沙層孔隙中可見水泥，見圖5，水泥漿液擴散明顯，注漿效果較好，達到了固結沙層的目的。

(2)疏水降壓關鍵技術?？稍诘孛婊蚓乱研纬傻南锏?、聯巷及硐室內，施工疏放水鉆孔至松散含水層底部。疏干或降低含水層水位，減少飽水沙層的厚度，從而來降低突水潰沙風險。煤礦鉆孔抽排水示意圖見圖6。

圖5 注漿檢驗孔取芯照片

圖6 煤礦鉆孔抽排水示意圖

同樣，針對22206工作面突水潰沙高風險區，礦方在兩巷道及泄水巷共施工了206個疏放水孔，所有鉆孔終孔均位于松散層沙層底部，累計疏放該區域松散沙層含水層水量約29萬m3，含水層厚度平均減少了5 m左右，疏放效果較為明顯。

(3)限厚開采。采厚同樣是影響突水潰沙風險的因素之一，通過降低煤層開采高度，減小導水沙裂縫帶發育高度，增加有效隔水層厚度來降低突水潰沙風險。

上述防治措施可根據災害威脅程度以及現場施工條件單獨或相互配合實施，旨在消除水害危險，確保工作面安全回采。22206工作面采前同時采用了井下注漿改造沙層與井下疏水降壓等措施，消除了高風險地段(過溝段)突水潰沙威脅，目前該工作面已安全回采完畢。

5 結論

(1)從淺埋深薄基巖突水潰沙發生條件出發，確定了工作面突水潰沙風險評價關鍵指標為：飽水沙層厚度、有效隔水層厚度以及工作面采厚。

(2)采用AHP法確定了各評價指標權重，提出基于ArcGIS平臺融合的突水潰沙風險評價模型以及評價思路，確定了突水潰沙風險評價4級分區。

(3)以神東礦區哈拉溝22206工作面為例，進行了突水潰沙風險評價，分區結果顯示突水潰沙高風險區位于三元溝過溝段。

(4)提出了淺埋深薄基巖突水潰沙防治思路及關鍵技術，主要為注漿改造飽水沙層、疏水降壓以及限厚開采等。22206工作面安全回采實踐表明上述防治關鍵技術可靠有效，具有較好的推廣應用前景。