西北礦區淺埋煤層突水潰砂危險性評價

趙迎春

(兗州煤業鄂爾多斯能化有限公司轉龍灣煤礦，內蒙古自治區鄂爾多斯市，017000)

突水潰砂歷來是影響我國西北地區晉陜蒙礦區淺部薄基巖煤層安全開采的主要災害之一。許多學者采用大量的方法和手段研究了突水潰砂災害發生機理[1-6]，提出了突水潰砂預測及防控技術[7-12]。范利民等[13]采用熵權法確定影響突水潰砂形成的各個因素的權重并構建了突水潰砂多因素評價模型，在ARCGIS平臺上對東勝礦區進行突水潰砂危險性綜合分區；呂情緒等[14]利用層次分析法確定各影響指標的權重，結合自然斷裂法將哈拉溝煤礦22206工作面的突水潰砂危險性進行了四級分區；郭啟琛等[15]通過FAHP的方法以ARCGIS為平臺，結合GRA灰色關聯度對礦區富水性進行等級劃分；張紳等[16]通過對基巖空間分布規律、主含水層富水性分區和冒裂安全性分區復合疊加分析，形成突水潰沙危險性分區預測方法。

筆者以西北轉龍灣煤礦23105工作面為例，通過對多源地學信息進行加權疊加，建立基于GIS 的信息融合性評價模型，實現對淺埋煤層工作面突水潰砂危險性分區，并與依據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》(2017)(以下簡稱《規范》)[17]進行的結果進行對比驗證，以實現對23105工作面突水潰砂危險性做出綜合分區評價，為工作面水害防治安全回采提供重要依據。

1 23105工作面水文地質與工程地質

轉龍灣煤礦23105工作面位于首采區中部，北鄰第二輔運大巷，西鄰23101工作面采空區，南到DF4斷層，東鄰未開采的23106工作面，工作面地表大部分被第四系風成砂覆蓋，與公涅爾蓋溝距離較近。采區范圍內，23101、23102、23103工作面已回采結束，23104工作面正在回采，23106工作面及后續工作面均未開采。23105工作面位置詳見圖1。

圖1 23105工作面位置平面示意

轉龍灣煤礦23105工作面開采侏羅系延安組Ⅱ-3煤層，煤層埋深138～160 m，煤層厚度4.3～6 m；基巖總厚度為75～118 m，基巖厚度總體上從西北向東南逐漸減小；第四系厚度為30～60 m，從西北向東南逐漸增厚；II-3煤層到第四系間距為71～139 m, 從西北向東南間距逐漸增大，如圖2所示。煤層覆巖由老到新分別為侏羅系延安組、直羅組和安定組以及第四系，23105工作面地層剖面如圖3所示。

圖2 23105工作面II-3煤到第四系間距等值線

圖3 23105工作面地層剖面示意圖

由圖3可知，煤層直接頂是延安組地層，上覆為直羅組地層，局部出露于地表。安定組地層工作面范圍內分布差異較大，為泥巖隔水層，主要集中在工作面停采線一側，上覆為第四系。煤層傾角約為0°～3°，從開切眼到停采線，基巖厚度逐漸增加，第四系厚度逐漸減小。

Ⅱ-3號煤層開采過程中，直接充水水源為煤層頂底板砂巖含水組，在基巖厚度大于導水裂隙帶發育高度的區段，第四系松散層水作為基巖裂隙水的主要補給來源將作為間接充水水源對礦井充水；對于局部基巖厚度較小的區段，導水裂隙帶可能發育到基巖頂面風氧化帶和第四系松散巖類孔隙潛水含水組，使其成為直接充水水源。在這種情況下，大氣降水作為地下水的補給來源將成為間接充水水源對礦井充水。此外，隨著第四系松散層潛水位的降低，地下水流場將發生改變，第四系含水層水位低于地表水體水位后，就近的地表水體也可能作為間接充水水源對礦井充水。

2 23105工作面突水潰砂危險性單因素評價

2.1 突水危險性評價

井田內主要地表水體公涅爾蓋溝位于23105工作面附近，第四系潛水及地表水可以沿著采動裂隙對礦井直接充水，且鉆孔抽水試驗結果表明第四系松散含水層富水性中等。 根據《規范》，直接位于基巖上方或底界面下無穩定的黏性土隔水層的松散孔隙強、中含水層水體為Ⅰ類水體，要求留設頂板防水安全煤(巖)柱。依據《規范》，井田內第四系松散層底部無黏性土層，Ⅱ-3煤層頂部基巖自然狀態抗壓強度均小于40 MPa，為軟弱-中硬巖，采煤方法為綜采一次采全高，因此，防水安全煤(巖)柱保護層厚度為煤層厚的4倍。工作面內平均煤厚為5 m，所以選取第四系含水層保護層厚度為20 m。《規范》中要求防水安全煤(巖)柱的垂高(Hsh)應當大于或者等于導水裂縫帶的最大高度(Hli)加上保護層厚度(Hb)。導水裂隙帶高度及剩余煤巖柱綜合情況如表1所示，23105工作面附近鉆孔的防水安全煤(巖)柱的垂高與導水裂縫帶的最大高度及保護層厚度的差范圍為-52.67～32.18 m，且多數鉆孔的安全煤巖柱高度值為負值，不能保證留出20 m厚的保護層，導致導水裂隙帶導通至第四紀含水層，具有很大的突水危險性。

