寧東煤田鴛鴦湖礦區煤層頂板水害防控技術與應用

趙寶峰，黃忠正，宗偉琴

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西省西安市，710054；2.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西省西安市，710177；3.國家能源集團寧夏煤業有限責任公司，寧夏回族自治區銀川市，750011)

煤炭在我國一次能源結構中占60%左右，在未來幾十年內仍將是我國的主體能源。隨著我國東部地區煤炭資源逐漸枯竭，煤炭生產重點逐步向西轉移，西部侏羅紀煤炭資源開發已經成為我國煤炭工業可持續發展和國民經濟建設的重要支撐[1-2]。侏羅紀煤田主要面臨煤層頂板水害威脅，許多學者圍繞頂板水害防控開展了大量研究，在含水層富水性分區方面主要采用物探[3-4]、富水性指數[5-6]、綜合探查法[7-8]等，涌水量預測方面主要采用比擬法[9]、解析法[10]和數值法[11]等，以上研究成果對于頂板水害防控發揮了重要作用。

寧東煤田是我國批準建設的14個億噸級煤炭生產基地之一，同時也是寧東煤化工基地的供煤產地，包括鴛鴦湖、馬家灘、碎石井、積家井等礦區，其探明儲量達331億t，占寧夏煤炭總儲量的85%[12]。寧東煤田大部分礦井主采侏羅系延安組煤層，其上部普遍發育直羅組砂巖含水層，在大規模機械化開采條件下，工作面開采后對頂板覆巖擾動強度大，形成的導水通道容易溝通上覆含水層，造成工作面頂板水害事故。鴛鴦湖礦區內各礦井均面臨不同程度的頂板水害威脅，需要解決的防治水難題包括頂板含水層科學合理的富水性分區、工作面與礦井涌水量動態預測和頂板水疏放效果定量化評價等，為保障礦井的安全生產，需要對頂板水害防控方法與技術進行系統研究。

1 鴛鴦湖礦區及其水文地質條件

1.1 鴛鴦湖礦區概況

1.1.1 基本條件

鴛鴦湖礦區位于寧夏回族自治區寧東煤田中部，總體呈南北條帶狀展布，鴛鴦湖礦區及各礦井平面位置如圖1所示，由北向南分別為清水營、梅花井、石槽村、紅柳和麥垛山煤礦，規劃產能44 Mt/a。

1.1.2 地層與構造

根據鉆孔揭露資料，研究區地層由上向下分別為第四系、古近系、白堊系、侏羅系和三疊系，其中侏羅系延安組為礦區的含煤地層，2、6、10、12和18號煤層全區發育，全部或大部分可采。研究區位于鄂爾多斯盆地西緣沖斷、推覆構造帶中北部，北部以褶皺為主，向南逐漸斷層發育，破壞了褶皺的完整性。

1.2 鴛鴦湖礦區水文地質條件

1.2.1 含水層

研究區含水層可劃分為孔隙潛水含水層和孔隙裂隙承壓含水層，后者又可劃分為白堊系、侏羅系和三疊系含水層，其中侏羅系含水層根據主要可采煤層可進一步劃分為直羅組含水層、2～6號煤層、6～18號煤層和18號煤層以下含水層。

近年來，研究區主采2號煤層，其主要充水含水層為直羅組下段含水層，其平均厚度、鉆孔單位涌水量和滲透系數的平均值由北向南逐漸增大，其水文地質條件也隨之逐漸復雜。鴛鴦湖礦區及各礦位置如圖1所示。鴛鴦湖礦區各礦井直羅組下段含水層概況見表1。

圖1 鴛鴦湖礦區及各礦井平面位置

表1 鴛鴦湖礦區各礦井直羅組下段含水層概況

1.2.2 隔水層

研究區隔水層包括古近系清水營組、侏羅系安定組、直羅組、延安組煤層頂底板隔水層，巖性主要為泥巖、粉砂巖和砂質泥巖。

1.2.3 地下水補徑排

潛水含水層地下水主要接受大氣降水補給，沿地勢由高向低徑流，在溝谷洼地以泉的形式排出，還有一部分越流補給承壓含水層；承壓含水層地下水主要接受露頭區大氣降水補給、潛水含水層的越流補給，徑流方向大致與潛水含水層保持一致，最終以礦井排水的形式排出。

