綜放開采條件下煤層頂板涌(突)水危險性評價

孫 魁，夏玉成，李 成，陳建平，方 剛

(1.西安科技大學 地質(zhì)與環(huán)境學院，陜西 西安 710054；2.陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站 礦山地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)機理與防控重點實驗室，陜西 西安 710054；3.中國煤炭科工集團 西安研究院有限公司，陜西 西安 710054)

0 引 言

厚煤層綜放開采條件下，頂板覆巖破壞強烈，如果對頂板含水層分布及發(fā)育特征認識不足，往往會造成嚴重的頂板水害事故和水資源滲漏[1-6]。由于頂板突水事故水源多樣，征兆不明顯，突水量大，危害嚴重，因此，有效地評價煤層頂板水害危險性，針對性地圈定頂板突水危險區(qū)，對煤礦頂板水害預(yù)測及防治具有十分重要的指導(dǎo)意義。

在頂板水害預(yù)測方面，不少學者采用數(shù)值模擬計算和統(tǒng)計分析等方法，研究和量化目標含水層富水性、導(dǎo)水裂隙帶高度以及地下水滲流特征等礦井突水因素。武強等提出了基于AHP的“三圖-雙預(yù)測”方法，并借助三維數(shù)值模型，從頂板冒裂程度和含水層富水性2個方面對煤層頂板含水層突水危險性進行了評價[7-11]。李坤、張小明、杜偉升等在“三圖”理論分析的基礎(chǔ)上，建立了基于GIS與AHP綜合分析法的煤層頂?shù)装逯聻?zāi)含水層富水性指數(shù)模型[12-14]。任曉波等對傳統(tǒng)的“三圖-雙預(yù)測法”進行了改進和修正，并在具體的礦井頂板涌(突)水危險性評價中，取得了較好的應(yīng)用效果[15]。范立民等研究了突水潰砂機理，并采用基于GIS的多信息融合方法，對陜北神府礦區(qū)突水潰沙危險性進行了綜合分區(qū)[16]。王生全等運用層次分析法，對青龍寺煤礦5-2煤層頂板含水層突水危險性進行了評價[17]。賀曉浪等采用層次分析、模糊聚類等方法，提出了陜北毛烏素沙漠區(qū)潛水含水層富水性評價模型[18]。馬雄德等將煤層賦存特征和開采條件作為頂板突水危險性分區(qū)評價的2大因素[19]。代革聯(lián)等從頂板砂巖物質(zhì)組成、孔隙特征、滲流特征、富水性等方面對頂板含水層涌(突)水危險性進行評價[20]。張海榮等在缺少煤層頂板水文地質(zhì)信息且無法判明突水規(guī)律的情況下，嘗試采用GIS復(fù)合分析的方法對煤層頂板水害進行評價預(yù)測，并取得了良好的實際應(yīng)用效果[21]。以上不同學者從不同角度研究了煤層頂板突水危險性的評價預(yù)測方法。筆者在前人研究成果的基礎(chǔ)上，以陜西焦坪礦區(qū)某井田為例，在分析水文地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，對頂板水害致災(zāi)水源進行了判定，從含水層富水性、離層發(fā)育危險性和冒裂安全性3個方面進行綜合分析，對煤層頂板涌(突)水危險性進行了分區(qū)評價，為煤礦頂板水害防治提供理論支持。

1 水文地質(zhì)特征

井田位于陜西焦坪礦區(qū)南部，礦井主采4-2號煤層，厚度0～31.53 m.煤層頂板主要含水層自下而上分別為侏羅系中下統(tǒng)直羅-延安組砂巖裂隙含水層、白堊系下統(tǒng)洛河組下段砂巖裂隙潛水含水層、白堊系下統(tǒng)洛河組上段砂巖裂隙潛水含水層、白堊系下統(tǒng)華池-環(huán)河組砂巖裂隙潛水含水層、第四系含泥質(zhì)砂卵石潛水含水層。

井田東部一盤區(qū)4-2煤層平均采厚約12 m，綜采采煤工藝，全部垮落法管理頂板。在一盤區(qū)中部1412，1418工作面回采時，水害事故頻發(fā)，共發(fā)生過9次突水(表1)，頂板水害已經(jīng)嚴重威脅了礦井的安全生產(chǎn)。

1)突水量大，周期短。2010年12月至2013年5月發(fā)生過9次頂板突水突事故，最大礦井涌水量249～2 000 m3/h，涌水量較大。每次突水的時間間隔一般為60 d；

2)突水水源穩(wěn)定。根據(jù)井下突水點所取水樣的水質(zhì)檢測結(jié)果，致災(zāi)水源為洛河組下段砂巖裂隙潛水含水層和直羅-延安組砂巖裂隙潛水含水層；

3)突水點位置較為集中。1412，1418兩工作面9次突水點的位置較為集中，距離間隔一般為160 m.