根據表1中Hsh-Hli-Hb的值繪制第四系突水危險性分區圖，見圖4。從圖4可以看出，23105工作面有安全隔水層厚度不夠的區域，23105工作面基本處于較危險-危險區，23105工作面南面第四系厚度較大，富水性較強，而基巖厚度較小，使得導水裂隙帶容易波及到第四系，此區域會有第四系突水危險，且危險性自工作面西北至東南方向逐漸增大。

2.2 潰砂危險性評價

根據直接頂板的巖性，結合《規范》，以及周邊礦井薄基巖區開采實踐經驗，本區垮落帶高度一般為采高的3～4倍，平均高度為19 m。留設保護層厚度需在20 m以上，才能有效阻止松散層砂大量潰入回采工作面。對比采高相近工作面，采高相近工作面未出現上覆第四系風積沙潰砂災害。通過對23105工作面附近21個鉆孔的統計，23105工作面內基巖厚度在75～118 m左右，平均厚度約98 m，安全煤巖柱高度在30～100 m之間，平均厚度約為60 m,具有較好的保護作用，因此垮落帶導通第四系含水砂層的可能性較小。

表1 導水裂隙帶高度及剩余煤巖柱綜合表

圖4 23105工作面突水危險分區圖

3 23105工作面突水潰砂危險性多因素評價

3.1 突水潰砂危險性評價影響因素選取

誘發煤礦突水潰砂災害的因素多元化，主要與煤層上覆含水層的富水性、覆巖巖性及其強度、開采方式等因素有關。根據西北鄂爾多斯礦區內的水文地質與工程地質條件，且23105工作面絕大多數區域的有效隔水層厚度小于垮落帶或者導水裂隙帶(見表1)，砂巖厚度與含水層富水性可以對突水潰砂危險性評價起作用，綜合考慮水砂源、通道及空間等因素，故選取砂層厚度、含水層富水性、有效隔水層厚度和采厚等作為研究突水潰砂的關鍵因素。

(1)砂層厚度。砂是突水潰砂發生的物質基礎，據研究，在相同的通道寬度情況下，顆粒粒徑越小，潰砂量越大，隨著通道寬度的增加，粒徑與潰砂量呈正相關關系。西北鄂爾多斯礦區內的砂層主要指薩拉烏蘇組及風積砂，在礦區厚度一般為0～73 m，平均46 m左右，以粉細砂為主，易于發生潰砂。

(2)含水層富水性。研究表明，較高的初始水頭是薄基巖采掘潰砂的必要條件，含水層富水性越強，厚度越大，水力坡度越大，越容易形成水砂突涌。在本區薩拉烏蘇組含水層是礦井突水潰砂的水動力來源，薩拉烏蘇組地下水在風砂灘區普遍分布，厚度變化大，薩拉烏蘇組厚度大的區域，含水層厚度大，水力坡度大，富水性強，反之則小。

(3)有效隔水層厚度。本區將煤層到第四紀松散含水層底界面之間的距離減去導水裂隙帶及安全帶高度的差值作為有效隔水層厚度。根據巖層工程地質特征，西北鄂爾多斯礦區基巖屬于中等穩定巖體，導水裂隙帶高度一般為采高的20倍，安全帶厚度按3～4倍采高計。

(4)煤層采厚。煤層開采形成采空區，才能夠具備水砂源潰入的空間。而采動區空間的大小也決定了突水潰砂災害發生的危險程度，空間愈大，容納水砂體體積就越大，水砂體進入井下后，具有較大的流動距離，突水潰砂災害程度也愈大，反之亦然。

3.2 突水潰砂危險性多因素評價原理

3.2.1數據標準化處理

本次選定的4個突水潰砂關鍵因素各自代表不同的物理意義，各指標由于性質不同、計量單位不同，因而缺乏綜合性。筆者采用閾值法對各關鍵因素進行無量綱處理。在無量綱化時，需要對指標進行同趨勢性變換，不同指標之間需要相同趨勢性，所以針對高優指標和低優指標采用不同的無量綱化方法。

根據以上原則和方法,對各指標值進行無量綱化處理后,按計算結果繪制出各因素分布，如圖5至圖8所示。

3.2.2指標權重確定

突水潰砂受到多方面因素的共同影響，而各個影響因素所占比重是不相同的，所以在對突水潰砂危險性進行綜合分析之前，各因素的權重應當明確。

熵權法的基本思路是根據指標變異性的大小來確定客觀權重。指標的信息熵愈小，說明指標值的變異程度愈大，在綜合評價中提供的信息量也就越多，其權重也就越大，反之亦然。

圖5 砂層厚度分布

圖6 第四系含水層鉆孔單位涌水量分布

圖7 有效隔水層厚度分布

通過計算，砂層厚度權重為0.194、含水層富水性權重為0.2980、有效隔水層厚度權重為0.315、采動空間權重為0.193。由此可見，有效隔水層厚度和含水層富水性權重較大，說明在突水潰砂發生過程中，二者的作用力最大。

