東山煤礦五和七采區(qū)15號煤層底板突水脆弱性評價

慕秀琴

(山西省煤炭地質(zhì)水文勘查研究院，山西太原 030006)

太原東山煤礦位于太原市東部杏花嶺區(qū)，為地方國有重點煤礦，未來主要開采井田南部五、七采區(qū)15號煤層。生產(chǎn)面臨深部下伏奧灰水的威脅(水壓0.00 MPa～5.05 MPa)，本文用脆弱性指數(shù)法對煤層底板突水危險性進行評價。

1 五、七采區(qū)地質(zhì)及水文條件

1.1 地層、構造

五、七采區(qū)地層據(jù)鉆孔揭露由老到新為:奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組及峰峰組;石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組;二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組及上統(tǒng)上石盒子組;第四系中、上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)。

井田位于太原東山背斜西翼，地層總的走向為北北西，向南西西傾伏于太原盆地，屬單斜構造。五、七采區(qū)位于井田的最南部，地層傾向與全礦一致，東高西低，傾角12°左右。五、七采區(qū)自北而南分布3條斷裂帶，主斷裂走向近東西向，在主斷裂兩側(cè)或延展方向派生或伴生若干小斷裂。陷落柱較發(fā)育，但規(guī)模較小。

1.2 含煤地層

井田含煤地層為二疊系山西組及石炭系太原組，可采煤層7層，山西組4層(3號，62號，8號，9號)，太原組3層(12號，13號，15號)。山西組煤層屬局部可采煤層;太原組煤層以較穩(wěn)定～穩(wěn)定煤層為主。15號煤厚3.45 m～10.93 m，全區(qū)可采，為主要可采煤層。

1.3 含水層及其特征

1)奧陶系碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層。a.上馬家溝組灰?guī)r含水層:區(qū)內(nèi)該組地層厚度230 m左右，含水層以上段白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖、中段豹皮灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r為主，鉆孔揭露巖溶裂隙累計厚度44.23 m(測井解釋)，鉆探取芯觀察，巖溶裂隙極為發(fā)育，巖溶形態(tài)以溶蝕裂隙為主，次為小型溶洞及溶孔，且連通性好，充填物極少。方解石含量80%～90%。DS1，DS3號孔抽水試驗，巖溶水位標高 779.87 m ～781.39 m，單位涌水量 2.020 L/(s·m) ～9.392 L/(s·m)，富水性強～極強。水質(zhì)類型HCO3·SO4—Ca· Mg型，礦化度460 mg/L～466 mg/L。b.峰峰組灰?guī)r含水層:鉆孔揭露全組厚130.30 m～149.60 m，含水層以上段石灰?guī)r為主，厚40 m左右。受埋藏及構造條件影響，巖溶裂隙發(fā)育不均一，富水性弱～中等。鉆孔測井顯示出水段累積厚度6.6 m～7.4 m，抽(放)水試驗，自然水位標高774.45 m～779.89 m。DS1孔峰峰組富水極弱，滲透系數(shù) 0.026 m/d;DS3孔單位涌水量 0.684 L/(s·m)～0.912 L/(s·m)，滲透系數(shù) 5.645 m/d ～6.692 m/d，富水性中等。水質(zhì)類型為HCO3·SO4—Ca· Mg型，礦化度為500 mg/L。奧灰含水層水為15號煤層主要間接底板充水水源。五、七采區(qū)奧灰水位標高771.80 m～785 m，15號煤層底板標高280 m～1 000 m，本區(qū)西部帶壓開采。15號煤層底至奧灰頂界間距71.81 m～101.33 m，正常情況下奧灰水對15號煤層采掘影響不大，若在構造導通的情況下，峰峰組和上馬家溝組巖溶水是15號煤帶壓開采的最主要威脅。2)石炭系碎屑巖及碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層:含水層以 L4，L3，L2，L1四層石灰?guī)r為主，總厚12 m左右。DS1，DS2孔該組灰?guī)r僅見小型溶孔或溶蝕裂隙，且連通性較差，注水試驗滲透系數(shù)0.034 m/d～0.036 m/d。表明灰?guī)r裂隙不發(fā)育，地下水補、蓄條件及其循環(huán)條件差，富水性弱。但在局部構造裂隙發(fā)育地段，富水性較好。3)二疊系碎屑巖類裂隙承壓水含水層:由上石盒子組、下石盒子組和山西組一套砂巖與泥質(zhì)巖相互疊置的碎屑巖類所組成。鉆孔簡易水文觀測，各孔消耗量0.05 m3/h～0.10 m3/h。表明含水層裂隙不發(fā)育，地下水補、蓄條件及其循環(huán)條件很差，含水層富水性弱。4)第四系松散巖類孔隙含水層:主要分布于溝谷與太原盆地接觸帶處，厚度0 m～15 m，含水層以透鏡狀砂礫石層和含礫砂土為主，富水性弱。

1.4 隔水層

15號煤底板至奧灰頂界間距71.81 m～101.33 m，平均83.37 m。隔水層主要為石炭系下段下部泥巖、炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂巖，以及本溪組泥巖及鋁土質(zhì)泥巖隔水層。隔水層的巖性及厚度依次為:泥巖(含鋁土質(zhì)泥巖):厚度10.34 m～39.70 m，平均厚度為 26.69 m;砂質(zhì)泥巖:厚度5.10 m ～37.95 m，平均厚度為21.88 m;粉砂巖:厚度0 m ～17.74 m，平均 7.37 m。隔水層累計厚度41.08 m～78.73 m，平均累計厚度55.94 m。隔水層厚度占地層總厚度的67.1%。

