深埋煤層開采頂板泥砂潰涌災(zāi)害多源信息評價(jià)

郭小銘，郭 康，劉英鋒

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；3.陜西省煤礦水害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710077)

西部侏羅系深埋煤層在開采過程中發(fā)生的頂板泥砂潰涌災(zāi)害是近年來出現(xiàn)的新型頂板災(zāi)害類型，其形成機(jī)理是由于煤層頂板泥巖遇水極易砂化，在礦壓影響下，水、砂混合物集中潰入井下。災(zāi)害的形成同時(shí)受到礦井充水條件、煤層頂板巖性及頂板穩(wěn)定性、礦壓顯現(xiàn)特征、地質(zhì)構(gòu)造等多方面影響，是多場、多因素綜合影響的非線性災(zāi)害類型。由于泥砂潰涌災(zāi)害具有突發(fā)性、強(qiáng)動力顯現(xiàn)且災(zāi)害性強(qiáng)的特點(diǎn)，易發(fā)生群死群傷事故，且災(zāi)害一旦發(fā)生救援難度高，人員生存可能性小，其危險(xiǎn)性評價(jià)與災(zāi)害防治是侏羅紀(jì)煤田開發(fā)的一大難題。

近年來，隨著對煤層頂板水砂災(zāi)害研究的逐漸深入，災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)方法也逐漸完善。魏秉亮[1]對發(fā)生在神府礦區(qū)的潰水潰砂災(zāi)害形成機(jī)理進(jìn)行了深入研究，提出含水巖層、水砂流動通道、水砂充填空間和水勢能4 個(gè)因素是災(zāi)害形成的關(guān)鍵，并利用4 個(gè)因素定性評價(jià)了災(zāi)害危險(xiǎn)性；范立民等[2-3]總結(jié)提出潰水潰砂本質(zhì)為水流驅(qū)動砂粒發(fā)生位移，并形成了綜合砂層厚度、富水性、有效隔水層厚度和開采強(qiáng)度4 個(gè)指標(biāo)的危險(xiǎn)性評價(jià)方法，提出了采用降低含水層厚度和減小突水通道的系統(tǒng)防治手段；王子河[4]通過分析松散砂層粒徑分布和微量元素組分，利用砂體液化評價(jià)指標(biāo)判別松散砂層發(fā)生潰水潰砂災(zāi)害的可能性；隋旺華等[5-6]開展了水砂突涌臨界水力坡度試驗(yàn)，認(rèn)為含水層的初始水頭和突砂口張開程度是控制礦井工作面突砂量的關(guān)鍵因素，并提出將孔隙水壓力變化作為潰砂災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)；楊天鴻等[7-8]對該問題進(jìn)行了進(jìn)一步深入研究和分析，揭示了砂體運(yùn)移規(guī)律。在頂板水害危險(xiǎn)性評價(jià)方面，武強(qiáng)等[9]提出將冒裂安全分區(qū)圖和含水層富水性分區(qū)圖進(jìn)行疊加，生成頂板突水危險(xiǎn)性分區(qū)圖，用以評價(jià)頂板含水層突水危險(xiǎn)性，進(jìn)一步考慮了影響含水層富水性的多個(gè)指標(biāo)，建立形成信息融合型含水層富水性評價(jià)方法。整體而言，針對淺埋煤層開采頂板潰水潰砂災(zāi)害評價(jià)和頂板水害危險(xiǎn)性評價(jià)的研究成果較為豐富，但尚無深埋條件下綜合考慮多因素影響的頂板泥砂潰涌災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)方面的研究。由于深埋煤層頂板泥砂潰涌災(zāi)害受到頂板含水層涌水、頂板穩(wěn)定性和礦壓顯現(xiàn)等多方面的影響，是多因素綜合疊加的非線性動力災(zāi)害問題，多因素多場源的形成機(jī)制增加了該類型災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)的難度，單獨(dú)采用水動力條件的傳統(tǒng)評價(jià)方法不再適用。

