用脆弱性指數(shù)法評價屯蘭礦8號煤奧灰突水

李文生

(西山煤電(集團) 公司 地質(zhì)處，山西 太原 030053)

西山煤電(集團)公司屯蘭礦為一座現(xiàn)代化的特大型礦井，設(shè)計生產(chǎn)能力400 萬t/a，井田下組煤全部為帶奧灰水壓開采，存在奧灰突水危險。

1 下組煤底板突水的主控因素分析

1.1 煤層底板的充水含水層

屯蘭礦8號煤底板充水含水層為奧陶系峰峰組含水層，分為上下兩段，上段平均厚42 m，富水性局部較強;下段平均厚79.76 m，可視為穩(wěn)定的隔水層。峰峰組含水層對煤層開采的威脅體現(xiàn)在兩方面:一是承壓含水層水壓大小，二是承壓含水層富水性強弱?；谝陨戏治?，確定奧陶系峰峰組灰?guī)r含水層的水壓和富水性是影響屯蘭礦底板奧灰突水的兩個主控因素。

1.2 煤層底板等效隔水層與關(guān)鍵層

根據(jù)壓水試驗資料，將不同巖層組成的巖組厚度換算為相當(dāng)于砂巖強度的等效厚度，同時除去礦壓破壞帶范圍內(nèi)的那一部分隔水層，作為抵抗煤層底板突水的等效隔水層厚度。

底板采動破壞帶以下及含水層以上承載能力最大的一層巖層，被稱為底板關(guān)鍵層。屯蘭礦8號煤下發(fā)育一段平均厚27 m的砂巖，這段砂巖的上部為泥巖和砂巖互層，下部為本溪組灰?guī)r泥巖互層和山西式鐵礦，屬于典型的軟—硬—軟巖層組合，在防止底板突水過程中起關(guān)鍵作用，所以，它被定為防止底板突水的關(guān)鍵層。

1.3 煤層底板地質(zhì)構(gòu)造

屯蘭井田大的褶曲不甚發(fā)育，中大型褶曲(幅度＞30 m，長度＞1 000 m)只有3 條，但斷層較多，共160 條(不含邊界斷層)，其中控制性大斷層均屬高角度正斷層。這些斷層和褶皺產(chǎn)生的裂隙結(jié)構(gòu)面是承壓水從煤層底板突出的薄弱面，易成為導(dǎo)水通道;褶皺和斷層在立體空間形成的尖滅點和交叉點，巖體裂隙發(fā)育，導(dǎo)水性能好。同時，屯蘭礦陷落柱發(fā)育，成為重要導(dǎo)水通道。

1.4 礦壓破壞帶深度

礦壓破壞一般會造成兩方面的影響:一方面，在隔水層上部形成礦壓破壞帶，破壞了煤層底板的連續(xù)性，使底板隔水層中的構(gòu)造裂隙進一步發(fā)展、擴大，進而降低了隔水層的阻水能力;另一方面，也可能導(dǎo)致構(gòu)造部位裂隙進一步導(dǎo)升。這兩方面都相當(dāng)于減小了有效隔水層的厚度，從而為突水的發(fā)生創(chuàng)造條件。

根據(jù)上述情況，選取有效隔水層等效厚度、隔水關(guān)鍵層有效厚度、斷層和褶皺密度、斷層規(guī)模指數(shù)、斷層交點和端點分布、陷落柱、峰峰組水壓、峰峰組富水性和礦壓破壞帶深度等九個因素作為井田底板突水預(yù)測的主控因素。

2 建立各主控因素專題圖

2.1 有效隔水層等效厚度

有效隔水層厚度等于隔水層總厚度減去礦壓破壞帶深度與礦壓導(dǎo)升高度。根據(jù)“下三帶”理論，計算礦區(qū)內(nèi)各個鉆孔的礦壓破壞深度，同時根據(jù)礦區(qū)實際資料，原始導(dǎo)升高度和礦壓導(dǎo)升高度多數(shù)為零，從而計算出有效隔水層厚度，再依據(jù)等效系數(shù)，換算成相應(yīng)的等效厚度(見圖1)。