2 鴛鴦湖礦區頂板水害防控技術與應用

2.1 頂板含水層富水性分區

2.1.1 含水層富水性分區存在的問題

鉆孔單位涌水量是含水層富水性評價的唯一直接指標，主要是根據抽水試驗得到的。研究區各礦井在水文補勘階段均施工了水文地質鉆孔，在抽水試驗后留設為地下水位長觀孔，為了避免受到采掘活動的影響和破壞，水文地質鉆孔一般位于采區邊界外的保護煤柱內，但是對礦井防治水工作具有指導意義的卻是采區內煤層頂板含水層富水性條件，怎樣利用采區外水文地質鉆孔的信息評價采區內的煤層頂板含水層富水性是需要解決的重要問題。通常井田范圍內地質勘探鉆孔較多，而水文地質鉆孔較少，怎樣有效利用大量地質勘探鉆孔的水文信息對含水層富水性進行評價也是防治水面臨的主要問題。

2.1.2 含水層富水性分區思路

建立采區外水文地質鉆孔與采區內地質勘探鉆孔的水文信息相關關系，進而利用地質勘探鉆孔的水文信息對采區內含水層進行富水性分區成為首選思路?；谝陨纤悸?，提出了基于地質勘探鉆孔水文信息的含水層富水性分區技術，即選取與含水層富水性相關性較強的評價指標，然后利用灰色關聯度、語氣算子比較法、隸屬度函數和模糊綜合評判法對煤層頂板含水層富水性進行分區[13]?；诘刭|勘探鉆孔水文信息的含水層富水性分區流程如圖2所示。

圖2 基于地質勘探鉆孔水文信息的含水層富水性分區流程

2.1.3 含水層富水性分區步驟

(1)各評價指標與鉆孔單位涌水量的關聯度計算。灰色關聯分析的具體計算步驟如下：設參考數列為：x0={x0(k)|k=1,2,…j}，各水文孔的單位涌水量為參考數列；設比較數列為：x1={x1(k)|k=1,2,…j}，x2={x2(k)|k=1,2,…j}，…，xi={xi(k)|k=1,2,…j}，含水層砂地比、含水層厚度、粗砂巖厚度、粗砂巖層數、斷層分維值和褶皺分維值為比較數列。

關聯系數表達式如下：

(1)

式中：ρ——分辨系數，通常取0.5。

關聯度r0i作為比較數列與參考數列關聯程度的數量表示，其計算公式如下：

(2)

根據式(2)計算的關聯度大小排序，如果r0n

(2)各評價指標權重的確定。在確定各評價指標的權重向量時，采用語氣算子比較法，具體算法如下：設有6項含水層富水性評價指標組成的指標集：D=(d1,d2,…，d6)，首先研究指標集D對重要性的二元比較定性排序。指標集D中的元素dk與dl就“重要性”作二元比較，若dk比dl重要，記定性標度ekl=1，elk=0；dk與dl同樣重要，記ekl=0.5，elk=0.5；若dl比dk重要，記ekl=0，elk=1。其中，k=1,2,…，6；l=1,2,…,6。以下矩陣為指標集D對重要性作二元比較的定性排序標度矩陣E。

(3)

在二元比較過程中要求判斷思維不出現矛盾，即要求邏輯判斷的一致性，其一致性檢驗條件為：若ehk>ehl，有ekl=0；若ehk

為了在二元定量對比中更便于語言習慣，大連理工大學的陳守煜教授給出了語氣算子與重要性定量標度之間的對應關系：語氣算子為同樣、稍稍、略為、較為、明顯、顯著、十分、非常、及其、極端、無可比擬時，對應的相對隸屬度分別為1.000、0.818、0.667、0.538、0.429、0.333、0.250、0.176、0.111、0.053、0。