本文在探討深埋煤層泥砂潰涌災(zāi)害形成機(jī)理的基礎(chǔ)上，總結(jié)災(zāi)害發(fā)生的多方面主要控制因素，利用綜合各因素的信息融合方法對各主控因素進(jìn)行疊加，形成多源信息融合的評價(jià)方法，為該類災(zāi)害發(fā)生的危險(xiǎn)性評價(jià)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

研究區(qū)為陜西省旬耀礦區(qū)照金煤礦，井田無大型斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要受褶皺構(gòu)造和局部裂隙與小斷層影響，主要有NE 向發(fā)育的S1 向斜、F1補(bǔ)斷層、井田西翼(ZF201、ZF202 工作面區(qū)域)共軛節(jié)理帶(圖1)。

圖1 礦井采掘工程平面分布Fig.1 Distribution of construction engineering and tectonic outline

地層由老到新依次發(fā)育有：侏羅系富縣組(J1f)、延安組(J2y)、直羅組(J2z)，白堊系宜君組(K1y)、洛河組(K1l)及第四系(Q)。其中，J2y和J2z均為富水性極弱的相對含水層，而K1l富水性較好。

礦井主采侏羅系4–2煤，煤厚2.40～16.30 m，平均厚度8.28 m。煤層開采過程中主要受頂板侏羅系延安組、直羅組弱富水含水層直接充水和白堊系洛河組含水層滲透性充水影響。ZF202 工作面回采過程中曾發(fā)生嚴(yán)重的泥砂潰涌災(zāi)害，表現(xiàn)為工作面采場頂板大量泥砂集中潰入，泥砂淤積采場及巷道并造成11 人死亡，災(zāi)害發(fā)生區(qū)域典型地層及水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 災(zāi)害發(fā)生工作面綜合柱狀示意圖Fig.2 Synthetical lithological column in the working face with the disaster

2 泥砂潰涌形成機(jī)制及關(guān)鍵因素

2.1 災(zāi)害形成機(jī)制

深埋煤層頂板泥砂潰涌災(zāi)害表現(xiàn)為水、砂(碎石)混合物在短時(shí)間集中潰入井下采掘工作面，在事故前期通常伴隨著壓架、片幫等礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象。通過對事故形成機(jī)理深入研究，查明了災(zāi)害發(fā)生的主要水源、物源和動力條件。

a.水源：煤層頂板白堊系洛河組含水層水；

b.物源：煤層頂板厚層泥巖、粉砂質(zhì)泥巖；

c.動力條件：頂板關(guān)鍵層復(fù)合斷裂造成礦壓顯現(xiàn)；

d.照金煤礦深埋煤層頂板泥砂潰涌災(zāi)害的形成機(jī)理：煤層綜放開采導(dǎo)致泥巖直接頂板超前斷裂，并導(dǎo)通洛河組含水層，滯采條件下含水層水進(jìn)入泥巖地層并長期浸泡，使其泥化崩解形成泥流體，采場來壓造成頂板泥巖失穩(wěn)及采場壓架，使泥流體沿切頂通道集中潰入井下(圖3)[11]。該災(zāi)害與淺埋薄基巖潰水潰砂災(zāi)害的初始條件、動力條件、通道、水源和物源基礎(chǔ)均不相同，需深入研究其致災(zāi)因素作為危險(xiǎn)性評價(jià)的主控因素。

圖3 泥砂潰涌災(zāi)害形成機(jī)理示意圖Fig.3 Schematic diagram of the formation mechanism of mud and sand inrush

