基于三圖-雙預測的古城礦首采區3號煤層頂板水害評價

馬 帥

(潞安化工集團 能源事業部地測部，山西 長治 046204)

1 礦區地質概況

古城井田位于山西省長治市西，行政區劃隸屬于屯留縣、長子縣，首采區范圍以2006-2013年3次三維地震勘探和地面瞬變電磁勘探范圍為界，面積19.9 km2。首采區位于井田東部，長治盆地西部，區內無基巖地層出露，全區為新生界第四系黃土所覆蓋，主要含煤地層為石炭系上統太原組(C3t)及二疊系下統山西組(P1s)，其中主采的3號煤層位于山西組下部，煤層平均厚度6.28 m。3號煤層頂板存在3個含水層，即第四系松散層孔隙含水層、基巖風化裂隙含水層、二疊系砂巖裂隙含水層。其中二疊系砂巖裂隙含水層為3號煤層的直接充水含水層，是本次研究的對象。

2 “三圖-雙預測”原理

“三圖-雙預測法”,即頂板直接充水含水層的富水性分區圖、頂板垮落安全性分區圖、頂板涌(突)水條件綜合分區圖及回采工作面整體和分段工程涌水量預測、頂板直接充水含水層采前預疏放方案預測，其中涌(突)水條件綜合分區圖由富水性和垮落安全性分區圖復合疊加而成[1]。

3 頂板充水含水層富水性分區

3.1 富水性分區因子的選擇

含水層厚度較大處，一般地下水的靜儲量豐富。根據這一經驗，統計了3號煤頂板細、中、粗砂巖總厚度，并圈出了含水層厚度等值線圖；根據區域水文地質特征，一般在斷層帶、向斜軸部、背斜軸部、陷落柱附近裂隙發育，含水層富水性相對較好，其它地段一般富水性相對較差。根據首采區構造發育情況，對安昌-中華大斷裂帶按富水性相對較好考慮。根據含水層鉆孔抽水試驗的數據建立充水含水層涌水量統計表，并對煤層頂板充水含水層作出含水層單位涌水量專題圖。通過地面瞬變電磁法獲得3號煤頂板二疊系砂巖含水層綜合富水異常分布。

3.2 富水性分區評價原則

利用鉆孔抽水試驗資料進行定量劃分，結合含水層厚度、構造場、地面物探等特征，采用多源地學信息復合疊加原理綜合劃分煤層頂板含水層富水性。本次將單位涌水量大于0.005 L/s·m，斷層帶、背斜、向斜軸部、陷落柱附近、物探圈定的富水異常區，以及3號煤充水含水層總厚度大于160 m的地段評價為富水性相對較好區；其它地段評價為富水性相對較弱區。

3.3 富水性分區評價結果

3號煤層頂板砂巖裂隙含水層主要為二疊系上石盒子組底部K10砂巖、下石盒子組K8砂巖及3號煤頂板砂巖，為粗、中粒結構，厚度不等，裂隙較為發育。井田內全部被第四系黃土覆蓋，大氣降水入滲補給微弱，主要補給水源以區外裸露區為主，由于地下水運移途徑長，受上部第四系隔水層和層間隔水層影響，富水性一般較差。鉆孔單位涌水量多小于0.01 L/s·m，礦化度最大為917 mg/L，水化學類型多為HCO3·Cl—Na或HCO3—Na型。其中3號煤頂板砂巖是3號煤的直接充水含水層，含水層平均厚5.86 m，節理裂隙較發育，但富水較弱。根據含水層富水性，結合含水層厚度、構造場、地面物探等特征，對3號煤層頂板充水含水層富水性進行了分區。為敘述方便，本次劃分考慮了地面物探解釋含水層富水區集中區段，對富水性零星分布區段未單獨劃分。分區結果：井田北一盤區、南一盤區砂巖厚度大于160 m區域，安昌-中華地塹構造地段，物探圈定的K10、K8砂巖、3號頂板砂巖低阻異常地段為富水性相對較好區；其余砂巖厚度小于160 m的正常地段為富水性相對較差區。

