上社煤礦9#煤層底板突水危險性評價與應用

劉愛軍

（晉能集團陽泉公司上社煤礦，山西 盂縣 045100）

1 工程概況

山西陽泉市上社煤炭有限責任公司位于太行山西翼，系舟山南側，屬低山丘陵地貌，為剝蝕型山岳地貌。井田范圍內穩定可采煤層主要為9#和15#煤層，局部可采煤層為6#、8#和19#煤層。9#煤層平均厚度為3.6 m，煤層頂板巖層為泥巖、砂質泥巖和粉砂巖，底板為泥巖、細砂巖和粗砂巖。

9#煤層主要充水含水層為山西組碎屑巖裂隙含水層，山西組及以上砂巖裂隙含水層厚度為25.68 m，平均靜止水位標高為+490 m。由于底板含水層的水位標高大于9#煤層底板標高，故在9#煤層回采時，屬于帶壓開采。為防止9#煤層回采過程中產生底板突水，具體分析山西組碎屑巖裂隙含水層的突水危險性。

2 評價模型理論與主控因素

2.1 基于GIS的AHP型脆性指數法評價理論

脆性指數法理論主要是采用多源信息復合技術進行疊加，評價方法中以環套理論作為基本理論。基于GIS的AHP型脆性指數法在進行評價時，首先采用GIS軟件進行采集，數據轉換，編輯及概化和計算，以此建立GIS空間和屬性數據庫；隨后基于數據庫，建立層次結構模型，確定主要影響因素的數量，通過構造判斷矩陣，確定各個影響因素目標層的權重； 最后通過GIS軟件的顯示及制圖功能進行分析結果的直觀表達［1-2］。

2.2 主控因素確定

根據上社煤礦井田范圍內的地質及鉆孔資料可知，底板的主要隔水巖層為9#煤層至底板山西組碎屑巖裂隙含水層間的隔水巖層。井田范圍內發育有3 個褶曲、9 個陷落柱、17 條斷層（落差大于5 m），上述地質構造形成的弱結構為底板承壓水的主要突水通道。基于上述9#煤層的地質條件，確定本次評價模型的主控因素見表1。

表1 9#煤層底板突水評價主控因素

2.3 主控因素專題圖建立

根據上述確定的各項主控因素，分別進行相應圖件表述，具體如下：

（1）含水層水壓： 根據井田范圍內的地質鉆孔資料，得出含水層頂界面的標高，再結合鉆孔對含水層水位的監測數據，得出含水層水位標高的變化情況，通過含水層水位標高減去含水層頂界面標高，計算得出含水層的水壓值。9#煤層底板含水層水位標高數據見表2，采用GIS軟件獲得含水層水壓專題見圖1（a）。

表2 9#煤層底板含水層水位標高數據

（2）含水層富水性：根據煤礦防治水細則中的“大井法”的計算公式如下［3-4］：

基于上式，將地質鉆孔統一換算直徑為91 mm，抽水降深為10 m時的單位涌水量。底板含水層單位涌水量見表3，專題見圖1（b）。

表3 底板含水層單位涌水量數據

（3）礦壓破壞帶下脆性巖的厚度：采動影響下鉆孔的破壞深度的計算表達式為：

式中：H為工作面埋深；a為煤層傾角，L為工作面斜長。本次9#煤層開采的區L為200 m，煤層傾角在5°～12°之間，取12°，工作面的埋深根據鉆孔取值。根據井田內鉆孔數據，通過GIS軟件處理得出礦壓破壞帶下脆性巖厚度專題，見圖2（c）。

圖1 含水層及脆性巖、有效隔水層厚度專題

（4）有效隔水層厚度：有效隔水層厚度等于隔水層的厚度減去底板破壞帶的深度。現將不同巖性的巖層采用等效系數折算成等效厚度，在通過累加計算生成隔水層等效厚度專題，見圖1（d）。

（5）斷層與褶皺的分布：根據礦井地質資料，通過軟件處理，得出斷層與褶皺分布的專題，見圖2（a）。

（6）斷層與褶皺交點和端點分布：煤巖體在斷層或褶皺的作用下，會在平面和空間上形成有一定發育規律的交叉點和尖滅點，工作面回采至在該處，導水可能性增大。斷層與褶皺交點和端點的局部放大專題見圖2（b）。

（7）斷層規模：通過對井田內斷層落差和走向長度統計分析，計算得出井田范圍內的斷層指數規模，建立250 m×250 m的單元網格，軟件處理得出斷層規模指數等值線見圖2（c）。

圖2 構造分布專題

（8）陷落柱分布：井田范圍內巖溶相對較為發育，巖溶發育區域具有較高的突水危險性。將突水量化為1，將緩沖裂隙區相對發育量化為0.8，通過軟件處理生成陷落柱分布專題，見圖2（d）。

3 底板突水危險性評價

3.1 評價模型設計

依據9#煤層底板的特征，對底板山西組碎屑巖裂隙含水層的突水危險性進行分析。采用層次分析法，具體建立三個層次，其中A層次為目標層，B層次為準則層，C層次為決策層。具體評價模型見圖3。

圖3 碎屑巖裂隙水脆弱性指數法評價模型

模型建立后，基于底板的各項突水因素，通過專家打分的方式進行突水因素的評價，再基于評價結果構造判斷矩陣，最后決策各項因素對目標層的各項權重數據見表4。

表4 影響底板山西組碎屑巖裂隙含水層含水層

3.2 評價流程與結果

脆弱性指標指數法評價流程主要為：數據歸一化→單因素歸一化專題圖→專題疊加模型建立→評價區劃分成果。其中評價流程中的數據歸一化處理主要為消除不同量綱數據對結果的影響，專題疊加能夠通過復合疊加將各影響因素放置于一個存儲層內。模型建立時采用如下公式進行表述：

將表4 中的數據代入式（3）中能夠計算得出：

根據計算結果，設置山西組碎屑巖裂隙含水層突水危險性評價分區四級閥值，分別為0.24、0.30、0.35 和0.44。根據四種閥值將研究區域劃分為五個區域：具體劃分標準如下：

根據上述劃分標準，得出山西組碎屑巖裂隙含水層含水層的評價分區見圖4。

圖4 山西組碎屑巖裂隙含水層突水脆弱性評價分區

由圖4 可知，井田范圍內9#煤層底板山西組碎屑巖裂隙含水層的突水危險性從北部向南部逐漸遞減。井田北部含水層的突水危險性相對較大，且在地質構造區域處，基本均處于脆弱和較脆弱區域；井田南部相對安全區較為集中；井田中南部較安全區域較為集中，且呈現為東西條狀分布；井田東部及中部偏北過渡區域較為集中。

4 結語

通過分析9#煤層底板碎屑巖裂隙含水層的主要特征，基于GIS的AHP型脆性指數法評價理論進行突水危險性評價；通過分析確定主控因素和繪制主控因素專題圖，采用脆弱性指數法進行評價，得出山西組碎屑巖裂隙含水層脆性和較脆弱區域主要分布在井田北部，過渡區域主要分布在井田東部和中部偏北，其余區域為較安全區和相對安全區。