蔣莊煤礦太原組煤層開采底板突水危險性分區(qū)分級研究

尹會永，Liliana Lefticariu，魏久傳，謝道雷，肖樂樂，張偉杰，佟文亮

（1.中國礦業(yè)大學(xué) （北京）地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京100083；2.山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院 山東省沉積成礦作用與沉積礦產(chǎn)重點實驗室，山東 青島266590；3.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島266590；4.南伊利諾伊大學(xué)地質(zhì)系，伊利諾伊卡本代爾62901；5.棗莊礦業(yè) （集團）有限責(zé)任公司蔣莊煤礦，山東 棗莊 277519）

蔣莊煤礦太原組煤層開采底板突水危險性分區(qū)分級研究

尹會永1，2，3，Liliana Lefticariu4，魏久傳2，3，謝道雷2，肖樂樂2，張偉杰2，佟文亮5

（1.中國礦業(yè)大學(xué) （北京）地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京100083；2.山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院 山東省沉積成礦作用與沉積礦產(chǎn)重點實驗室，山東 青島266590；3.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島266590；4.南伊利諾伊大學(xué)地質(zhì)系，伊利諾伊卡本代爾62901；5.棗莊礦業(yè) （集團）有限責(zé)任公司蔣莊煤礦，山東 棗莊 277519）

華北地區(qū)越來越多的煤礦將要開采太原組下部煤層，基底奧灰突水危險性隨之增加。為合理評價滕州礦區(qū)蔣莊煤礦162、163采區(qū)太原組16煤底板奧陶突水危險性，在分析采區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，利用基于GIS的AHP型“脆弱性指數(shù)法”，選取奧灰（富水性與水壓力）、斷裂構(gòu)造（密度、斷層交點和端點的分布、斷層規(guī)模指數(shù)）和有效隔水層厚度因素作為評價指標(biāo)，建立預(yù)測模型。應(yīng)用本模型對研究區(qū)奧灰突水危險性進行了分區(qū)分級，分為安全、較安全、較危險和危險四個等級，對每個等級的分布進行了分區(qū)。經(jīng)驗證，預(yù)測效果符合實際，并與“突水系數(shù)法”預(yù)測結(jié)果相比，更詳細(xì)、具體。分區(qū)分級結(jié)果有助于指導(dǎo)礦井16煤開采防治水工作。

太原組；底板突水；脆弱性指數(shù)；分區(qū)分級

華北含煤區(qū)作為我國主要的產(chǎn)煤區(qū)之一，多年來以開采山西組和太原組上部煤層為主，但隨著上部煤層的日漸殆盡，越來越多的煤礦要面臨開采太原組下部煤層的局面。然而，太原組下部煤層距離基底奧陶系灰?guī)r（奧灰）巖溶含水層較近，易發(fā)生底板突水災(zāi)害。如何較為準(zhǔn)確的確定底板突水危險性是礦井防治水工作需要解決的主要任務(wù)。我國礦井水文地質(zhì)工作者經(jīng)過近六十多年的實踐、研究，已形成了許多實用、先進的評價理論和方法，如“突水系數(shù)法”［1］、下三帶”理論［2］、“關(guān)鍵層”（KS）理論［3］、薄板結(jié)構(gòu)理論［4］、“零位破壞”與“原位張裂”理論［5］、基于 GIS的多源信息復(fù)合［6］、突水概率指數(shù)法［7］、神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò)［8］、優(yōu) 勢 面［9］、信 息 分 析－熵 的 方法［10］、“脆弱性指數(shù)法”［11］、“突水系數(shù)－單位涌水量法”［12］、模糊聚類法［13］、無量綱信息融合法［14］、基于巖體極限平衡理論［15］、基于模糊物元理論［16］等理論和方法，對預(yù)測底板突水起到了良好的指導(dǎo)作用。近年來，“脆弱性指數(shù)”系列方法應(yīng)用越來越廣［17－19］，本文即利用脆弱性指數(shù)系列方法中的基于GIS（地理信息系統(tǒng)）的AHP（層次分析）型評價方法對山東省滕州礦區(qū)蔣莊煤礦太原組下部煤層開采受底板奧灰突水危險性進行分區(qū)分級，并對比突水系數(shù)評價結(jié)果，以指導(dǎo)礦井水害防治工作。

