基于三維地震勘探技術(shù)對煤層底板高承壓水突水危險性的研究

韓 磊,陳彥昭,王 禮,劉曉攀,陳江峰

(1.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,河南 焦作 454003;2.河南神火煤電股份公司, 河南 永城 476600)

突水系數(shù)法和脆弱性指數(shù)法是煤層底板突水常用的研究方法,突水系數(shù)指的是一定厚度的隔水層所承受的水壓值,脆弱性指數(shù)法則是通過對礦井水文地質(zhì)資料與礦井地質(zhì)資料進行收集整理,借助數(shù)學(xué)模型對信息進行融合分析來判別研究區(qū)域煤層底板抵抗含水層能力大小的一種方法[1-4]。

實踐證明,兩種方法在預(yù)判煤層底板突水危險性評價方面具有較為可靠的價值,但兩種方法對研究區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)、水文地質(zhì)以及其它礦井現(xiàn)實資料具有很強的依賴性,但深部資料的缺乏使得評價結(jié)果精度大大降低。本文在收集梁北礦32采區(qū)三維地震勘探資料的基礎(chǔ)上,結(jié)合已有的少量深部鉆孔資料進行標(biāo)定,利用三維地震資料反演獲取的寒灰頂界面等高線并耦合煤層底板等高線,獲得了煤層底板隔水層的準(zhǔn)確厚度及其分布規(guī)律,進而對該研究區(qū)煤層底板突水危險性進行精準(zhǔn)評價。

1 研究區(qū)背景

1.1 礦井概況

1.2 礦井水文地質(zhì)

礦井在區(qū)域上屬巖溶-裂隙徑流區(qū)的弱徑流亞區(qū)中部,中部的虎頭山正斷層(F1)自西向東貫穿全礦井,向西延伸至寒武系灰?guī)r露頭區(qū),該斷層為礦井地下水徑流的主要通道之一。煤層底板灰?guī)r含水層包括寒武系白云質(zhì)灰?guī)r、太原組下段灰?guī)r和太原組上段灰?guī)r。其中寒武系灰?guī)r含水層為礦井主要充水水源;太原組下段灰?guī)r含水層富水程度不一,且部分區(qū)域水量被疏干;太原組上段灰?guī)r巖溶裂隙不發(fā)育、富水性較弱[5-6]。

1.3 采區(qū)地質(zhì)概況

本文研究區(qū)為梁北礦32采區(qū),采區(qū)內(nèi)地層整體為一傾向南南西、傾角7°～20°的單斜構(gòu)造,產(chǎn)狀變化不大,次級褶皺不甚發(fā)育,區(qū)內(nèi)斷層較發(fā)育。全區(qū)地震勘探資料共解釋斷層45條,其中正斷層44條,逆斷層1條,其中貫穿二1煤層并延伸至寒武系地層的有22條,區(qū)內(nèi)無陷落柱及巖漿巖侵入。

2 突水系數(shù)法

2.1 煤層底板隔水層厚度

太原組下段灰?guī)r含水層和太原組上段灰?guī)r含水層富水性較弱,且存在被疏干的情況,可視為隔水層。煤層底板隔水層的計算采用三維地震勘探得到的寒武系灰?guī)r頂板等高線圖與二1煤層底板等高線圖進行疊加,統(tǒng)計兩圖等值線之間的高差,即寒灰與二1煤層底板之間的隔水層厚度,以及交點坐標(biāo)。煤層底板含水層位置關(guān)系見圖1.考慮到受采動影響,底板最大擾動破壞深度為32.80 m,將疊加后的隔水層厚度減去32.80 m作為32采區(qū)內(nèi)的有效隔水層厚度,通過Surfer軟件的插值功能將統(tǒng)計的資料生成有效隔水層厚度等值線圖(圖2)。由圖2可知,32采區(qū)隔水層厚度主要表現(xiàn)為緩變形態(tài),整體厚度在50 m以上,呈現(xiàn)出東西厚中部薄的特點。

圖2 煤層底板隔水層厚度等值線圖

2.2 含水層水壓

采區(qū)內(nèi)寒武系灰?guī)r溶裂隙水位標(biāo)高在-200～-350 m,水位標(biāo)高自西向東不斷降低,最西部水位標(biāo)高為-200 m,東南部標(biāo)高下降至-350 m.通過對32采區(qū)巖溶裂隙水位和灰?guī)r頂界面標(biāo)高聯(lián)合分析得到寒武系巖溶裂隙水壓等值線圖(圖3),區(qū)內(nèi)寒灰水壓在0～4.6 MPa,總體上西高東低,高水壓區(qū)主要集中在西南部,緊鄰虎頭山正斷層,最小水壓處于采區(qū)的東南角。