2.2 致災(zāi)主控因素分析

通過工作面開采情況、地質(zhì)條件等因素分析，結(jié)合災(zāi)害發(fā)生的水源、物源和通道分析成果，研究泥砂潰涌災(zāi)害發(fā)生的主要致災(zāi)因素。

a.煤層上覆含(隔)水層

研究區(qū)煤層上覆含水層主要有直羅組砂巖含水層、洛河組砂巖含水層。其中，直羅組含水層單位涌水量為0.000 166～0.000 418 1 L/(s·m)，屬于富水性極弱含水層，對災(zāi)害發(fā)生無顯著影響；洛河組含水層是區(qū)域內(nèi)主要富水層位，也是煤層開采的主要充水含水層。泥砂潰涌災(zāi)害發(fā)生水源分析成果表明，ZF202 工作面“4·25”事故的潰水水源中，洛河組含水層水占主要地位。由此可知，洛河組含水層富水性和含水層受裂隙帶影響程度對下部泥巖砂化有決定性影響。富水性越強(qiáng)，與煤層間距越小，會使工作面充水強(qiáng)度越高[12]，災(zāi)害發(fā)生的危險(xiǎn)性越大。因此，洛河組含水層富水性、含水層與煤層間距是致災(zāi)主要因素。

宜君組地層位于洛河組下部，巖性以致密礫巖為主。該層礫巖孔隙率低(n=2.27%)，巖層強(qiáng)度高，破碎后易形成砌體梁結(jié)構(gòu)而保持一定的穩(wěn)定性，對阻隔砂巖含水層水進(jìn)入采場有一定作用。因此，宜君組礫巖地層可保持整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有阻隔水作用，對災(zāi)害發(fā)生起抑制作用。宜君組礫巖層厚度是抑制災(zāi)害發(fā)生的主要因素之一。

b.煤層上覆雜色泥巖地層

侏羅紀(jì)地層沉積相以辮狀河三角洲平原相為主[13]，同時(shí)，在分流間灣泥巖上部發(fā)育決口扇砂體，在沉積過程中由于氣候干旱、水體動蕩，加之沉積后可能存在的巖層風(fēng)化、構(gòu)造運(yùn)動以及風(fēng)化淋濾等綜合影響，使直羅組底部和延安組上部泥巖地層中伊利石和蒙脫石含量較高，具有易風(fēng)化、遇水膨脹、崩解性強(qiáng)等特點(diǎn)，回采過程中極易受到破壞，并發(fā)生大規(guī)模冒落。煤層頂板厚層泥巖是泥砂潰涌災(zāi)害的主要物質(zhì)，是災(zāi)害發(fā)生的主要物源基礎(chǔ)。對泥巖力學(xué)性質(zhì)、崩解性和膨脹性分析成果表明，泥巖彈性模量、剪切模量均較小，力學(xué)強(qiáng)度極低，遇水后膨脹力大、膨脹性好、結(jié)構(gòu)松散。因此，煤層上覆松散泥巖厚度是影響致災(zāi)的最主要因素。

煤層頂板泥巖地層遇水穩(wěn)定性差，當(dāng)煤層與泥巖間存在一定厚度的砂巖地層時(shí)，可以有效緩解推采過程中泥巖塑性變形而造成的壓架現(xiàn)象，從而減弱壓架、切頂?shù)目赡苄?。因此，煤層到泥巖之間砂巖地層厚度是抑制致災(zāi)發(fā)生的主要因素之一。

c.地質(zhì)構(gòu)造

黃隴煤田斷裂構(gòu)造主要包括褶皺、斷層和節(jié)理裂隙，部分區(qū)域出現(xiàn)古隆起、沖刷帶等沉積構(gòu)造。

斷層和節(jié)理結(jié)構(gòu)面破壞了巖體本身的完整性，是頂板巖層薄弱區(qū)和水流的優(yōu)先通道。同時(shí)，構(gòu)造對工作面回采過程中基本頂巖層滑落失穩(wěn)有極大的促進(jìn)作用[14]。因此，斷裂構(gòu)造發(fā)育是造成頂板巖層失穩(wěn)并造成壓架的主要誘因之一。