1 礦井概況

蔣莊煤礦位于濟寧市微山縣歡城鎮(zhèn)和滕州市西崗鎮(zhèn)交界處，北距滕州市城區(qū)25km，南距微山縣城16km。井田基本呈長方型，東西寬約3.5km，南北長約10km，面積36.463km2。蔣莊煤礦于1989年6月24日正式投產(chǎn)，主采3上、3下、12下、16煤，核定生產(chǎn)能力為275萬t/a，生產(chǎn)水平為－320m和－430m。

隨著蔣莊煤礦上組煤煤炭資源的日漸殆盡，礦井今后將逐漸進入開采下組煤為主。其中太原組16煤將是今后主要開采對象。16煤的162采區(qū)、163采區(qū)是礦井下組煤先期開拓開采區(qū)域，162采區(qū)、163采區(qū)自西向東埋藏深度逐漸增大，底板突水威脅逐漸增加，尤其是底板奧灰承壓含水層水壓也越來越大，奧灰?guī)r溶水的突水危險性也隨之增大，因此研究16煤底板突水危險性對于礦井今后開展防治水工作具有重要的指導(dǎo)意義。162采區(qū)、163采區(qū)即為本文研究對象，162采區(qū)、163采區(qū)位于井田的中西部，面積約為6.67km2。

2 162、163采區(qū)地質(zhì)與水文地質(zhì)概況

2.1 162采區(qū)、163采區(qū)地質(zhì)概況

該采區(qū)地層屬典型的華北型含煤地層，屬于隱蔽型煤田。地層發(fā)育有寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系、第四系。井田位于滕南煤田的中部，162采區(qū)、163采區(qū)總體為一傾向南東的單斜構(gòu)造，在162采區(qū)發(fā)育一向斜，地層傾角在3～10°。采區(qū)目前共揭露及控制斷層19條，斷層密度2.8條/km2，其中：落差（H）≥100m有3條，50≤H＜100m有3條，20≤H＜50m有8條，10≤H＜20m有3條，5≤H＜10m有2條。

采區(qū)內(nèi)16煤底板標(biāo)高為－400～－560m，埋藏深度整體呈由西向東逐漸加深。16煤厚度0.7～1.91m，平均0.89m，呈現(xiàn)由北向南逐漸變厚的趨勢。采區(qū)內(nèi)及其周邊共有49個鉆孔，其中48個鉆孔穿過16煤，鉆探密度為6.15孔/km2。采區(qū)16煤資源儲量約750萬t。163采區(qū)西部已回采16301工作面，16303工作面、16306工作面已放出。

2.2 162采區(qū)、163采區(qū)水文地質(zhì)概況

2.2.1 含水層

礦井直接充水含水層主要有：山西組3煤頂砂（包括3上、3下煤層頂部砂巖簡稱3煤頂砂）、太原組第三層石灰?guī)r（簡稱三灰）、太原組第十下層灰?guī)r（簡稱十下灰）；間接充水含水層主要有：第四系砂礫層、上侏羅統(tǒng)礫巖、石盒子組頂?shù)撞可皫r、本溪組第十四層石灰?guī)r（簡稱十四灰）、奧陶系石灰?guī)r（簡稱奧灰）。本文僅對16煤底板具有突水威脅的奧灰含水層進行簡要敘述。

奧灰為青灰、灰白色厚層狀石灰?guī)r。淺部裂隙溶洞發(fā)育，富水性弱至強，為煤系含水層重要補給水源。鉆孔揭露奧灰上部鋁質(zhì)較多，下部少量方解石、少量泥質(zhì)充填，含硅質(zhì)結(jié)合，堅硬，完整，縫合線發(fā)育，方解石充填裂隙，堅硬完整。單位涌水量0.000125～0.612L/s.m，水質(zhì)為硫酸鹽、氯化物－鈣鈉型，礦化度3.828～4.9g/L，2014年6月31日水位標(biāo)高－169.68m（水12－2孔）～－156.95m（2006－1孔）。

2.2.2 隔水層

主要隔水層為：第四系隔水層、太原組煤層間的黏土巖和本溪組黏土巖。其中本溪組黏土巖主要有十二灰至十四灰之間的黏土巖，間夾細(xì)砂巖；16煤與奧灰間距平均57.52m。十四灰與奧灰之間為雜色黏土巖、鐵質(zhì)泥巖、黏土巖、G層黏土巖。對于阻隔奧灰水上升、減少奧灰水對礦井生產(chǎn)的威脅起到重要作用。

