煤層底板突水危險性分析：以唐山市錢家營礦12煤層底板為例

胡常清，劉 景，謝衛東，李 伍

(1.中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；2.煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室(中國礦業大學)，江蘇 徐州 221116)

我國煤炭資源儲量豐富，但由于我國地質構造條件復雜，所以我國也是世界上煤礦水害最為嚴重的國家之一[1]，如何有效地防治以及避免礦井水害所造成的生命及財產損失，是近年來一直被廣泛關注和研究的話題[2-4]。而隨著煤炭開采深度不斷增加，煤層底板承壓水對煤炭開采的威脅也日益嚴重。雖然隨著技術以及方法的不斷革新，我國在煤層底板突水防控等領域已取得了顯著的成果，近年來煤礦突水事故不斷減少，但由于我國較為復雜的地質構造條件及水文地質條件，做好煤層底板突水危險性評價及預測工作對我國礦井水害的防治仍具有重要意義[5-8]。煤層底板突水是一種受控于多因素影響且具有非常復雜形成機理的非線性動力現象[9]，關于如何有效地防治煤底板水害，國內外已經提出了許多理論及方法，包括“突水系數法”“下三帶理論”“底板理論安全水壓計算”等。這些方法對煤底板水害的防治都起到了有效的作用[10-12]。但由于這些方法主控因素選取主觀性較強，相似材料模擬和數值模擬計算復雜，并且各礦井水文地質條件復雜程度以及現有地質、水文地質資料詳盡程度不同，都具有一定局限性[13-14]。而層次分析法(AHP)是一種定性與定量相結合的多準則評價方法，其原理簡單，結構嚴謹，實用性強。錢家營礦12煤層厚度大、煤層穩定、開采價值高，但由于其埋深較大，井田范圍內構造較為發育，并且底板受到包括奧陶系灰巖巖溶裂隙含水層在內的3個含水層的威脅，所以本文運用層次分析法對錢家營礦12煤層底板進行了突水危險性分析及預測，不僅從安全區-危險區等5個層次對礦井進行了詳細劃分，得到了錢家營礦12煤層底板突水危險性最大的區域，還從根源上綜合分析了其可能產生突水的原因，驗證了層次分析法在預測煤層底板突水方面的實用性。

1 地質背景

錢家營礦位于河北省唐山市東南約15 km處，構造位置位于開平向斜南東翼。地形西南低東北高，屬沖積平原地形，海拔標高介于+7～+26 m之間。礦井于1988年正式移交投入生產，其設計生產能力為400萬t/a，且井田范圍內和周圍沒有小煤礦開采[15]。開平煤田位于燕山南麓，是一個北東向的大型復式含煤向斜構造，其包括開平向斜、車軸山向斜、荊各莊向斜、西缸窯向斜4個含煤構造，其中開平向斜為一大型不對稱向斜構造，是開平煤田主要的控煤構造，如圖1所示。開平煤田區域地質演化復雜，煤層形成后，經歷了多期構造作用，逐漸演化到現今的狀態。具體可以分為印支期、燕山早-中期和燕山晚期-喜馬拉雅早期和喜馬拉雅晚期等4期構造作用[16]。

圖1 開平煤田構造略圖Fig.1 Structural sketch of Kaiping coalfield

1.1 地層與構造

錢家營礦屬于開平煤田，煤系地層基底為奧陶系馬家溝組石灰巖，上至下二疊統古冶組的A層鋁土巖，總厚約500 m，主要由厚層狀砂巖、黏土巖、石灰巖及煤層組成，各系、統間多為整合或平行不整合接觸。主要含煤巖地層為石炭系-二疊系，有少量出露，但大多被黃土覆蓋，其中可采與局部可采煤層共7層，從上到下分別是：5煤層、7煤層、8煤層、9煤層、11煤層、12-1煤層和12-2煤層，且主要位于石炭系上統的趙各莊組與二疊系下統的大苗莊組[17]，本次研究的12煤層位于石炭系上統的趙各莊組，如圖2所示。