(3)建立模糊評判矩陣。選取研究區內地質勘探鉆孔的砂地比、砂巖厚度、粗砂巖厚度、砂巖層數、斷層分維值和褶皺分維值作為含水層富水性評價的指標，在此基礎上建立模糊評判矩陣R[10]：

(4)

式中：rij——第i個因素對第j個評語的隸屬度。

式中R通常稱為模糊關系矩陣，由各單因素評判結果得到，隸屬函數的建立是用來刻畫模糊集合的，即用來計算rij。對模糊對象只有給出切合實際的隸屬函數，才能應用模糊數學方法進行計算。三角形隸屬度函數是最常見最簡單的一種模糊隸屬度函數，在此Ai均選取三角形隸屬度函數。

(4)含水層富水性模糊綜合評判。模糊綜合評判數學模型的基本形式為：

(5)

式中：B——評判對象的綜合評判結果；

A——n個參與模糊綜合評判因素的權重；

R——模糊綜合評判矩陣。

由于加權平均型算子對所有因素權重大小均衡兼顧，因此，在這里采用了加權平均算子。

2.1.4 現場應用

利用模糊綜合評判結果，繪制紅柳煤礦首采區直羅組下段含水層富水性分區，如圖3所示。

圖3 紅柳煤礦首采區直羅組下段含水層富水性分區

根據對研究區內各工作面涌水量的觀測臺賬，位于五級和四級富水性的工作面涌水量明顯大于位于三級和二級富水區的工作面，基于地質勘探鉆孔水文信息的含水層富水性分區結果與實際井下工作面涌水量較為一致。

2.2 工作面與礦井涌水量動態預測

2.2.1 工作面與礦井涌水量預測存在的問題

以往針對鴛鴦湖礦區工作面涌水量預測主要采用大井法或集水廊道法，其預測值通常比實際值小，通過分析工作面頂板充水含水層水文地質特征，認為工作面頂板直羅組下段砂巖含水層以孔隙為主，裂隙發育，地下水主要為古封存水，加之鴛鴦湖礦區構造發育，含水層平面上被斷層切割，連通性較差，以靜儲量為主。采用大井法或集水廊道法計算的涌水量僅是工作面的動態補給量，而忽視了頂板含水層的靜儲量。

以往預測礦井涌水量時，通常將整個預測區域作為大井或集水廊道，所得到的涌水量預測值為固定值，不能實時指導各采區或礦井排水系統的建立。而礦井涌水量實際上是一個隨著采掘空間和時間變化的動態值。

2.2.2 靜儲量結合動態補給量的工作面涌水量預測

基于以上分析，提出了靜儲量疊加動態補給量的“動靜結合”工作面涌水量預測方法，工作面涌水量包含垮落帶周邊的側向動態補給水量和垮落帶內含水層的靜儲量，使工作面涌水量預測結果更加符合實際。

(1)靜儲量預測。靜態儲存量主要是指當煤層回采產生的導水裂縫帶影響范圍內的含水層由于重力作用而釋放出來的水量，計算式如下：

Q靜=LB1Mμ

(6)

式中：Q靜——含水層的靜儲量，m3/h；

L——工作面走向長度，m；

B1——垮落區寬度，m；

M——含水層厚度，m；

μ——含水層的給水度。

(2)動態補給量預測。對于工作面動態補給量的預測可以采用“大井法”，其計算式如下：

(7)

式中：Q動——工作面動態補給量，m3/h；

K——含水層的滲透系數，m/d；

H——水頭高度，m；

R0——引用影響半徑，m；

r0——引用半徑，m。

也可以采用集水廊道法，其計算式如下：

(8)

式中：c——巷道底板周長，m；

R1——影響半徑，m。

(3)工作面涌水量預測。工作面涌水量由頂板含水層的靜儲量和動態補給量組成，計算式如下：

Q工=Q靜+Q動

(9)

2.2.3 基于時空分區的礦井涌水量預測

為了使礦井涌水量能夠實時指導防治水工作和排水系統的設置，提出了基于時空分區的礦井涌水量預測方法，即根據礦井采掘接續計劃將預測期劃分為若干時段，再分別預測各時段內各分區(工作面或巷道)的涌水量，最終得到一個隨時間變化的礦井涌水量動態預測值[14]，計算式如下：

