楊柳煤礦太原組灰?guī)r含水層突水危險性評價

楊華澤，郭 琳，王騰輝

(1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001;2.江西地礦局贛西地質(zhì)調(diào)查大隊，江西 南昌 330030)

煤炭是我國的主體能源，即使隨著新能源的應(yīng)用和發(fā)展，煤炭依舊占據(jù)一次能源生產(chǎn)和消費結(jié)構(gòu)中的70%以上。由于淺部煤炭資源開采的日益枯竭，深部開采已成為我國煤炭生產(chǎn)的必然趨勢。隨著開采深度和強度的增加，地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，地壓、水壓、地溫亦將不斷增加，導(dǎo)致煤層開采過程中受底板高承壓裂隙巖溶水的危害頻率愈加增多?；幢泵禾锾幱谌A北聚煤期南部，是典型的華北型煤田。在其主要含煤地層石炭—二疊系中的下組煤開采過程中，煤層底板廣泛遭到太原組灰?guī)r水和奧陶系灰?guī)r水的威脅，發(fā)生突水事故。譬如，楊莊礦的Ⅱ617工作面發(fā)生了突水，造成礦區(qū)內(nèi)的的4個生產(chǎn)采區(qū)被淹沒;桃園煤礦二采區(qū)的四個工作面和南三采區(qū)的1035工作面等發(fā)生了重大突水事故，造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡?？梢?，對礦井水害的預(yù)測和防治已經(jīng)是煤礦開采過程中的重中之重，其中，灰?guī)r巖溶類突水是礦井水害防治的重點[1]。

1 采區(qū)概況

楊柳煤礦位于安徽省淮北市孫疃鎮(zhèn)楊柳村，距宿州市23 km，面積約為60.4 km2。楊柳煤礦太原群灰?guī)r含水層為 10煤底板直接充水含水層，該含水層厚度大，水量豐富，水壓高，若與礦井形成直接溝通，后果將會很嚴(yán)重。

根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可知，井田內(nèi)共有44個見太灰的孔，其中，僅揭露一灰的鉆孔達(dá)到31個;揭露到四灰的孔有7個;打穿太原組并揭露奧灰的孔有4個。其主要是由深灰～灰色的石灰?guī)r、泥巖、粉砂巖和薄煤層組成。

2 底板突水影響因素分析

影響底板突水的因素可歸納為兩點:承壓水壓力和有效隔水層厚度及其阻水性能[2]。10煤層是楊柳煤礦的主采煤層，其承壓水上開采的成功與否直接關(guān)系的整個煤礦的開采安全，意義重大。本次采用灰色模糊綜合評價法對煤層底板的突水危險性進(jìn)行分區(qū)和評價，為10煤層的安全開采提供有利的地質(zhì)依據(jù)。

2.1 巖溶裂隙

灰?guī)r巖溶裂隙的評價方法有很多，如直接統(tǒng)計鉆孔巖心中太灰段裂隙發(fā)育的數(shù)量;通過鉆孔在鉆進(jìn)過程中的漿液消耗量;通過鉆孔的太灰段的巖心采取率。其中，巖心的采取率是指鉆孔中的某一孔段的巖心的長度與此段的實際進(jìn)尺的比值，它能夠直接的反映出巖層的完整性。一般來說，巖心采取率低，巖層較破碎，裂隙的發(fā)育程度高，富水性好，底板突水的可能性高;反之，若巖心的采取率高，則巖層的裂隙發(fā)育程度低且富水性弱，底板突水可能性比較低。由于楊柳煤礦中見灰的47個鉆孔中有35個孔僅打到一灰，因此選取一灰的巖心采取率作為巖溶裂隙發(fā)育程度的指標(biāo)來評價底板的突水性，利用插值法并根據(jù)一灰的巖心采取率的等值線圖來得出每個塊段的巖心采取率的值。

2.2 斷裂構(gòu)造

斷裂構(gòu)造是決定煤層底板突水地點的主要因素之一，因為在斷裂構(gòu)造較發(fā)育、斷層的密度較大的地方，其富水性較強，突水的可能性也比較大。斷裂分維值恰好能綜合的反映出斷裂構(gòu)造的發(fā)育程度，它包括斷裂的長度、密度以及裂隙相互交叉關(guān)系等信息。一般來說，分維值越大，則表示斷裂的長度越長、密度越大、分支越多，其對巖體的切割越嚴(yán)重，富水性越強，易發(fā)生底板突水;分維值越小，則表示斷裂的長度比較小、分布比較稀疏、分支也比較少，對巖體的切割也比較輕微，富水性越弱，不易發(fā)生底板突水。因此，選取斷裂分維值作為斷裂構(gòu)造發(fā)育程度的指標(biāo)來評價底板的突水性。由鉆孔資料的統(tǒng)計知，本礦區(qū)10煤底板的斷裂構(gòu)造分維值為0.831 7～1.549 1，利用插值法并根據(jù)斷裂構(gòu)造分維值的等值線圖來得出每個塊段的斷裂構(gòu)造分維值。