3 煤層底板突水威脅性分區(qū)分級研究

為了確定研究區(qū)煤層開采受底板奧灰突水的威脅程度，并進行威脅程度分區(qū)分級，本文利用基于GIS的AHP型“脆弱性指數(shù)法”的原理建立各個影響因素專題圖，并確定各個影響因素的權(quán)重，最終綜合各影響因素并統(tǒng)一在預(yù)測模型中，建立研究區(qū)煤層開采受底板奧灰突水威脅程度的分區(qū)分級圖。

3.1 影響因素分析及其圖件

在分析蔣莊煤礦已有的生產(chǎn)資料和參考其他文獻的基礎(chǔ)上［20－21］，本文選取影響突水的“矛”（奧灰水壓及其富水性，斷裂構(gòu)造（密度、交點和端點個數(shù)、規(guī)模））和“盾”（有效隔水層厚度）等主要影響因素并繪制各個圖件（圖1）。

圖1 各影響因素圖

1）煤層底板奧灰含水層。奧灰是影響162采區(qū)、163采區(qū)16煤開采最具威脅性的含水層，分析其水壓與富水性特征。①奧灰含水層水壓是發(fā)生底板突水的動力因素。利用蔣莊煤礦奧灰水文觀測孔的水位和標(biāo)高數(shù)據(jù)以及區(qū)內(nèi)鉆孔的相關(guān)數(shù)據(jù)推算得到奧灰水頭壓力，據(jù)此生成研究區(qū)奧灰水壓圖（圖1（a），單位為 MPa）?？梢钥闯觯瑠W灰水壓是隨著埋深的增加而增加，突水的概率也隨之增加。奧灰水壓最大在162采區(qū)中部，呈現(xiàn)由西向東逐漸變大的趨勢。②奧灰含水層的富水性是發(fā)生底板突水物質(zhì)基礎(chǔ)。井田內(nèi)奧灰含水層的富水性主要受埋深、斷裂構(gòu)造、巖溶發(fā)育程度等因素控制，具有極大的不均一性。根據(jù)收集到的抽水鉆孔單位涌水量大小、鉆孔漏失量、埋深、斷裂構(gòu)造等因素，將奧灰富水性劃分為弱、中等、富三個級別。據(jù)此數(shù)據(jù)插值生成了富水性等值線圖，進而制作奧灰含水層的富水性圖（圖1（b），圖中數(shù)字為相對大?。？傮w呈現(xiàn)，采區(qū)邊緣富水性較弱，中部富水性較強。

2）斷裂構(gòu)造。斷裂構(gòu)造的存在增加了突水概率，斷裂構(gòu)造的分布及其發(fā)育情況，規(guī)模大小等對底板突水影響較大。①斷層存在的區(qū)域，突水概率增加，因此，斷層分布是影響煤層底板突水的重要因素。在采區(qū)16煤底板等高線圖上，以200m×200m的網(wǎng)度，按照文獻［11］的方法繪制斷層密度等值線圖（圖1（c），單位為條數(shù)），整體西部復(fù)雜，東部較為簡單。②斷層規(guī)模主要從斷層落差和延展長度考慮，相同條件下，斷層落差越大、延展長度越長，則斷層效應(yīng)越大，導(dǎo)水性增強。以200m×200m的網(wǎng)度繪制斷層規(guī)模指數(shù)等值線圖（圖1（d），單位為落差與長度乘積），整體西部復(fù)雜，東部較為簡單。③在斷層相交與斷層的端點處，巖體裂隙發(fā)育，導(dǎo)水的可能性增強。在采區(qū)16煤底板等高線圖上，同樣以200m×200m的網(wǎng)度繪制斷層點和端點分布圖（圖1（e），單位為個數(shù)），整體西部復(fù)雜，東部較為簡單。

3）隔水層厚度。根據(jù)“下三帶”理論，真正起到阻水作用的是有效隔水層，其數(shù)值等于16煤至奧灰間距減去底板破壞帶數(shù)值與導(dǎo)升帶高度。根據(jù)鉆孔資料，先統(tǒng)計間距值，然后再減去以“三下壓煤規(guī)程”［22］中的公式計算出來的底板破壞帶深度（工作面寬度以現(xiàn)有工作面值為參考，為160m）。資料表明，采區(qū)原始導(dǎo)升高度和礦壓導(dǎo)升高度為零。16煤至奧灰有效隔水層厚度見圖1（f）（單位為m），可知，16煤底板有效隔水層厚度為34.62～37.32m，平均35.91m，總體呈自西向東逐漸變薄的趨勢。