(10)

i=1,2,3…m；j=1,2,3…n

式中：Qi——第i時段礦井涌水量，m3/h；

qij——第i時段j處涌水量，m3/h。

基于時空分區的礦井涌水量也可以用于采區或不同水平涌水量預測。

2.2.4 現場應用

麥垛山煤礦11采區是2號煤層首采區，為了給防治水工作和排水系統建立提供依據，需要對11采區進行涌水量預測。根據11采區2021-2028年采掘接續方案，將預測期按照年度劃分為8個時間段，分別對各時間段內不同工作面涌水量進行預測，最終得到11采區涌水量動態預測值，如圖4所示。

圖4 麥垛山煤礦11采區涌水量預測曲線

2.3 工作面頂板水害威脅程度定量化評價

2.3.1 工作面頂板含水層疏放水效果評價存在的問題

以往對工作面受底板灰巖水害威脅程度通常采用突水系數法，底板受構造破壞的地段突水系數一般不得大于0.06 MPa/m，隔水層完整無斷裂構造破壞的地段不得大于0.10 MPa/m。由于突水系數簡單易用，是評價工作面底板水害威脅程度的常用定量化方法。

受頂板砂巖水害威脅的工作面常采用頂板水疏放的防治水方法，但是由于缺少頂板水疏放效果定量化評價方法，一方面在未達到疏放水效果的情況下盲目開采會導致工作面涌水量較大，甚至發生水害事故，另一方面在達到疏放水效果時繼續對頂板含水層進行疏放，不僅破壞了地下水資源，同時還使礦井涌水量增大，對礦區周邊生態環境造成不良影響。

2.3.2 工作面頂板含水層疏放水效果定量化評價

基于受頂板水害威脅工作面的涌水量組成分析，影響和威脅工作面安全回采的主要為頂板含水層的靜儲量，這部分水量如果未經疏放，在工作面回采時會經過導水裂縫帶進入采空區，導致涌水量增大。工作面回采時頂板含水層的動態補給量在短時間內是無法疏干的，配備滿足要求的排水系統即可。

建立“雙因素四指標”疏放水效果評價方法：工作面疏放總水量大于等于靜態儲存量，并且疏放水殘余總水量小于等于動態補給量時，可以判斷工作面頂板含水層的靜態儲存量得到了充分疏放，利用工作面疏放水觀測值和涌水量預測值雙因素中的靜態儲存量、動態補給量、疏放總水量和殘余總水量4個指標進行比對，實現了對頂板水疏放效果的定量化評價[15]，評價流程如圖5所示。

圖5 工作面頂板水疏放效果定量化評價流程

2.3.3 現場應用

利用“雙因素四指標”法對鴛鴦湖礦區典型工作面疏放水效果進行了定量化評價，見表2。

表2 典型工作面頂板水疏放效果定量化評價

由表2可以看出 ，各工作面疏放總水量均大于靜儲量預測值，疏放水鉆孔的殘余水量與動態補給量預測值接近，說明工作面頂板含水層的靜儲量得到了有效疏放，鉆孔殘余水量為動態補給量，各工作面在回采過程中無集中涌水現象發生，均實現了安全回采。

3 結語

(1)通過建立水文地質鉆孔與水文信息之間的相關關系，在此基礎上利用地質勘探鉆孔的水文信息對含水層進行富水性分區，有效地利用了井田范圍內的地質勘探鉆孔，為頂板水害防控提供了依據。

(2)考慮了靜儲量和動態補給量工作面涌水量預測與實際涌水量更為接近，而基于時空分區的礦井涌水量預測提供的動態預測值能夠更好地指導礦井防治水工作和排水系統建立。

(3)“雙因素四指標”評價方法實現了對頂板水疏放效果的定量化評價，避免了頂板水疏放不足造成水害事故，同時也能夠顯著減少頂板水的過度疏放。