圖2 錢家營礦地層與構造特征Fig.2 Formation and structural characteristics of Qianjiaying mine

井田構造以褶曲為主，斷裂為輔。井田內褶皺主要集中在東北和西南兩個方向，依次發育南陽莊背斜、高各莊向斜、李新莊向斜，且大都呈北西向。井田內斷層發育規模較大，且分布不均勻，多集中在褶皺較為發育的東北和西南方向；斷層多以正斷層為主，局部發育逆斷層，其中正斷層延伸方向以NW向為主，逆斷層多以EW向為主，揭示其斷層發育方向性較強的特點。可看出錢家營礦構造發育具有規模大且分布集中的特征，易造成井田部分地區巖石裂隙發育，從而增大煤層底板突水的危險性，所以選取斷層、褶皺分布作為研究錢家營礦12煤層底板突水的主控地質因素之一。

1.2 礦井水文地質

1.2.1 含水層特征

根據各巖層給水與透水能力，錢家營礦總共可分為7個含水層，其中12煤層底板以下有3個含水層，從上到下依次為含水層Ⅲ、含水層Ⅱ、含水層Ⅰ，其中含水層Ⅲ為砂巖裂隙含水層、含水層Ⅱ為薄層灰巖裂隙含水層、含水層Ⅰ為奧陶系灰巖巖溶含水層，各含水層特征如圖3所示。

綜合考慮各含水層厚度、富水性、滲透系數等參數，本次對錢家營礦12煤層底板突水危險性在含水層方面的研究主要以第Ⅰ含水層(奧陶系灰巖巖溶含水層)為研究對象，并選取12煤層受奧灰水水壓作為本次研究的主控地質因素之一。

圖3 錢家營礦主要含(隔)水層分布及特征簡圖Fig.3 Distribution and characteristics chart of the aquifer or impermeable strata in the study area

圖4 開灤礦區地表水系及地下水流動示意圖Fig.4 Schematic map of surface water system and groundwater flow in Kailuan mining area

1.2.2 隔水層特征

錢家營礦12煤層底板至奧陶系馬家溝組灰巖巖溶含水層之間隔水層厚度介于161.640～206.818 m之間，跨越石炭系的唐山組、趙各莊組以及開平組3個組，平均厚度為192.178 m，巖性主要由薄層灰巖、砂巖、泥巖組成，其中砂巖厚度最大、泥巖次之、灰巖厚度最小。雖然僅由隔水層厚度展布及變化可以看出礦井整體隔水層隔水性能較好，但是考慮到礦井構造較為發育、12煤層局部地區受奧灰水壓較大、不同巖性組合而成的隔水層隔水性能不一等特點，可能會導致12煤層底板部分地區的隔水層隔水性能降低，從而引起12煤層底板突水。綜合考慮，選取錢家營礦隔水層厚度和有效脆性巖層厚度作為本次研究12煤層底板突水的兩個主控地質因素。

1.2.3 充水條件

井田范圍內無地表小窯，礦井的主要充水水源是礦井直接充水含水層水、礦井開采形成的老空水或老巷水以及封閉不良鉆孔水，區內地表水系主要包括沙河、老牛河、幸福河、人工排水灌溉渠溝以及礦井采動塌陷積水坑等，如圖4所示，所有地表水系均直接補給潛水層，與煤系含水層均無水力聯系。

2 錢家營礦12煤層底板突水主控地質因素

本次對錢家營礦12煤層底板突水危險性評價利用層次分析法，利用該方法首先要得合理地選取錢家營礦12煤層底板突水的主控因素；接著對各主控地質因素進行定量評價，得出各因素對最終目標的影響權重；然后對各數據進行量化，并將量化后的數據進行歸一化處理；最后利用危險性評價模型對錢家營礦12煤層底板突水危險性進行評價分區，將結果以地質圖的形式展現出來。

根據前人對我國歷年來煤層底板突水的案例分析與總結，可以將煤層底板突水的影響因素歸納為地質構造、充水含水層、煤層底板隔水層、導升發育帶等，本次利用層次分析法對錢家營礦12煤層底板突水危險性進行評價時，結合礦井鉆孔資料、水文地質資料以及對錢家營礦12煤層底板實際情況的綜合研究分析，可以將其主控地質因素歸納為煤層底板隔水層、煤層底板承壓含水層、地質構造3個方面，根據層次分析法原理，可以進一步將其主控因素細化分為：煤層底板隔水層厚度，煤層底板有效脆性巖層厚度，煤層底板受奧灰含水層水壓，斷層與褶皺分布等4個方面。