3.2 基于AHP方法的影響權(quán)重確定

通過前述影響因素分析可知，為了確定底板奧灰突水危險性，需對“矛”和“盾”的指標(biāo)進行權(quán)重衡量，如圖2所示，建立三個級別來逐一確定權(quán)重大小。

根據(jù)對影響蔣莊煤礦162采區(qū)、163采區(qū)煤層底板突水因素的分析，運用“征集專家評分”的方法［11］，來構(gòu)建162采區(qū)、163采區(qū)16煤底板奧灰突水評價的判斷矩陣，并最終獲得各個影響因素的權(quán)重大?。ū?～4）。

通過表1～4可知，各組矩陣計算出λ，CI與CR，存在的CR值都小于0.1，判斷矩陣通過一致性檢驗。所以，得到的各因素權(quán)重值如表4中w列所示。

圖2 底板奧灰突水危險性層次結(jié)構(gòu)示意圖

表1 判斷矩陣A～Bi（i＝1～3）

表2 判斷矩陣B1～Ci（i＝1～2）

表3 判斷矩陣B2～Ci（i＝3～5）

表4 各因素權(quán)重確定表

3.3 數(shù)據(jù)歸一化

前述各因素的單位不一致，不能統(tǒng)一在模型中，因此需要進行歸一化，選用式（1）［23］進行。

式中：Si為計算所得數(shù)據(jù)；設(shè)定a＝0.1，b＝0.9；xi為歸一化前的各個影響因素數(shù)值。

各因素數(shù)據(jù)經(jīng)過歸一化處理后，即可運用SURFER建立格網(wǎng)文件，選用50m×50m的格網(wǎng)，共劃分4941個網(wǎng)格，建立上述六個因素的歸一化格網(wǎng)圖，且要保證范圍、格網(wǎng)位置、大小均要一致。其中前5個因素對底板突水都屬于正相關(guān)，但有效隔水層厚度正好相反，因此，需對其進行處理，S′i＝1－Si，S′i為處理后所得數(shù)據(jù)。

3.4 預(yù)測模型建立

建立煤層底板突水脆弱性模型［11］，即建立能反映蔣莊煤礦162采區(qū)、163采區(qū)16煤層底板突水危險性情況的模型，此模型包括前述的各個影響因素以及各因素的影響權(quán)重。

利用脆弱性指數(shù)（VI）模型來對煤層底板突水危險性進行評價。模型如式（2）所示。

3.5 分區(qū)分級結(jié)果及其分析

使用該模型對16煤各個格網(wǎng)點的脆弱性指數(shù)進行統(tǒng)計、分析［11］，確定出分級的界限值為0.32、0.57、0.68。根據(jù)界限值對162采區(qū)、163采區(qū)進行區(qū)域劃分，從而得16煤開采受底板奧灰突水危險分區(qū)分級圖（圖3（a））。VI＞0.68突水脆弱區(qū)（危險區(qū)）；0.57＜ VI≤0.68突水較脆弱區(qū)（較危險區(qū)）；0.32＜ VI≤0.57突水過渡區(qū)（較安全區(qū)）；VI≤0.32安全區(qū)。

由圖3可以看出，安全區(qū)范圍較小位于采區(qū)西部和中南部；過渡區(qū)（較安全區(qū)）范圍較大，位于采區(qū)西南部和東南部；較脆弱區(qū)（較危險區(qū)）主要位于162采區(qū)，脆弱區(qū)（危險區(qū)）位于162采區(qū)深部。評價結(jié)果與利用傳統(tǒng)的“突水系數(shù)法”計算得到的突水系數(shù)評價圖（圖3（b））相似，但脆弱性分區(qū)更加詳細(xì)。但突水系數(shù)評價圖中的16301工作面位于突水系數(shù)大于0.06MPa/m的區(qū)域，精度不如本文的評價結(jié)果。

3.6 模型的檢驗

由于研究區(qū)目前只開采了16301工作面，已實現(xiàn)安全開采。16301工作面開采時只有十下灰水涌水，水量較小，初期揭露時為5m3/h左右，后減小至1～2.5m3/h。另外，進行的底板含水層富水性探測盡管表明十四灰和奧灰有一定的富水性，但實際開采并無突水。16301工作面位于圖3（a）中的安全區(qū)，也說明評價結(jié)果與實際相吻合，所以，評價結(jié)果能反映實際條件，可以指導(dǎo)礦井今后開采162采區(qū)、163采區(qū)的防治水工作。