圖3 寒灰水壓等值線圖

2.3 斷層帶附近隔水層厚度

32采區(qū)落差大于100 m的斷層有3條,其中虎頭山正斷層(F1)最大落差達到335 m;落差在51～100 m的斷層4條,落差在30～50 m的斷層有2條。根據(jù)《煤炭礦井防治水設(shè)計規(guī)范》(GB 51070-2014)附錄B.2.2中的相關(guān)規(guī)定,斷層帶附近的采動導(dǎo)水破壞帶深度為底板采動導(dǎo)水破壞帶深度計算結(jié)果的1.5～2.0倍。本文將虎頭山正斷層附近的采動導(dǎo)水破壞帶深度乘以2.0的系數(shù)處理,落差在30～150 m的斷層帶附近的采動導(dǎo)水破壞帶深度乘以1.5的系數(shù)進行計算。通過Surfer軟件繪制出斷層帶附近的隔水層厚度等值線圖(圖4)。

圖4 斷層帶附近隔水層厚度等值線圖

2.4 突水危險性分析

突水系數(shù)法表征了隔水層所承受的水壓值[3-4]。其計算公式為:

T=p/M

(1)

式中:T為突水系數(shù),MPa/m;p為底板隔水層承受的水壓,MPa;M為底板有效隔水層厚度,m.

4.5 出院指導(dǎo) 在患者出院前，仔細講解出院后隨訪的重要性，并建立隨訪檔案，積極監(jiān)督、督促患者定期完成隨訪，放療結(jié)束后1個月復(fù)查1次，以后3個月1次，1年后每半年復(fù)查1次。口腔要保持清潔，3年內(nèi)不能拔牙，避免誘發(fā)頜骨骨髓炎，堅持張口鍛煉，防止咀嚼肌及周圍組織纖維化，以防止張口困難。

將采區(qū)內(nèi)寒灰水壓等值線圖與有效隔水層厚度等值線圖進行疊加后得出采區(qū)內(nèi)突水危險性等值線圖(圖5)。

圖5 突水危險性評價成果圖

根據(jù)《煤礦防治水細則》,構(gòu)造復(fù)雜區(qū)突水系數(shù)>0.06 MPa/m的區(qū)域為突水危險區(qū)。采區(qū)內(nèi)具有突水危險性的區(qū)域主要集中在斷層帶附近,其中虎頭山正斷層(F1)和F2-2斷層帶存在突水危險區(qū)。虎頭山正斷層帶的西部存在兩處突水危險區(qū),突水系數(shù)最大值為0.16 MPa/m,F2-2斷層西部發(fā)育帶端點處存在一處突水危險點。其余斷層帶的突水系數(shù)都小于0.06 MPa/m,表示這些斷層帶突水可能性相對較小。

3 脆弱性指數(shù)法

脆弱性指數(shù)法由武強院士提出,將影響煤層底板突水的多種主控因素通過賦權(quán)的方式綜合分析,以判別礦井各個區(qū)域在多種因素影響下可能發(fā)生煤層底板突水的情況[1-2]。本文以采區(qū)三維地震勘探資料為基礎(chǔ),采用層次分析法(AHP)-脆弱性指數(shù)法,通過信息疊加融合對采區(qū)寒灰水進行脆弱性評價。

3.1 主控因素的選取

根據(jù)32采區(qū)水文地質(zhì)條件,本文選取了4個影響二1煤層底板突水的主控因素:①寒灰含水層水壓;②寒灰含水層富水性;③采區(qū)內(nèi)有效隔水層厚度;④采區(qū)內(nèi)斷層規(guī)模指數(shù)。

3.2 各主控因素的量化及專題圖的建立

1) 寒灰含水層富水性。將寒灰含水層抽水試驗資料中的數(shù)據(jù)統(tǒng)一換算為鉆孔直徑為91 mm的標(biāo)準(zhǔn)單位涌水量,用Surfer軟件的插值功能獲取32采區(qū)寒灰含水層的富水性。寒灰水含水層鉆孔抽水試驗見表1.