由于該地區陷落柱不發育，所以不將其作為評價錢家營礦12煤層底板突水危險性的主控因素。

1) 隔水層厚度。根據礦井鉆孔數據資料，統計出錢家營礦12煤層底板隔水層厚度在161.64～206.812 m之間，平均隔水層厚度192.178 m，并根據該數據做出的隔水層厚度等值線如圖5(a)所示。錢家營礦隔水層厚度整體由北東方向向南西方向逐漸變薄，但厚度變化不明顯，井田整體隔水層厚度較穩定。

2) 有效脆性巖層厚度。錢家營礦隔水層主要由砂巖、泥巖、灰巖3種脆性巖石組成，其中砂巖厚度最大，泥巖次之，而灰巖厚度最小。

圖5 各主控因素專題圖Fig.5 Thematic maps of the main controlling factors

由于是不同巖性的巖層共同組成該隔水層，而不同巖性的巖層組成的隔水層其隔水強度也有差異。依據中國礦業大學(北京)武強教授總結出的等效系數[18]，計算出同一鉆孔不同巖性的巖層的相應等效厚度，累加得到煤層底板有效脆性巖層厚度，依據所得到的數據表繪制出的煤層底板脆性巖層有效厚度等值線如圖5(b)所示。錢家營礦有效脆性巖層厚度由北東方向向南西方向厚度逐漸減小。

3) 奧灰含水層水壓。錢家營礦12煤層底板含水層主要是奧陶系灰巖含水層，據礦井長年水位監測數據，繪制出的煤層底板受奧灰水壓等值線如圖5(c)所示。 錢家營礦12煤層底板受奧陶系灰巖含水層水壓由北西方向向南東方向呈逐漸減小的趨勢。

4) 斷層與褶皺分布。錢家營礦斷層與褶皺較為發育，所以根據礦井構造綱要圖，將斷層與褶皺進行量化處理，最終繪制出的斷層與褶皺分布等值線如圖5(d)所示。錢家營礦構造分布較為不均勻，大多集中在礦井北東方向。

3 錢家營礦12煤層底板突水危險性評價

3.1 AHP結構模型建立

此次錢家營礦12煤層底板突水危險性評價運用層次分析法，根據之前提出的影響錢家營礦12煤層底板突水的主控因素，將研究對象分為3個層次，分別為目標層(A層)、準則層(B層)以及決策層(C層)，結構模型如圖6所示。其中，目標層為本次模型建立所要達到的最終目的；準則層為達到本次最終目的中間環節，即主控因素；決策層為解決該問題的主控因素的子因素，即具體主控因素，通過對這些具體主控因素的分析，來達到本次模型的最終目的[19]。

圖6 煤層底板突水危險性評價AHP結構模型圖Fig.6 AHP structural model diagram for water inrush risk assessment of coal seam floor

3.2 構造判斷矩陣

根據對錢家營礦12煤層底板突水危險性主控因素的分析，本次依照劉守強等[20]提出的改進標度見表1，對各因素在本次研究結果所起作用的大小進行相對重要性評價，給出每個因素的量化分值，并依照該標度對應的RI值見表2，由此構建錢家營礦12煤層底板突水AHP評價的判斷矩陣。

3.2.1 層次單排序及一致性檢驗

對各評價標度進行層次單排序并進行一致性檢驗。其中，一致性檢驗指標CR=CI/RI，當CR<0.10時具有較滿意的一致性，而本次層次單排序結果中的CR均不大于0.10，說明本次構建的判斷矩陣可以通過一致性檢驗。

3.2.2 層次總排序

對層次單排序結果進行整合，得到的層次總排序見表3和各主控因素權重見表4。

表1 評價標度Table 1 Evaluation scale

表2 評價標度所對應的RI值Table 2 RI values corresponding to evaluation scales

表3 各項指標對總目標權重Table 3 Weights of indicators to total objectives

表4 影響錢家營礦12煤層底板突水各主控因素的權重Table 4 Weights of main controlling factors affecting water inrush from the No.12 coal seam floor