綜上分析可知，礦井突水量大小、突水次數(shù)、突水水源穩(wěn)定性和突水點位置分布等，均具有典型離層突水的特點。

表1 1412，1418工作面突水情況

2 礦井涌(突)水水源

為了更加準確的判別頂板水害致災(zāi)水源，筆者從水質(zhì)化驗結(jié)果和導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度2個方面分別進行分析。

2.1 水質(zhì)分析

根據(jù)井下采集水樣的水質(zhì)化驗結(jié)果，繪制水質(zhì)Piper三線圖(圖1)，根據(jù)主要陰陽離子分布位置的差異，可以直觀的反映出各水樣點水化學類型的差異。

圖1 地下水水質(zhì)Piper三線Fig.1 Piper diagram of groundwater quality

由圖1可知，5個水樣點均位于菱形右下方，礦井涌(突)水水源的水質(zhì)類型相似，為HCO3Na+K型，此類水質(zhì)一般為深層封閉滯流型的砂巖裂隙水，說明突水水源單一且相對穩(wěn)定。

表2 地下水化學特征

2.2 導(dǎo)水裂隙帶

通過上述水質(zhì)分析結(jié)果，可以明確的判定出頂板突水的水源穩(wěn)定，為上部砂巖裂隙含水層水。為了更加準確具體的判別致災(zāi)水源的層位，要對導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度進行分析。根據(jù)文獻[22-23]中的計算機數(shù)值模擬結(jié)果和礦方實際的探測資料，導(dǎo)水裂隙帶高度與煤層采厚的比值約為19.5，導(dǎo)通至白堊系下統(tǒng)洛河組下段砂巖裂隙潛水含水層。由此可知，礦井致災(zāi)含水層為侏羅系中下統(tǒng)直羅-延安組砂巖裂隙潛水含水層和白堊系下統(tǒng)洛河組下段砂巖裂隙潛水含水層。由于前者直羅-延安組含水層厚度相對較小，富水性較弱，水量有限，對礦井涌水量的影響不大。而后者洛河砂巖潛水含水層為河流相沉積，富水性好，存在局部富水區(qū)，且以凈儲量為主，是礦井突水的主要充水水源。

通過上述水質(zhì)分析和導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通層位的分析結(jié)果可知，礦井突水水源穩(wěn)定，主要來自白堊系下統(tǒng)洛河組下段砂巖裂隙潛水含水層。

3 涌(突)水危險性評價

充水水源和充水通道是煤礦頂板涌(突)水的2大必要條件。由前述分析可知，充水水源主要是白堊系下統(tǒng)洛河組下段砂巖裂隙潛水含水層，同時，根據(jù)一盤區(qū)工作面突水特征分析結(jié)果和文獻[22-23]的研究成果，該礦井還存在明顯的離層突水特征。能夠引起礦井較大涌水，甚至導(dǎo)致離層水害事故的可致災(zāi)離層空間主要發(fā)育在宜君組粗礫巖和下位直羅組頂部泥巖之間(圖2)。

對于充水通道，該礦井地質(zhì)構(gòu)造相對簡單，未發(fā)現(xiàn)大型的導(dǎo)水構(gòu)造，因此可以判定采動引起的導(dǎo)水裂隙帶是煤層頂板涌(突)水的主要充水通道。文中通過對洛河組下段砂巖裂隙含水層富水性、離層發(fā)育危險性、冒裂安全性分別進行評價分區(qū)，并將3個分區(qū)結(jié)果進行疊加分析，對頂板涌(突)水危險性進行綜合性評價。

圖2 4-2煤層頂板之上地層柱狀Fig.2 Columnar strata above the roof of 4-2 coal seam

3.1 主控因素富水性

文中選取洛河組下段砂巖裂隙潛水含水層的厚度、巖芯采取率、沖洗液漏失量、單位涌水量和滲透系數(shù)5個主控因素，根據(jù)井田勘探時期鉆孔數(shù)據(jù)，分別做出專題圖。采用G1-變異系數(shù)法對各主控因素進行賦權(quán)，構(gòu)建評價目標含水層富水性大小的綜合指數(shù)，即富水性指數(shù)，然后進行綜合性評價分區(qū)。

3.1.1 主控因素的建立

1)含水層厚度。通常情況下，若其它因素一定，含水層越厚，則含水量越大，富水性就越好。根據(jù)井田內(nèi)洛河組下段砂巖裂隙含水層厚度統(tǒng)計數(shù)據(jù)繪制出含水層厚度等值線圖(圖3(a))；

2)巖芯采取率。通常情況下，巖芯采取率越低，說明巖層較為破碎，裂隙較發(fā)育，儲水能力和導(dǎo)水能力越好，富水性越強。根據(jù)巖芯采取率繪制等值線圖(圖3(b))；

