9+10#煤層底板含水層影響因素及突水危險性評價分析

袁 遠(yuǎn)

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司方山木瓜煤礦，山西 方山 033000）

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電集團(tuán)9+10#煤層屬于石炭系上統(tǒng)太原組，井田范圍內(nèi)9#煤層厚度3.59～4.25 m，平均厚度為3.92 m，10#煤層厚度為1.1～1.6 m，平均厚度為1.35 m。井田范圍內(nèi)大部分區(qū)域9#煤層和10#煤層屬合并層，合并煤層的均厚為5.27 m，平均傾角為8.5°。煤層頂板巖層為泥巖和灰?guī)r，底板巖層為粉砂巖和砂質(zhì)泥巖。

根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，9#、10#煤層上部主要含水層為石炭系上統(tǒng)太原組砂巖、灰?guī)r含水層及二疊系砂巖含水層。二疊系砂巖含水層連續(xù)性差，厚度不穩(wěn)定，頂板無突水危險性。 9#、10#煤層底板含水層主要有奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層，奧灰頂面距9#、10#煤底板平均厚度為54.2 m，屬中等富水性。現(xiàn)為保障煤層安全回采，特進(jìn)行煤層底板突水危險性評價分析。

2 突水影響因素分析

礦井開采過程中，突水事故的發(fā)生是多種因素共同作用的結(jié)果，影響突水的主要因素包括含水層厚度、隔水層厚度及隔水性能、構(gòu)造發(fā)育情況和采礦活動強(qiáng)弱等。根據(jù)地質(zhì)水文資料，采用Surfer 軟件中克里格插值法進(jìn)行各項影響因素分析，本文主要分析含水層特征、隔水層特征、構(gòu)造因素及采礦活動對突水危險性的影響程度[1-3]。

（1）含水層特征。奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層是影響9+10#煤層安全開采的主要含水層，含水層的主要因素特征包括水壓、滲透系數(shù)和單位涌水量，通過統(tǒng)計分析礦井井田范圍內(nèi)地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)，得出含水層水壓、滲透系數(shù)和單位涌水量的等值線分布圖如圖1。

圖1 奧灰含水層特征分布等值線圖

由圖1 知，井田范圍內(nèi)奧灰含水層水壓呈現(xiàn)自東部向西部水壓逐漸增大的趨勢，井田范圍內(nèi)東南部的水壓相對較小，西部的水壓相對較大，含水層的水壓范圍為0.17～3.5 MPa，平均水壓為2.26 MPa；含水層的滲透系數(shù)呈現(xiàn)為北部和南部小、中部大的特征，滲透系數(shù)的范圍為0.000 08～0.045 5 m/d，滲透系數(shù)的平均值為0.018 5 m/d；井田內(nèi)奧灰含水層單位涌水量呈現(xiàn)為北部小、南部大的特征，含水層涌水量的范圍為0.000 3～0.012 6 L/m·s，含水層單位涌水量的平均值為0.003 8 L/m·s。

（2）隔水層特征。奧灰含水層與9+10#煤層之間隔水巖層主要為本溪組和太原組地層，隔水層的隔水特征主要通過隔水層厚度和泥巖率進(jìn)行統(tǒng)計分析，泥巖率采用隔水層泥巖總厚度/隔水層厚度表示，通過井田范圍內(nèi)地質(zhì)鉆孔的統(tǒng)計分析，得出隔水層厚度、泥巖率分布等值線圖如圖2。

圖2 隔水層特征等值線圖

分析圖2 可知，井田范圍內(nèi)隔水層厚度表現(xiàn)為由北部向南部、由西部向東部逐漸變小的趨勢。井田南部的隔水層厚度整體較小，而北部與西部的隔水層厚度整體較大。井田內(nèi)隔水層厚度范圍為13.2～73.02 m，隔水層厚度的平均值為54.2 m。井田單位內(nèi)隔水層泥巖率表現(xiàn)為北部和西南部小、中南部泥巖率大的特征，泥巖率的范圍為0.1～0.9，平均值為0.43。

（3）構(gòu)造因素。井田范圍內(nèi)的構(gòu)造因素主要包括斷層和褶皺，采用構(gòu)造分維的方式進(jìn)行構(gòu)造分形特征的描述，具體相似維數(shù)的表達(dá)式為：

式中：DS為相似維數(shù)；r為相似比；N為構(gòu)造跡線穿過的網(wǎng)格數(shù)目。

通過井田單位內(nèi)斷層和褶皺相似維數(shù)的計算，得出斷層和褶皺的分維數(shù)等值線圖如圖3。

圖3 斷層和褶皺分維值等值線圖

分析圖3 可知，井田范圍內(nèi)褶皺分維值的范圍為0～1.14，平均值為0.39；井田內(nèi)斷層分維數(shù)呈現(xiàn)出東北部和中南部大的特征，井田內(nèi)大部分?jǐn)鄬臃志S值整體呈現(xiàn)出較小的特征，斷層分維值的范圍為0～1.02，平均值為0.114。