圖8 煤層厚度分布(采動空間)

3.2.3評價模型構建

對于多指標綜合評價，通常需要建立數學模型將各個單因素的評價指標值融合為可以起到整體評價作用的綜合評價值。筆者所選取的4種因素相互獨立，故采用線性加權評價模型，見式(1)所示。

(1)

式中：IEI(x,y)——綜合評價值；

fi(x，y)——指標i在位置(x，y)的同化值；

wi——指標i的權重。

按照上述確定的權重，本次構建的突水潰砂評價模型為：

(2)

式中：f1(x，y)——砂層厚度在位置(x，y)的同化值；

f2(x，y)——有效隔水層厚度在位置(x，y)的同化值；

f3(x，y)——富水性在位置(x，y)的同化值；

f4(x，y)——采動空間在位置(x，y)的同化值。

3.3 突水潰砂危險性多因素評價

根據影響突水潰砂的因素、危險程度、預警級別等，將突水潰砂危險性分為4級，即突水潰砂危險性大、中等、小和安全。將上述評價模型綜合計算生成的綜合評價指數IEI值在ArcGIS下采用自然斷裂法進行分級，可得到5級分級結果，分別對應極高危險IEI值0.80～ 1.00、高危險IEI值0.60～0.80、危險IEI值0.40～0.60、相對安全IEI值0.20～0.40和安全IEI值0～0.20，綜合評價指數越大，說明突水潰砂危險性越大。

將上述處理好的各指標對應的矢量圖輸入到ArcGIS平臺，進行多因素加權疊加。即對各圖層進行疊加，使疊加得到的圖層中包含各圖層原有的信息數據，21305工作面突水潰砂風險分區見圖9。

由圖9可以看出，23105工作面突水潰砂危險性處于相對安全-高危險，工作面從南至北、自東南向西北危險性逐漸減小的趨勢。

圖9 突水潰砂危險性綜合分區圖

3.4 23105工作面突水潰砂危險性綜合分析

依據《規范》對23105工作面突水潰砂危險性評價的方法，主要考慮水體等級劃分和剩余安全巖柱高度。對比之下，通過GIS平臺對多源地學信息進行加權疊加分析對23105工作面進行突水潰砂危險性分區的方法考慮了砂層厚度、含水層富水性、有效隔水層厚度和煤層采厚4種因素，其中有效隔水層厚度與剩余安全巖柱高度相似，側重于考慮突水潰砂發生的通道因素。含水層富水性與水體等級劃分相似，側重于考慮突水潰砂發生的水源因素，相比于依據《規范》對水體定性地劃分水體等級，分析含水層富水性并對工作面進行富水性分區考慮到工作面不同區域含水層富水性的差異性，有利于有針對性地設置采高及疏放水方案。除此之外，砂巖厚度和煤層采厚則從突水潰砂的誘發條件出發，考慮到了突水潰砂誘發所需要的砂源以及空間2個因素。

依據《規范》的評價結果可以看出，23105工作面突水危險性自工作面東南至西北方向逐漸減小，發生潰砂的可能性小。基于GIS 的信息融合性評價模型，對淺埋煤層工作面突水潰砂危險性分區評價結果顯示，23105工作面突水潰砂危險性處于相對安全-極高危險，工作面東南角發生突水潰砂危險性高，且工作面內自東南向西北危險性逐漸減小。兩種方法得出的結果具有一定的相似性，均體現出23105工作面突水危險性自工作面東南至西北方向逐漸減小的趨勢。因此在開采23105工作面南部煤層的時候，要更加重視礦井水害的防治，加強對該區域的探放水工作，同時也要重點預防工作面東南方位發生突水潰砂災害。

4 結論

(1)根據《規范》，對剩余巖柱高度計算結果進行分析，23105工作面發生突水災害的危險性較大，且突水危險性自工作面東南至西北方向突水危險性逐漸減小，但垮落帶導通含水砂層的可能性極小，出現工作面潰砂的風險低。

(2)基于GIS平臺，突水潰砂危險性多因素評價，從淺埋深薄基巖突水潰砂發生條件出發，確定了工作面突水潰砂危險性評價關鍵指標為砂層厚度、含水層富水性、有效隔水層厚度和煤層采厚。

(3)相比《規范》中以剩余巖柱高度為評價依據，通過GIS平臺對砂層厚度、含水層富水性、有效隔水層厚度和采厚等多源地學信息進行疊加分析，對23105工作面進行突水潰砂危險性分區綜合考慮了誘發突水潰砂災害的4種條件，對于西北轉龍灣煤礦區突水潰砂危險性評價更綜合，有利于有針對性地防治突水潰砂，從而在不同分區內采用最適當的工程防治措施。