3.3 單因素數據歸一化

由于不同主控因素其數據量綱不同，其數據并不具有可比性。想要得到可靠的評價結果就需要將不同因素的數據進行歸一化處理，使數據具有可比性，以便系統地分析。繪制出的相應的歸一化專題如圖7所示，其中圖7(a)、圖7(b)、圖7(c)分別為隔水層厚度歸一化圖、有效脆性巖層厚度歸一化圖、錢家營礦12煤層底板受奧灰水壓歸一化圖。

圖7 各主控因素歸一化圖Fig.7 Normalization chart of main control factors

3.4 錢家營礦12煤層底突水板危險性評價分區

要對錢家營礦12煤層底板突水危險性進行評價，須將各控制因素對總體目標的影響進行復合疊加，使得所得到的結果包含所有相關控制因素。即結合表4數據，并利用疊加模型，將各歸一化專題圖合理的進行疊加，得到的錢家營礦12煤層底板危險性評價分區如圖8所示。

圖8 錢家營礦12煤層底板突水危險性評價分區Fig.8 Zoning of water inrush risk assessment of Qianjiaying No.12 coal seam floor

引入疊加公式，見式(1)。

(1)

式中：BI為危險系數；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為影響因素個數。

在本次對錢家營礦12煤層底板突水危險性評價中，各主控因素權重Wk分別為，W1=0.402 473，W2=0.174 645，W3=0.094 039，W4=0.328 843，fk(x,y)即各第k個主控因素量化值歸一化后的值，影響因素個數n為4。將各參數代入上式即可得到錢家營礦12煤層底板突水危險性評價模型，見式(2)。

0.174 645f2(x,y)+0.094 039f3(x,y)+

0.328 843f4(x,y)

(2)

本次對錢家營礦12煤層底板突水危險性評價分區根據專家經驗將錢家營礦劃分為5個評價分區，見表5。

表5 危險性評價分區表Table 5 Risk assessment zoning table

從圖8中可以看出評價分區中的安全區與較安全區主要分布在錢家營礦的中部和南部，并且占據了礦井大部分區域。隔水層以及脆性巖層厚度中部較穩定，南部雖然厚度較小，但最小也達到161 m，相對于構造不發育的南部來說也屬于比較安全的厚度。這些地區煤底板受奧灰水壓較小，且構造發育不明顯，所以中部和南部兩個區域煤層底板突水的可能性很小。

過渡區主要分布在錢家營礦北部和西部。這兩個區域煤底板受奧灰水壓最大，在構造不發育的西部隔水層厚度以及有效脆性巖層厚度較穩定，突水可能性較小，但在構造較為發育的北部地區，還是要做好一定的防范措施，以免由于構造產生的巖石裂隙形成導水通道而導致煤底板突水。

而較危險區以及危險區主要位于錢家營礦的東北地區，分布范圍小而集中。該區域斷層、褶皺發育明顯，構造復雜，煤底板受奧灰水壓也較大，雖然其隔水層厚度以及脆性巖層有效厚度較大，但由于整個井田范圍內隔水層厚度與脆性巖層有效厚度較為均勻，變化較小，并且該區域巖石裂隙較發育，易形成導水通道，造成煤層底板突水，所以綜合各控制因素考慮，該區域仍然是錢家營礦12煤層底板突水可能性最大的地區，需采取適當措施，實時監測，以防突水。

4 結 論

1) 本次基于礦井數據資料選取含水層(12煤層底板受奧灰水壓)、隔水層(包括隔水層厚度和有效脆性巖層厚度)、地質構造(斷層與褶皺分布)作為錢家營礦12煤層底板突水危險性AHP評價的主控地質因素。

2) 此次錢家營礦12煤層底板突水AHP評價依照改進標度，構造判斷矩陣，最終得到影響錢家營礦12煤層底板突水各主控因素的權重。

3) 根據各主控因素對錢家營礦12煤層底板突水影響的實際情況，模擬并判斷各主控因素數據對煤層底板突水的正負相關性。并對各主控因素數據進行相應的歸一化處理，作出相應的歸一化專題圖。

4) 錢家營礦12煤層底板在整個井田范圍內有一定的突水危險性，并且其危險區域主要分布在礦井的東北地區；建議開采前，對構造破壞地段進行采前探測并加強水位監測，做好實時預報，防止采掘工作面發生突水，以確保礦井生產安全。