（4）采礦活動。根據(jù)9+10#煤層的煤層厚度、煤層埋深及含水層的水壓，得出煤層底板破壞預(yù)測深度等值線圖如圖4。

圖4 煤層底板破壞深度等值線分布圖

分析圖4 可知，9+10#煤層開采后，煤層底板的破壞深度范圍為12～32 m，平均破壞深度為22 m。井田范圍內(nèi)井田東南部、北部和南部區(qū)域底板破壞深度的變化范圍相對較大，而在井田的東北部、中部及西南部的區(qū)域底板破壞深度的變化值相對較小。

3 突水危險性評價

根據(jù)9+10#煤層的賦存特征，選用脆性指數(shù)法進(jìn)行突水危險性評價分析。采用脆性指數(shù)法進(jìn)行突水危險性分析時，評價的主要步驟如下：根據(jù)影響含水層突水危險性的主控因素的專題圖，進(jìn)行歸一化處理；確定底板突水因素的權(quán)重值；采用GIS 軟件對突水因素進(jìn)行融合，確定底板突水脆弱性的分布閾值，據(jù)此得到底板突水脆弱性的分布情況[4]。

（1）歸一化處理。根據(jù)突水影響因素的統(tǒng)計分析可知，本次主要進(jìn)行含水層特征、隔水層特征、構(gòu)造因素及采礦活動對突水危險性的影響，采用極差變換法進(jìn)行主控因素?zé)o量綱化處理，具體歸一化公式如下[5-6]：

式中：Ai為歸一化處理結(jié)果；a、b為歸一化范圍的上下限，分別取為0 和1；xi為歸一化各主控因素的原始數(shù)據(jù)；maxxi、minxi分別為各主控因素統(tǒng)計的最大值和最小值。

（2）突水因素權(quán)重。確定9+10#煤層的突水因素權(quán)重時，采用層次分析法進(jìn)行分析，將研究對象劃分為A、B、C 三個層次，分別為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和決策層，具體本次底板突水層次分析模型如圖5。

圖5 底板突水層次分析模型樹狀圖

通過構(gòu)造AHP 判斷矩陣和層次總排序能夠得出各影響因素的權(quán)重數(shù)值見表1。

表1 奧灰含水層突水影響因素權(quán)重表

（3）突水評價。脆性指數(shù)法進(jìn)行底板突水危險性評價值，具體計算公式如下：

式中：VI為脆弱性指數(shù)；n為突水因素的個數(shù)；x、y為坐標(biāo)；Wk為各突水因素的權(quán)重；fk（x,y）為各突水因素的影響值函數(shù)。綜合上述影響因素權(quán)重的確定值，能夠得出在各影響因素下的脆弱性評價模型如下：

式中：f1（x,y）～f8（x,y）分別代表決策層的影響因素。

最終采用GIS 軟件進(jìn)行各因素專題圖與其對應(yīng)的權(quán)重值相乘，進(jìn)而得出各因素專題圖的疊加數(shù)據(jù)。基于疊加結(jié)果采用自然分級法進(jìn)行分類，最終基于分類結(jié)果進(jìn)行突水危險區(qū)域劃分。在采用自然分級法進(jìn)行突水危險性劃分時，VI值為0.26～0.38、0.38～0.42、0.42～0.47、0.47～0.51、0.51～0.58，分別劃分為突水相對安全區(qū)、較安全區(qū)、過渡區(qū)、危險區(qū)和極危險區(qū)。具體突水危險性分區(qū)結(jié)果如圖6。

圖6 奧灰含水層突水危險性分區(qū)圖

分析圖6 可知，井田范圍內(nèi)奧灰水突水相對安全區(qū)所占比例為9.64%，較安全區(qū)所占比例為21.01%，過渡區(qū)所占比例為25.33%，危險區(qū)所占比例為19.54%，極危險區(qū)所占比例為24.49%。井田范圍內(nèi)奧灰水整體突水危險性較低，井田南部和中部突水危險性較大，井田突水危險性呈現(xiàn)為由北向南突水危險性逐漸增大的特征。

4 結(jié)論

根據(jù)9+10#煤層地質(zhì)水文資料，采用Surfer 軟件繪制出突水主要影響因素等值線圖，通過脆性指數(shù)法進(jìn)行奧灰水突水危險性的評價分析，基于分析結(jié)果給出底板含水層突水安全和危險區(qū)域的位置及范圍，為煤層的安全回采提供指導(dǎo)。