井田范圍內(nèi)地層主要受到NE 向發(fā)育的S1 寬緩向斜控制，局部小向斜發(fā)育不明顯。向斜核部地層擠壓形成局部裂隙與應(yīng)力集中，使得煤層開采過程中更容易發(fā)生基本頂復(fù)合斷裂、失穩(wěn)，造成工作面壓架。同時(shí)，向斜軸部洛河組含水層厚度大，易造成局部富水現(xiàn)象。因此，向斜構(gòu)造的存在對于工作面壓架、含水層富水性增強(qiáng)均有促進(jìn)作用，是致災(zāi)的主要促進(jìn)因素之一。

d.工作面開采

工作面開采影響是造成照金煤礦泥砂潰涌災(zāi)害的直接誘發(fā)因素。煤層回采形成采掘空間，破壞了地層的原始應(yīng)力平衡，造成煤層頂板巖層破壞并形成導(dǎo)水裂隙帶[15]，導(dǎo)通頂板含水層。直接頂垮落與基本頂破斷造成采場礦壓顯現(xiàn)，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生切頂、壓架等現(xiàn)象，影響工作面礦壓顯現(xiàn)的主要因素包含：頂板巖層破斷形式、煤層采厚及開采方式、工作面推采速度、煤柱與周邊采空區(qū)、斷裂構(gòu)造發(fā)育等[16]。

由于開采方式、推采速度及采空區(qū)等主觀因素受實(shí)際回采過程影響，無法客觀定量化表述。本次僅選取開采厚度指標(biāo)作為影響開采因素的主控因素。

綜合分析各致災(zāi)因素，確定影響深埋煤層泥砂潰涌災(zāi)害的主控因素如下：洛河組含水層富水性、煤層到洛河組含水層距離、宜君組礫巖厚度、煤層上覆雜色泥巖厚度、煤層到雜色泥巖距離、單位面積斷層密度、褶皺構(gòu)造分布、煤層開采厚度。

3 泥砂潰涌危險(xiǎn)性評價(jià)模型

3.1 數(shù)學(xué)模型建立

3.1.1 主控因素權(quán)重確定

根據(jù)影響泥砂潰涌危險(xiǎn)性的主要控制因素分析，將研究對象劃分為4 個(gè)層次：泥砂潰涌危險(xiǎn)性評價(jià)作為模型的目標(biāo)層(A 層次)；含水層(B1)、雜色泥巖(B2)、構(gòu)造發(fā)育(B3)、開采條件(B4)4 個(gè)方面影響泥砂潰涌災(zāi)害發(fā)生的可能性，為模型的準(zhǔn)則層(B層次)；各主控因素指標(biāo)構(gòu)成了本模型的決策層(C層次)，通過對該層次問題的決策，最終達(dá)到所要求解的目標(biāo)[17]，結(jié)構(gòu)分析模型如圖4 所示。

圖4 泥砂潰涌災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)結(jié)構(gòu)模型Fig.4 Structural model for risk assessment of mud and sand inrush

運(yùn)用標(biāo)度評分方法判識各主控因素對災(zāi)害發(fā)生的影響程度，對各主控因素進(jìn)行評分。打分標(biāo)準(zhǔn)主要是依照1～9 標(biāo)度法[18]，構(gòu)建泥砂潰涌災(zāi)害危險(xiǎn)性AHP 評價(jià)的判斷矩陣。計(jì)算表明，各判別矩陣均符合計(jì)算指標(biāo)要求，可用于計(jì)算總目標(biāo)權(quán)重。

各指標(biāo)Ci對準(zhǔn)則層B 的綜合權(quán)重計(jì)算結(jié)果分別為0.161(B1)、0.425(B2)、0.270(B3)、0.144(B4)；綜合權(quán)重Wi為各指標(biāo)Ci對總目標(biāo)A 的權(quán)重，計(jì)算結(jié)果見表1 所示。

3.1.2 主控因素指標(biāo)數(shù)據(jù)歸一化

為了消除主控因素不同量綱數(shù)據(jù)對評價(jià)結(jié)果的影響，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。采用線性分布的歸一化方法，對于正向影響的主控因素，采用式(1)進(jìn)行正向歸一化，負(fù)向影響的采用式(2)進(jìn)行處理[19]。