2 五、七采區(qū)15號煤層底板突水主控因素及其屬性數(shù)據(jù)庫的建立

通過對五、七采區(qū)底板承壓含水層、底板隔水層、地質(zhì)構造條件的分析，確定該區(qū)底板突水的主控因素為:奧灰含水層水壓、奧灰含水層富水性、有效隔水層厚度、礦壓破壞帶以下脆性巖的厚度、斷層及褶皺的分布、陷落柱的分布、斷層與褶皺交點的分布。

采集區(qū)內(nèi) DS1，DS3，M4，M5，M9，M10，304，310，TS-20 共 9 個鉆孔對應各主控因素的量化值，利用GIS對空間數(shù)據(jù)的管理功能，生成屬性數(shù)據(jù)庫及專題圖。

3 層次分析法模型設計

3.1 建立層及結構分析模型

將研究對象分為3個層次。底板奧灰突水脆弱性評價是這一問題的最終目的，作為模型目標層(A層次);承壓含水層、地質(zhì)構造、底板隔水層決定了突水的可能性，為模型的準則層(B層次)，各個具體的主控因素指標為本模型的決策層(C層次)。

3.2 構造判斷矩陣

運用“征集專家評分”方法，得到每個因素所起作用的量化分值，進而構建15號煤層底板突水層次分析法評價的判斷矩陣(見表1，表2)。

表1 判斷矩陣A～Bi(i=1～3)

表2 判斷矩陣B～Ci

3.3 層次總排序

各指標Ci對總目標的權重見表3，WA/Ci為各指標Ci對總目標A的權重。C層總排序隨機一致性比率CR為:

具有較滿意的一致性，WA/Ci作為最終決策的依據(jù)(見表3)。

表3 各指標對總目標的權重

4 脆弱性指數(shù)法評價工作方法

4.1 單因素歸一化專題圖

單因素數(shù)據(jù)歸一化處理后，作出單因素歸一化專題圖。

4.2 底板突水脆弱性模型

脆弱性指數(shù)VI的初始模型為:

其中，VI為脆弱性指數(shù);Wk為影響因素權重;fk(x，y)為單因素影響值函數(shù);x，y均為地理坐標;n為影響因素的個數(shù)。其計算值能反映出某一地理位置煤層底板突水的脆弱程度。fk(x，y)在煤層底板突水脆弱性評價中具體就是第k個主控因素量化值的歸一化后的值。利用各影響因素權重值Wi可以得出15號煤層底板奧灰水突水脆弱性評價模型為:

5 煤層底板突水脆弱性評價分區(qū)

運用自然分級法對所得底板脆弱性指數(shù)進行處理，得到最佳五級分級結果。依分級閾值研究區(qū)可劃分為五個區(qū)域:

VI＞0.455，煤層底板突水脆弱區(qū);0.340 ＜ VI≤0.455，煤層底板突水較脆弱區(qū);0.311 2＜VI≤0.340，煤層底板突水過渡區(qū);0.254 8 ＜ VI≤0.311 3，煤層底板突水較安全區(qū);VI≤0.254 8，煤層底板突水相對安全區(qū)。

6 脆弱性指數(shù)法評價與突水系數(shù)法評價的對比分析

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》中突水系數(shù)法得15號煤層帶壓開采安全性分區(qū)見圖1，突水系數(shù)除評價區(qū)西部邊界大于0.06 MPa/m外(危險區(qū))，其他區(qū)域皆小于0.06 MPa/m(安全區(qū))。

圖1 15號煤層突水系數(shù)法評價分區(qū)圖

圖2 15號煤層底板奧灰突水脆弱性評價分區(qū)圖

從脆弱性評價分區(qū)圖可以看出(見圖2):太原東山煤礦五、七采區(qū)東北部大部分為安全和較安全區(qū)，中部小部分為過渡區(qū)，西北、西部和南部區(qū)域大部分是脆弱區(qū)和較脆弱區(qū)，發(fā)生突水的可能性較大，另外，在斷層、陷落柱等構造分布區(qū)域突水可能性也較大。

此結果是綜合考慮了煤層底板突水7個主控因素后得出的，相對于傳統(tǒng)突水系數(shù)法僅考慮兩個因素，脆弱性指數(shù)法考慮更全面。

從這兩種方法所得評價分區(qū)圖可以看出，突水系數(shù)法根據(jù)突水系數(shù)將礦區(qū)分為界限分明的區(qū)塊，在邊界處安全狀況發(fā)生了突變，這是與實際情況不符的。而脆弱性指數(shù)法則在綜合考慮各個影響因素的前提下將礦區(qū)分為安全區(qū)、較安全區(qū)、過渡區(qū)、較脆弱區(qū)和脆弱區(qū)，可以幫助工作人員對實際狀況有個度的把握。過渡區(qū)域是從較安全區(qū)域到較脆弱區(qū)域的一個過渡，雖然總體上突水的可能性不大，但是由于其瀕臨較脆弱區(qū)，實際生產(chǎn)中應得到足夠的重視。另外，突水系數(shù)法沒有將斷層、陷落柱、褶皺等構造因素考慮在內(nèi)，而脆弱性指數(shù)法對這些構造分區(qū)有較為詳盡的脆弱性劃分，可以據(jù)此在生產(chǎn)中針對具體情況采取相應防范和治理措施，從而確保礦界的安全生產(chǎn)。

[1] 中國煤炭地質(zhì)總局華盛水文地質(zhì)勘察工程公司.太原東山煤礦有限責任公司五、七采區(qū)帶壓開采水文地質(zhì)補充勘查報告[R].2013.

[2] 山西省煤炭地質(zhì)148勘查院.太原東山煤礦有限責任公司生產(chǎn)礦井地質(zhì)報告[R].2012.

[3] 武 強，劉守強，賈國凱.脆弱性指數(shù)法在煤層底板突水評價中的應用[J].中國煤炭，2010(6):71-72.