2.3 砂巖率

底板砂巖率是指煤層底板巖層段中砂巖層的厚度占總體巖層厚度的比值，它是決定巖層富水性的前提，是影響地下水的賦存和巖層隔水性能的主要因素。一般來說，砂巖率高，巖層的儲水量大，富水性好，隔水性能弱，底板的突水可能性大;砂巖率低，巖層的儲水量小，富水性弱 ，隔水性能強，底板的突水可能性小。因此，選取煤層底板隔水層的砂巖率作為指標(biāo)來評價底板的突水性。由鉆孔資料的統(tǒng)計知，本礦區(qū)10煤底板至一灰頂隔水層段主要由粉砂巖和泥巖構(gòu)成，砂巖率的值為0.556 5～1，利用插值法并根據(jù)10煤層底板至一灰頂巖層段的砂巖率等值線圖來得出每個塊段的砂巖率，如圖 1。

圖1 楊柳煤礦10煤至一灰頂砂巖率圖

2.4 底板隔水層厚度

隔水層厚度是指開采煤層的底板與下伏的含水層的頂面之間的隔水巖層的厚度，其值的大小會直接影響到煤層底板是否突水。一般來說，隔水層的厚度越大，底板的阻隔水能力越強，突水的可能性越小;反之，隔水層的厚度越小，底板的阻隔水能力越弱，突水可能性就越大。

據(jù)該礦區(qū)鉆孔資料得知，在正常情況下，10煤底板至一灰頂?shù)拈g距為 33.90～69.68 m，平均值為 59.16 m，但由于煤層開采會造成底板巖層發(fā)生破壞，產(chǎn)生裂隙，使部分隔水層失去隔水能力甚至變成導(dǎo)水層。由底板破壞深度經(jīng)驗公式計算法和FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果的值，綜合得出底板破壞深度為13.15 m。因此，楊柳煤礦的10煤底板有效隔水層厚度為 20.75～56.53 m，平均厚度約為 46.01 m。由于煤層底板的有效隔水層厚度更能準(zhǔn)確的表示出煤層底板隔水層的隔水性能，因此選取10煤底板的有效隔水層厚度指標(biāo)來評價底板的突水性，利用插值法并根據(jù)10煤底板有效隔水層厚度的等值線圖來得出每個塊段的有效隔水層厚度，如圖2。

3 底板突水危險性預(yù)測

影響底板突水的因素可歸納為兩點:承壓水壓力和有效隔水層厚度及其阻水性能[2]。10煤層是楊柳煤礦的主采煤層，其承壓水上開采的成功與否直接關(guān)系的整個煤礦的開采安全，意義重大。本次采用灰色模糊綜合評價法對煤層底板的突水危險性進(jìn)行分區(qū)和評價，為10煤層的安全開采提供有利的地質(zhì)依據(jù)。

3.1 灰色模糊綜合評價法

模糊數(shù)學(xué)是將模糊信息用數(shù)學(xué)方法來描述的工具，揭露出模糊信息的本質(zhì)和規(guī)律?；疑碚撌怯脭?shù)學(xué)方法處理復(fù)雜系統(tǒng)，了解到系統(tǒng)內(nèi)部的變化趨勢以及相互關(guān)系等。若只用模糊數(shù)學(xué)法易使信息丟失;若只用灰色理論則不能體現(xiàn)評價規(guī)則的模糊性，兩種結(jié)果均會造成結(jié)果的偏差。因此，將這兩種方法結(jié)合運用進(jìn)行綜合評判，即灰色模糊綜合評判法。本次選取含水層厚度、巖溶裂隙發(fā)育、斷裂構(gòu)造、10煤至一灰的砂巖率以及底板隔水層的有效厚度作為評價指標(biāo)，建立數(shù)學(xué)模型，對底板的突水危險性進(jìn)行評價。

圖2 楊柳煤礦10煤底板至一灰頂厚度等值線圖

3.2 底板突水危險性評價

在建模前需將各影響因素進(jìn)行量化轉(zhuǎn)變?yōu)槎恳蛩?，以便建立模型，量化值如?所示。在模型中，選取斷裂分維值作為主序列(X0≡ X0(1)，X0(2)，…，X0(n

{}))，含水層厚度(X1)、巖心采取率(X2)、砂巖率(X3)、底板隔水層厚度(X4)作為子序列。首先對量化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，再根據(jù)子序列(Xi)與主系列(X0)在k點時的關(guān)聯(lián)度計算公式，即:

其中，Δi(k)=|X0(k)－Xi(k)|，ρ為分辨率系數(shù)，其值可以決定最大差對因素數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的影響程度，本次選取ρ=0.5。則子序列對主系列的關(guān)聯(lián)度系數(shù) γi為:

其中，n為樣本的個數(shù)，在本次模擬中劃分為56個塊段，因此n=56。在計算出關(guān)聯(lián)度系數(shù)后，對結(jié)果進(jìn)行單位化處理，得出因素權(quán)重[3](αi)。再選取含水層厚度、巖心采取率、斷裂分維值、砂巖率和底板隔水層厚度五個因素為底板突水危險性的評價指標(biāo)，則因素集可表示為 U={u1，u2，u3，u4，u5}。在模型的評價過程中，由于巖心采取率以及底板隔水層厚度兩個因素與其余的因素為負(fù)相關(guān)，因此為了便于計算，取其相對于的正值。對評價指標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，確定出突水危險性等級的評價標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。設(shè)評語集為 V={v1，v2，v3，v4}，其中，v1為安全區(qū);v2為相對安全區(qū);v3為威脅區(qū);v4為危險區(qū)。

表1 評價指標(biāo)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

因素集U與評語集V之間的模糊關(guān)系可以用矩陣R來表示:

其中，rij表示第i種因素可以被劃分為第 j級標(biāo)準(zhǔn)的可能性，即i對j的隸屬度。運用聚類權(quán)重的計算公式:

其中，n指所選取的評價因素的個數(shù)，在此n=5;Wi是其中的第i個評價因素的聚類權(quán)重值;xi是因素歸一化處理后的數(shù)值;Si1是第i個因素的評語集所相應(yīng)的1類和2類的分界值。

白化權(quán)函數(shù)可以對某對象隨評價指標(biāo)數(shù)據(jù)的大小而變化的過程進(jìn)行定量描述，能直觀反映出此評價對象隸屬與劃分的某個灰類的程度。白化函數(shù)的確定可以說是在評價過程中由定性分析到定量建模的關(guān)鍵。

基于模糊數(shù)學(xué)理論和表2中的評價指標(biāo)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，把底板突水危險性評價劃分為“安全區(qū)”、“相對安全區(qū)”、“威脅區(qū)”和“危險區(qū)”四個灰類等級。以底板的砂巖率為例，其四類白化權(quán)函數(shù)為:

3.3 灰色模糊計算

由上述白化權(quán)函數(shù)[4]，把各塊段內(nèi)的參數(shù)的值帶入函數(shù)得出其分別對于四個等級的白化權(quán)函數(shù)值。由得出的白化權(quán)函數(shù)值和之前計算的雙權(quán)重值，根據(jù)公式:

得出在第i個塊段中，第 j個因素屬于級別 k的聚類系數(shù)。其中，n為選取的評價因素的個數(shù)，在此 n=5;fij[k](xij)指第i個塊段中，第j個因素屬于級別 k的白化權(quán)函數(shù)值，ηij為其相應(yīng)的雙權(quán)重值。

以第一個塊段的突水危險性評價為例，根據(jù)上述計算公式分別求出其相對于四類等級的聚類系數(shù)值 σ1[1]、σ1[2]、σ1[3]、σ1[4]，如:σ1[1]= η11f11[1](x11)+ η12f12[1](x12)+ …，+η15 f15[1](x15)

同理，得出 σ1[2]、σ1[3]、σ1[4]的值。選取其中最大值所對應(yīng)的等級作為該塊段的突水危險性等級，結(jié)果如表2所示。

表2 楊柳煤礦10煤層底板突水危險性等級評價值及評價結(jié)果

Ⅱ

根據(jù)灰色模糊計算中得出的聚類系數(shù)值，得出危險性分區(qū)的預(yù)測結(jié)果，如表2所示。再根據(jù)之前礦區(qū)所劃分塊段的中心點坐標(biāo)，結(jié)合預(yù)測結(jié)果作出礦區(qū)底板突水危險性預(yù)測的分區(qū)圖，如圖3所示。

圖3 楊柳礦10煤層底板突水危險性分區(qū)圖

由評價結(jié)果顯示，本礦區(qū)的突水危險性等級主要為危險區(qū)、威脅區(qū)和相對安全區(qū)，其中相對安全區(qū)和威脅區(qū)約占到整個礦區(qū)面積的85%左右。在煤層的開采過程中，需重點對危險和威脅區(qū)進(jìn)行重點的勘探和預(yù)防。

4 結(jié)語

(1)通過對楊柳煤礦 10煤層隔水底板穩(wěn)定性分析，將煤層底板突水危險性影響因素統(tǒng)一無量綱化后進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度比較，不僅提高數(shù)據(jù)使用的準(zhǔn)確性，而且確定影響該煤層底板突水的主要因素含水層厚度、巖溶裂隙發(fā)育、斷裂構(gòu)造、10煤至一灰的砂巖率以及底板隔水層的有效厚度。

(2)以楊柳煤礦10煤層為例，選用灰色關(guān)聯(lián)分析法得出的“因素權(quán)重”和模糊聚類分析法得出的“程度權(quán)重”相結(jié)合的雙權(quán)重思想，不僅能夠給出突水主要控制因素，而且增加底板突水危險性評價的客觀性與準(zhǔn)確性。

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