4 頂板冒裂安全性分區

4.1 導水裂縫帶高度計算

首采區3號煤層地層傾角一般為4°左右，在背向斜軸部局部大于15°，頂板為砂質泥巖、砂巖、泥巖互層，頂板巖石抗壓強度為30～60 MPa。結合相鄰生產礦井開采中觀測實踐，采用《煤礦床水文地質、工程地質及環境地質勘查評價標準》(MT/T1091-2008)附錄D中的垮落帶、導水裂縫帶最大高度經驗公式，計算公式如下：

(1)

式中：Hli為導水裂縫帶，m；M為累計采厚，m；n為采煤分層層數。

應用公式(1)，對井田內39個鉆孔進行導水裂縫帶計算(表1)，計算結果表明，3號煤層頂板導水裂縫帶發育高度在121.64～177.42 m。

表1 3號煤層頂板導水裂縫帶高度計算統計

4.2 3號煤層距主要含水層間距離

第四系孔隙含水層、K8和K10砂巖含水層位于3號煤頂板之上，全區穩定發育。K8、K10砂巖分別為二疊系下石盒子組底界、上石盒子組底界。根據鉆孔資料，用各鉆孔含水層底板標高減去煤層頂板標高得到3號煤距主要含水層的距離(表1)。結果表明，3號煤層頂板至K8砂巖的距離為25.95～50.59 m，距K10砂巖的距離為82.75～117.98 m。北一、南一盤區3號煤頂板至第四系松散層底部距離分別為427.80～473.30 m、432.40～544.95 m，中部安昌-中華斷裂帶地塹內3號煤頂板至第四系松散層的距離為671.13～797.67 m。綜上所述，3號煤層工作面回采后其頂板導水裂縫帶全部溝通上石盒子組K10底部砂巖含水層，未溝通第四系孔隙含水層。

4.3 頂板冒裂安全性分區

導水裂縫帶高度發育至K10砂巖底板以上，評價為頂板垮落危險性大區；導水裂縫帶高度發育至K8砂巖底板至K10砂巖底板之間，評價為頂板垮落危險區；導水裂縫帶高度發育至K8砂巖底板以下，評價為頂板垮落危險性中等區。斷層陷落柱附近評價為頂板垮落危險區。

5 頂板涌水綜合評價

通過疊加煤層頂板充水含水層富水性分區圖和煤層開采頂板充水含水層冒裂安全性分區圖得到頂板涌水綜合分區圖。綜合評價原則是：富水性相對較好區與垮落危險性大區的重疊部位，評定為頂板涌水相對大區；富水性相對較好區與垮落危險中等區疊加部位，富水性相對較差區與垮落危險性大區、危險區疊加部位，評定為頂板涌水相對較小區；富水性相對較差區與垮落危險中等區疊加部位，評定為頂板涌水相對小區。

根據計算結果，3號煤層頂板導水裂縫帶發育高度在121.64～177.42 m，3號煤層距離下石盒子組砂巖K8砂巖25.95～50.59 m，距離上石盒子組K10砂巖82.75～117.98 m。比較兩組數字可知，3號煤層采后形成的導水裂隙帶將完全導通K8砂巖，部分導通K10砂巖，為安全起見，將K8、K10富水性分區圖成果作為頂板直接充水含水層涌水危險性分區結果較為穩妥。根據以上原則，通過各要素疊加，得到3號煤層頂板涌水性評價分區圖，見圖1。從圖1可以看出，深灰色區域，即首采區中部安昌-中華地塹構造地段及南一盤區西翼大部分地段為頂板涌水相對大區；其余淺灰色正常地段為頂板涌水相對較小區。

圖1 3號煤層頂板涌水性評價分區