表1 寒灰水含水層鉆孔抽水試驗

2) 斷層規(guī)模指數(shù)。斷層規(guī)模指數(shù)以二1煤層底板等值線圖為基礎(chǔ)進行統(tǒng)計,按照500 m×500 m的間距在圖上建立單元網(wǎng)格,統(tǒng)計單元網(wǎng)格內(nèi)各斷層的落差與對應(yīng)走向長度,計算其斷層規(guī)模指數(shù),通過提取各單元格的中心點坐標(biāo),最后將所得數(shù)據(jù)進行整理制圖。各主控因素專題圖如圖6所示。

圖6 各主控因素歸一化專題圖

3.3 結(jié)構(gòu)模型的建立

根據(jù)對影響突水各主控因素的分析,將結(jié)構(gòu)模型建立3個層次,二1煤層底板突水脆弱性評價作為模型的目標(biāo)層(A層次),將承壓含水層、底板隔水層和地質(zhì)構(gòu)造作為模型的準(zhǔn)則層(B層次),各個主控因素則為本模型的決策層(C層次)。二1煤層底板突水脆弱性評價模型見圖7.

圖7 二1煤層底板突水脆弱性評價模型

3.4 判斷矩陣的構(gòu)建及權(quán)重計算

通過分析各主控因素對煤層底板突水的影響,結(jié)合專家意見對各主控因素進行兩兩比較并評分,建立判斷矩陣并計算決策層變量(Ci)對目標(biāo)層的權(quán)重(見表2～表4)。

表2 判斷矩陣A～Bi(i=1～3)

表3 判斷矩陣B1～Ci(i=1～2)

表4 影響二1煤層底板寒灰水突水各主控因素權(quán)重

3.5 數(shù)據(jù)歸一化及脆弱性評價

3.5.1 數(shù)據(jù)歸一化

為消除各個主控因素不同量綱對評價結(jié)果產(chǎn)生的影響,需要對各主控因素的量化值進行歸一化處理。本文采用的歸一化處理公式為:

(2)

式中:Yi為歸一化后的數(shù)據(jù);Ss、Sx為歸一化范圍的上限、下限(本文上下限分別采用1和0);min(Xi)、max(Xi)分別為各主控因素量化值的最小值、最大值。

按照以上歸一化方法對各主控因素數(shù)據(jù)進行歸一化處理,建立相應(yīng)的主控因素歸一化專題圖(圖6)。

3.5.2 評價模型的建立

根據(jù)前文得到的各主控因素建立脆弱性評價模型,利用Surfer軟件的數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)疊加耦合分析功能對采區(qū)二1煤層底板突水脆弱性進行評價分區(qū)。32采區(qū)脆弱性評價模型如下:

(3)

式中:VI為脆弱性指數(shù);Wk為各影響因素權(quán)重;fk(x,y)為單因素影響值函數(shù);x,y為坐標(biāo)值;n為影響因素個數(shù)。

3.5.3 煤層底板突水脆弱性評價分區(qū)

根據(jù)脆弱性評價模型(表5),統(tǒng)計評價結(jié)果相關(guān)數(shù)據(jù)并繪制采區(qū)內(nèi)脆弱性指數(shù)頻率分布直方圖(圖7),采用自然分級法確定分區(qū)閾值0.11、0.16、0.21、0.35,根據(jù)所得閾值將采區(qū)劃分為5個區(qū)域(圖8,圖9):

表5 脆弱性指數(shù)分區(qū)

圖8 脆弱性指數(shù)頻率分布直方圖

圖9 二1煤層底板寒灰含水層突水脆弱性分區(qū)圖

根據(jù)評價結(jié)果分區(qū)圖可以看出,脆弱區(qū)集中在采區(qū)內(nèi)虎頭山正斷層的西部,與突水系數(shù)評價結(jié)果所處區(qū)域基本一致。

4 結(jié) 語

1) 通過對以鉆探為主獲得的二1煤層底板等高線圖與三維地震勘探為主獲得的寒灰頂界面等高線圖進行疊加分析,能夠精細刻畫底板隔水層厚度及其分布規(guī)律,進而為二1煤底板突水危險性評價提供更為可靠的數(shù)據(jù)源。

2) 斷層帶由于受兩盤相對運動的影響,使得有效隔水層厚度發(fā)生變化,因此考慮斷層帶與底板破壞深度的綜合影響因素,可以更精細地評價斷層帶附近有效隔水層厚度和發(fā)育規(guī)律,進一步提高了突水系數(shù)和脆弱性指數(shù)評價結(jié)果的精度。

3) 采用突水系數(shù)法和脆弱性指數(shù)法對煤層底板寒灰高承壓水突水危險性的對比,基于三維地震資料對深部高承壓含水層的突水危險性評價結(jié)果具有較強的可靠性,其評價結(jié)果與采區(qū)內(nèi)寒灰水壓、有效隔水層厚度以及斷層發(fā)育情況表現(xiàn)出較高的契合度。