3)沖洗液漏失量。一般情況下，沖洗液漏失量越大，說明巖層的孔隙性越好，富水性越強。根據(jù)沖洗液漏失量繪制等值線圖(圖3(c))；

4)單位涌水量。是直觀反映含水層富水性的重要參數(shù)，單位涌水量越大，含水層富水性及其與其他含水層的相互補給關(guān)系就越好。根據(jù)井田內(nèi)水文鉆孔的抽水實驗結(jié)果，繪制等值線圖(圖3(d))；

5)滲透系數(shù)。是反映巖土體滲透能力的重要參數(shù)。滲透系數(shù)越大，說明巖土體的滲透能力越強，富水性也越強。根據(jù)井田內(nèi)水文鉆孔的抽水試驗結(jié)果，繪制等值線圖(圖3(e))。

圖3 各主控因素等值線Fig.3 Contours of main control factors

3.1.2 權(quán)重確定

1)GI法確定權(quán)重。GI法是一種通過確定評價指標的序關(guān)系和相鄰指標之間的重要程度來進行賦權(quán)的方法。其步驟如下

第一步：確定各指標的順序關(guān)系。

(1)

表3 rk取值及說明

(2)

(3)

2)變異系數(shù)法確定權(quán)重。變異系數(shù)法是一種客觀性賦權(quán)法。具體的計算步驟如下

第一步：計算變異系數(shù)

利用式(4)算出各指標的變異系數(shù)。

(4)

第二步：計算權(quán)重系數(shù)

利用式(5)即可算出各項指標的權(quán)重系數(shù)。

(5)

式中vk為第k項指標的變異系數(shù)；wk為第k項指標的權(quán)重系數(shù)；m為指標個數(shù)。

3)綜合權(quán)重的確定。利用式(6)將GI法、變異系數(shù)法所得到的權(quán)重值進行融合，即可得出基于GI-變異系數(shù)法的綜合權(quán)重系數(shù)。

wk=βwkg+(1-β)wkb

(6)

式中wk為第k項指標的綜合權(quán)重系數(shù)；wkg為第k項指標的G1權(quán)重系數(shù)；wkb為第k項指標的變異系數(shù)法權(quán)重系數(shù)；β為偏好系數(shù)，取0.5.

即wk=0.5wkg+0.5wkb

(7)

3.1.3 權(quán)重計算

選取前述5個主控因素，構(gòu)建洛河組下段砂巖裂隙含水層富水性評價指標體系(表4)。

表4 富水性的指標體系

1)權(quán)重計算。根據(jù)前述方法介紹，采用G1法權(quán)重計算結(jié)果見表5，變異系數(shù)法權(quán)重計算結(jié)果見表6，綜合權(quán)重的計算結(jié)果見表7.

表5 基于G1法的各指標權(quán)重值

表6 基于變異系數(shù)法的各指標權(quán)重值

表7 基于G1-變異系數(shù)法的各指標權(quán)重值

2)無量綱化處理。對富水性具有正相關(guān)影響的指標數(shù)據(jù)，采用公式(8)進行無量綱化處理，對富水性具有負相關(guān)影響的指標數(shù)據(jù)，采用公式(9)進行無量綱化處理。

(8)

(9)

式中 maxx為x指標的最大值；minx為x指標的最小值；xi為x指標中第i個指標的具體數(shù)值；Xi，Yi分別為歸一化后的屬性值。

3.1.4 富水性評價分區(qū)

對影響含水層富水性的各主控因素，進行無量綱化處理后，利用G1法-變異系數(shù)法綜合確定的各主控因素權(quán)重系數(shù)，將反映洛河組下段砂巖裂隙含水層富水性的5個指標，利用式(10)進行組合后，作為評價含水層富水性的綜合指數(shù)，得到基于綜合賦權(quán)的富水性評價分區(qū)圖(圖4)，其中富水性指數(shù)0.05～0.15為弱富水區(qū)，0.15～0.35為中等富水區(qū)，0.35～0.55為較強富水區(qū)，0.55～0.83為強富水區(qū)。

(10)

D=0.216 4f1(x,y)+0.284 4f2(x,y)+0.270 6f3(x,y)+0.146 3f4(x,y)+0.082 4f5(x,y)