圖1 8號煤底板有效隔水層等效厚度圖

2.2 關(guān)鍵層有效厚度

在屯蘭礦范圍內(nèi)，8號煤下發(fā)育一段平均厚27 m的砂巖視為阻擋8號煤底板奧灰突水的關(guān)鍵層。關(guān)鍵層的有效厚度為關(guān)鍵層中砂巖總厚度減去礦壓破壞厚度(見圖2)。

圖2 8號煤底板關(guān)鍵層厚度等值線圖

2.3 斷層和褶皺密度

斷層密集帶破壞了巖層原有的完整性，易成為導(dǎo)水通道，同時，在做構(gòu)造分布時不僅要考慮斷層也要考慮褶皺軸部的影響。

2.4 斷層規(guī)模指數(shù)

斷層規(guī)模指數(shù)綜合反映斷層的規(guī)模和發(fā)育程度。在屯蘭井田內(nèi)，按照500 m ×500 m 大小建立單元網(wǎng)格，詳細統(tǒng)計各單元格中斷層的斷距、長度，并依據(jù)該數(shù)據(jù)計算出其斷層規(guī)模指數(shù)(見圖3)。

圖3 斷層規(guī)模指數(shù)等值線圖

2.5 構(gòu)造交互點

主要指斷層和褶曲的交叉部位。屯蘭礦井田范圍內(nèi)主要是高角度正斷層，斷層帶一般較窄，導(dǎo)水性差，但褶皺和斷層在立體空間形成的尖滅點和交叉點，巖體裂隙發(fā)育，導(dǎo)水性能好(見圖4)。

圖4 斷層與褶皺交點圖

2.6 陷落柱分布

考慮陷落柱分布區(qū)及周邊緩沖區(qū)，依據(jù)井田內(nèi)在2號煤開采過程中所遇陷落柱，推測8號煤共計105個。雖然絕大多數(shù)陷落柱導(dǎo)水性較差未見突水，但是仍然有滯后突水的可能。

2.7 奧灰峰峰組富水性

充水含水層的富水性是指含水層的含水程度或釋放水量的能力。屯蘭礦8號煤煤層底板奧灰突水水量和峰峰組富水性有很大關(guān)系(見圖5)。

2.8 奧灰峰峰組含水層的水壓

水壓是底板突水災(zāi)害發(fā)生的重要因素，水壓愈大，突水的可能性也就越大。根據(jù)資料推算得到研究區(qū)內(nèi)含水層水頭壓力。生成屯蘭礦底板奧灰峰峰組含水層水壓專題圖(見圖6)。

圖5 奧灰峰峰組富水性圖

圖6 奧灰峰峰組水壓圖

2.9 礦壓破壞帶深度

通過計算屯蘭礦8號煤礦壓破壞帶深度，編制8號煤礦壓破壞帶深度圖(見圖7，圖8)。

圖7 8號煤礦壓破壞帶深度等值線圖

3 脆弱性指評價與分區(qū)

圖8 8號煤礦壓破壞帶深度3D 視圖

對所有主控因素進行數(shù)據(jù)的歸一與疊加，使其更具有統(tǒng)計性，在此基礎(chǔ)上建立數(shù)值模型，分析各因素權(quán)重值。在屯蘭礦底板奧灰突水脆弱性評價中，九個主控因素的權(quán)重值分別為W1=0.163 4、W2=0.081 7、W3=0.142 1、W4=0.044 4、W5=0.036 4、W6=0.151 3、W7=0.097 1、W8=0.194 2、W9=0.089 4。由此，利用相關(guān)公式，確定屯蘭礦太原組8號煤底板奧陶系峰峰組含水層突水脆弱性評價模型為:

對于上述計算出脆弱性指數(shù)進行頻數(shù)統(tǒng)計，然后，運用自然分級法對其進行分級，最后確定各級閾值分別為0.21、0.28、0.35、0.44。在這里，值越大，底板突水的可能性也越大，從而將屯蘭礦8號煤底板奧灰突水危險等級劃分為五個區(qū)域，生成屯蘭礦8號煤底板奧灰峰峰組突水脆弱性評價成果圖(見圖9)。