式中Xi為歸一化處理后的數(shù)據(jù)；a、b分別為歸一化范圍的下限和上限，本文取0 和1；xi,min，xi,max分別為各主控因素量化值的最小值和最大值；xi為各主控因素量化值。

表1 各指標(biāo)對總目標(biāo)的權(quán)重Table 1 Weights of different indicators to the overall goal

3.1.3 評價(jià)模型的建立

建立表明各影響因素作用的數(shù)學(xué)模型，其計(jì)算值能反映出某一地理位置發(fā)生災(zāi)害的危險(xiǎn)程度。為此引入危險(xiǎn)指數(shù)VI(Vulnerability Index)對災(zāi)害危險(xiǎn)性進(jìn)行評價(jià)，其表示某一柵格位置上各種影響因素對其產(chǎn)生的疊加影響總和[20]，模型表達(dá)式如式(3)。

式中 VI 為危險(xiǎn)指數(shù)；Wi為影響因素權(quán)重；fi(x,y)為單因素影響值函數(shù)；x、y為計(jì)算柵格的地理坐標(biāo)；n為影響因素的個(gè)數(shù)。

通過AHP 方法確定的各影響因素權(quán)重值(表1)，由此得出照金煤礦頂板泥砂潰涌災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)模型為：

該數(shù)學(xué)模型可用于計(jì)算空間范圍內(nèi)每一柵格位置泥砂潰涌災(zāi)害發(fā)生的危險(xiǎn)性。

3.2 主控因素柵格化賦值

將照金煤礦全井田共剖分為200 列100 行的均勻柵格，每個(gè)柵格面積約50 m2，繪制各主控因素專題圖，并對柵格賦值。

洛河組含水層富水性指標(biāo)選擇井田范圍內(nèi)抽水試驗(yàn)得到的單位涌水量值[21]，煤層到洛河組含水層距離、宜君組礫巖厚度、煤層上覆雜色泥巖厚度、煤層到雜色泥巖距離、煤層開采厚度均采用實(shí)際厚度和間距數(shù)值，分別繪制各主控因素專題圖，并將專題圖繪制的插值數(shù)據(jù)賦值到柵格中(圖5—圖10)。

以100 m×100 m 網(wǎng)格剖分整個(gè)井田，統(tǒng)計(jì)得出剖分網(wǎng)格內(nèi)斷層條數(shù)，以網(wǎng)格中心點(diǎn)為坐標(biāo)、斷層條數(shù)為數(shù)值繪制斷層密度等值線(圖11)。沿S1 褶皺軸分布繪制褶皺分布圖，并對其數(shù)值化處理(圖12)。

3.3 危險(xiǎn)性評價(jià)分區(qū)

圖5 洛河組含水層富水性專題圖(單位：L/(m·s))Fig.5 Thematic map of water yield property of Luohe Formation

圖6 煤層到洛河組間距專題圖(單位：m)Fig.6 Thematic map of the distance between the coal seam and Luohe Formation

圖7 宜君組礫巖厚度專題圖(單位：m)Fig.7 Thematic map of the thickness of conglomerate of Yijun Formation

圖8 雜色泥巖厚度專題圖(單位：m)Fig.8 Thematic map of the thickness of the variegated mudstone formation

圖9 煤層到泥巖間距專題圖(單位：m)Fig.9 Thematic map of the distance between the coal seam and the variegated mudstone Formation

圖10 煤層開采厚度專題圖(單位：m)Fig.10 Thematic map of thickness of coal seam

圖11 斷裂構(gòu)造密度專題圖(單位：條/10 000 m2)Fig.11 Thematic map of fracture structure density