式中D為富水性指數(shù)；Wk為各控制因素的權(quán)重值；fk(x，y)為單因素影響值函數(shù)；x，y為坐標；n為影響因素的個數(shù)。

圖4 含水層富水性分區(qū)Fig.4 Zoning of aquifer water yield capacity

3.2 離層發(fā)育危險性

該礦煤層綜放開采條件下覆巖存在離層發(fā)育特征，離層水是礦井突水的重要水源。研究表明煤層上部巖層中可致災(zāi)的“空腔型”離層空間發(fā)育在宜君組粗礫巖和直羅組頂部泥巖之間，而直羅組地層與上覆宜君組不整合接觸，直羅組頂部砂泥巖分布存在不均一性(圖5)。當直羅組頂板巖性為泥巖時，與上覆較硬的宜君組粗礫巖發(fā)生不均勻沉降，容易產(chǎn)生較大離層空間，且該層泥巖平均厚度12 m，在離層空間接受上覆洛河組含水層補給后，遇水膨脹，裂縫彌合，容易形成封閉含水空間，發(fā)生離層突水危險性大。而砂巖分布區(qū)，砂巖硬度大，與上位宜君組粗礫巖之間不容易形成體積較大的離層空間，且砂巖擾動后裂隙難以自動彌合，因此不具備形成封閉離層空間的基本條件，可視為安全區(qū)(圖6)。

圖5 直羅組頂板砂泥巖分布圖Fig.5 Distribution of sand and mudstone in roof of Zhiluo Formation

圖6 離層發(fā)育危險性分區(qū)Fig.6 Risk zoning of separation layer development

3.3 冒裂安全性

導(dǎo)水裂隙帶作為導(dǎo)水通道，其發(fā)育高度是決定能否突水的關(guān)鍵因素[24-25]。用導(dǎo)水裂隙帶突破洛河組底界高度作為評價頂板冒裂安全性的定量指標，對井田冒裂安全性進行分區(qū)。

通過導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的數(shù)值模擬計算結(jié)果和礦井實測結(jié)果，裂采比約19.5.根據(jù)裂采比對全井田導(dǎo)水裂隙帶高度進行預(yù)測，圈定突破白堊系下統(tǒng)洛河組下段含水層范圍(圖7)。其中，突破區(qū)域視為冒裂危險區(qū)，未突破區(qū)域視為安全區(qū)(圖8)。

圖7 導(dǎo)水裂隙帶突破洛河組底界高度分區(qū)Fig.7 Zoning of water breakthrough zone breaking through the bottom boundary of Luohe Formation

圖8 頂板冒裂安全性分區(qū)Fig.8 Safety zoning of roof crack

3.4 評價結(jié)果

將得到的含水層富水性、離層發(fā)育危險性和冒裂安全性的分區(qū)圖進行融合，對整個井田的煤層頂板涌(突)水危險性進行評價。不同評價區(qū)劃分標準不同，文中根據(jù)該礦實際情況，采用表8分區(qū)標準進行評價分區(qū)。根據(jù)疊加分析結(jié)果，煤層頂板涌(突)水危險性可分為8個區(qū)。分別為：相對安全區(qū)、離層突水較安全區(qū)、離層突水中等危險區(qū)、離層突水危險區(qū)、頂板含水層突水較安全區(qū)、頂板含水層突水中等危險區(qū)、頂板含水層突水較危險區(qū)、頂板含水層突水危險區(qū)(圖9)。

表8 涌(突)水危險性分區(qū)標準

從圖9可以看出，存在頂板突水危險的區(qū)域主要分布在井田的中部和西部，其中一、二盤區(qū)由于煤層采厚大，導(dǎo)水裂隙帶突破洛河組底界的區(qū)域大，頂板涌(突)水危險性最大，且局部存在離層強突水區(qū)，對礦井安全生產(chǎn)威脅較大，該情況在一盤區(qū)實際回采過程中也得到了證實。井田三、四盤區(qū)主要為涌(突)水中等危險區(qū)，對礦井安全生產(chǎn)威脅相對較小。位于井田東北部的五盤區(qū)，大部分區(qū)域為相對安全區(qū)，局部存在含水層突水中等危險區(qū)，對礦井安全生產(chǎn)威脅不大。

圖9 煤層底板涌(突)水危險性分區(qū)Fig.9 Zoning of roof water inflow(inrush)risk of coal seam

4 結(jié) 論

1)采用水質(zhì)分析與導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度分析相結(jié)合的方法，判定煤層頂板涌(突)水的主要致災(zāi)水源為白堊系下統(tǒng)洛河組下段砂巖裂隙潛水含水層。煤層頂板可致災(zāi)離層空間發(fā)育在宜君組粗礫巖和直羅組頂部泥巖之間。

2)通過含水層富水性分區(qū)圖、離層發(fā)育危險性分區(qū)圖和頂板冒裂安全性分區(qū)圖的復(fù)合疊加分析結(jié)果，礦井涌(突)水危險區(qū)主要分布在井田中部和西部，其中，中部一、二盤區(qū)礦井涌(突)水危險性最大，且存在局部強離層突水區(qū)。井田東北部和西南部礦井涌(突)水危險性小，大部分為相對安全區(qū)。