圖9 8號煤底板奧灰突水脆弱性評價分區(qū)圖

VI ＞0.44 煤層底板突水脆弱區(qū)

0.35 ＜VI ≤0.44 煤層底板突水較脆弱區(qū)

0.28 ＜VI ≤0.35 煤層底板突水過渡區(qū)

0.21 ＜VI ≤0.28 煤層底板突水較安全區(qū)

VI≤0.21 煤層底板突水相對安全區(qū)

相對安全區(qū)域集中在礦區(qū)內(nèi)的中部和北部，該區(qū)域8號煤底板有效隔水層等效厚度總體較大(51～81 m)，隔水層承受奧灰水壓相對較小(1.45～3.35 MPa)，埋深較淺導(dǎo)致礦壓破壞帶發(fā)育不深，富水性影響不甚顯著，綜合分析奧灰水突水的可能性不大。較安全區(qū)域在礦區(qū)中分為兩部分，一部分位于以鉆孔T9為中心的周圍區(qū)域，該區(qū)有效隔水層等效厚度(56～62 m)中等，奧灰水壓較小(2.33～3.35 MPa);另一部分位于相對安全區(qū)域的南部，呈東西條帶狀分布，該區(qū)域處于奧灰水壓由北向南逐步升高的過渡區(qū)，隔水層承受奧灰水壓中等(3.45～5.25 MPa)，底板隔水層有效厚度總體較大(51～81 m)，關(guān)鍵層厚度中等(23～29 m)，據(jù)已有資料，無特別薄弱地帶，總體屬較安全的區(qū)域，奧灰突水的可能性不大。過渡區(qū)沿較安全區(qū)南部邊界呈東西條帶狀分布，該區(qū)雖然有較穩(wěn)定的有效隔水層等效厚度(51.5～74.5 m)，且奧灰含水層富水性較弱，但其底板隔水層所受奧灰水壓力逐步增大(4.36～5.32 MPa)，綜合分析將此區(qū)域劃分為較安全區(qū)到較脆弱區(qū)的過渡區(qū)。較脆弱區(qū)主要分布在礦區(qū)范圍的最南部，以T47、T48為上邊界，南部礦界邊界為下邊界。該區(qū)域隔水層承受水壓最大(5.33～6.45 MPa)，有效隔水層等效厚度也相對較薄(53.5～62.5 m)，關(guān)鍵層厚度(17～21 m)也較薄，導(dǎo)致此區(qū)域處于有發(fā)生突水可能性的較脆弱區(qū)。

在斷層、陷落柱等構(gòu)造分布區(qū)域被標(biāo)記為橙色較脆弱區(qū)，甚至紅色脆弱區(qū)。由于這些構(gòu)造的存在破壞了隔水地層的連續(xù)性，當(dāng)生產(chǎn)中遇到這些構(gòu)造時，它們可能會作為導(dǎo)水通道直接或間接把奧灰水引入工作面造成嚴(yán)重后果。所以，在礦界范圍內(nèi)的土地溝正斷層、頭南峁正斷層、古交正斷層、風(fēng)坪嶺斷層和陷落柱等構(gòu)造大多被劃分為突水危險性比較高的較脆弱區(qū)或脆弱區(qū)，在生產(chǎn)中應(yīng)得到足夠重視。

4 結(jié)論

利用脆弱性指數(shù)可將屯蘭礦8號煤底板奧灰突水劃分為五個區(qū)域，即煤層底板突水脆弱區(qū)、煤層底板突水較脆弱區(qū)、煤層底板突水過渡區(qū)、煤層底板突水較安全區(qū)和煤層底板突水相對安全區(qū)。

在屯蘭礦區(qū)范圍內(nèi)8號煤底板奧灰突水可能性總體較低，大部分為相對安全區(qū)、較安全區(qū)，這是由于8號煤距奧灰含水層較遠(平均98 m)，中間有較厚的隔水層起保護作用，但構(gòu)造分布區(qū)域和礦區(qū)南部奧灰水壓較高區(qū)域仍有突水的可能性，多為較脆弱區(qū)和脆弱區(qū)。

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