圖12 褶皺分布專題圖Fig.12 Thematic map of fold distribution

采用式(1)和式(2)提出的數(shù)據(jù)歸一化方法，將各主控因素專題圖中各柵格數(shù)值進(jìn)行歸一化處理。利用信息融合方法，將歸一化后的各柵格數(shù)值進(jìn)行疊加，使其賦值到統(tǒng)一的柵格剖分文件中。運(yùn)用危險(xiǎn)指數(shù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算各柵格的危險(xiǎn)指數(shù)，形成危險(xiǎn)指數(shù)分區(qū)，由此對照金煤礦發(fā)生泥砂潰涌災(zāi)害危險(xiǎn)性進(jìn)行評價(jià)(圖13)。

圖13 中紅色部分為危險(xiǎn)指數(shù)大于0.5 的區(qū)域，最大值位于ZF202 工作面，可達(dá)0.66。巷道掘進(jìn)資料表明，該區(qū)域斷裂構(gòu)造密度較大，向斜構(gòu)造發(fā)育，泥巖厚度大且直接覆蓋于煤層頂板之上，成為井田范圍內(nèi)發(fā)生該類型災(zāi)害危險(xiǎn)最高的地區(qū)。

圖13 照金煤礦泥砂潰涌災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)Fig.13 Risk zoning of mud and sand inrush in Zhaojin coal mine

圖13 中黃色和黃綠色區(qū)域分布于紅色區(qū)域兩側(cè)，覆蓋二采區(qū)大部分地區(qū)，該區(qū)危險(xiǎn)指數(shù)達(dá)0.4以上。區(qū)域內(nèi)煤層上覆泥巖厚度較大且多數(shù)直接覆蓋于煤層頂板，同時(shí)，該區(qū)域煤層到洛河組間距相對較小，煤層開采易受到含水層充水影響。區(qū)內(nèi)局部已采工作面未發(fā)生該類事故，但部分工作面出現(xiàn)明顯的涌水特征。因此，此區(qū)域仍需加強(qiáng)防范。

圖13 中綠色區(qū)域?yàn)槲ｋU(xiǎn)指數(shù)介于0.3～0.4 的地區(qū)，該區(qū)由于煤層采厚小，開采強(qiáng)度低，導(dǎo)水裂縫帶波及洛河組含水層程度相對較低。區(qū)內(nèi)已采工作面相對較多且未發(fā)生該類事故，其主要原因?yàn)橐徊蓞^(qū)工作面煤層與泥巖間距較大。位于二采區(qū)范圍內(nèi)的綠色區(qū)域由于煤層上覆泥巖厚度大、泥巖到煤層距離小，回采過程中仍存在該類事故風(fēng)險(xiǎn)。但由于二采區(qū)綠色區(qū)域煤層采厚多數(shù)較小，開采強(qiáng)度較低，可在一定程度上減小該類事故發(fā)生的危險(xiǎn)性。

4 結(jié)論

a.提出深埋煤層開采頂板泥砂潰涌災(zāi)害4 方面8 個(gè)主控因素：洛河組含水層富水性、煤層到洛河組含水層距離、宜君組礫巖厚度、煤層上覆雜色泥巖厚度、煤層到雜色泥巖距離、單位面積斷層密度、褶皺構(gòu)造分布和煤層開采厚度。

b.引入危險(xiǎn)指數(shù)評價(jià)指標(biāo)，利用AHP 線性權(quán)重標(biāo)定方法確定主控因素權(quán)重，并進(jìn)行專題圖疊加，建立照金煤礦開采泥砂潰涌災(zāi)害發(fā)生危險(xiǎn)性評價(jià)模型，并通過多源信息融合技術(shù)得出照金井田泥砂潰涌災(zāi)害危險(xiǎn)指數(shù)。

c.計(jì)算評價(jià)結(jié)果表明，照金井田由東向西泥砂潰涌災(zāi)害發(fā)生危險(xiǎn)性逐漸增加，最西部ZF202 工作面位置危險(xiǎn)指數(shù)達(dá)到0.5 以上，是全井田危險(xiǎn)性最高區(qū)域。