圖3 162采區(qū)、163采區(qū)16煤底板突水危險性分區(qū)分級圖（a）與突水系數(shù)圖（b）

4 結(jié) 論

1）蔣莊煤礦162采區(qū)、163采區(qū)16煤開采主要水害威脅來自煤系基底奧陶系巖溶含水層，16煤至奧灰間距平均57.52m，巖性主要為灰?guī)r、雜色黏土巖、鐵質(zhì)泥巖、黏土巖、G層黏土巖等，對于阻隔奧灰水上升、減少奧灰水對礦井安全生產(chǎn)的威脅起到重要作用。

2）利用基于GIS的AHP的“脆弱性指數(shù)”方法，選取奧灰含水層特征（富水性與水壓力）、斷裂構(gòu)造（密度、交點和端點的分布、規(guī)模指數(shù)）和有效隔水層厚度等三個方面、六個主要影響因素，對底板突水的影響權(quán)重由大至小分別為：斷裂構(gòu)造、奧灰含水層特征和有效隔水層厚度，并建立了預(yù)測模型。

3）利用本預(yù)測模型對162采區(qū)、163采區(qū)底板奧灰突水危險性進行了分區(qū)分級，共分為安全、較安全、較危險和危險四個等級，對每個等級的分布進行了分區(qū)。經(jīng)驗證，預(yù)測效果與實際較為吻合，并經(jīng)與“突水系數(shù)法”預(yù)測結(jié)果進行對比，更詳細(xì)、具體，可用來指導(dǎo)礦井防治水工作。

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Water inrush risk zoning and classification during coal seam mining in the Jiangzhuang coal mine，Shandong province

YIN Hui－yong1，2，3，Liliana Lefticariu4，WEI Jiu－chuan2，XIE Dao－lei2，XIAO Le－le2，ZHANG Wei－jie2，TONG Wen－liang5
（1.College of Geoscience and Surveying Engineering，China University of Mining and Technology（Beijing），Beijing 100083，China；2.Shandong Provincial Key Laboratory of Depositional Mineralization ＆Sedimentary Minerals，College of Earth Sciences ＆Engineering，Shandong University of Science ＆Technology，Qingdao 266590，China；3.State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co－founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology，Shandong University of Science ＆Technology，Qingdao 266590，China；4.Department of Geology，Southern Illinois University，Carbondale，Illinois 62901，USA；5.Jiangzhuang Coal Mine，Zaozhuang Mining（Group）Co.，Ltd，Zaozhuang 277519，China）

An increasing number of coal mines will focus their operations on the coal seams present in the early Carboniferous Taiyuan Group in North China.It is expected the risk of water inrush from the Ordovician confined limestone aquifer through the floor of overlying excavations to be significant during mining.The current study is using the No.162，163 district in Jiangzhuang coal mine，which is located in the Tengzhou coal field in the Shandong province，as an example of how to calculate and zone this risk based on the analysis of local geological and hydrogeological features such as hydraulic pressure and water yield capacity of the limestone aquifer，fault density，fault crossing and endpoint density，scale index of faults，and effective aquiclude thickness.The vulnerability index was determined using Geographical Information Systems and Analytic Hierarchy Process techniques in order to build the risk prediction model.Four areas were identified with the prediction model based on the risk of water inflow to the floor of the coal seam：safe，transitional，less dangerous，and dangerous.The model validation was carried out by using actual data from the No.16301 workface and showed that it predicted the water inflow risk better than the traditional water inrush coefficient method.The model was considered to be accurate and therefore reliable and helped with the policy to prevent and control groundwater hazards during the mining of coal seam No.16.

Taiyuan group；floor water inrush；vulnerability index；zoning and classification

TD823.84

A

1004－4051（2015）10－0149－06

2014－11－06

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973）項目資助（編號：2012CB723104）；國家自然科學(xué)基金資助（編號：41372290；41402250）；山東省自然科學(xué)基金資助（編號：ZR2013EEQ019）；山東省礦山災(zāi)害預(yù)防控制國家重點實驗室培育基地開放基金資助（編號：MDPC2012KF13）

尹會永（1979－），男，博士后，副教授，主要從事礦業(yè)地質(zhì)及水文地質(zhì)方面的教學(xué)與研究工作。E－mail：yhy1919＠163.com。