鐵新煤礦9#煤層底板突水危險性評價*

孫曉宇

(1.天地科技建井研究院；2.北京中煤礦山工程有限公司)

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·安全·環(huán)保·

鐵新煤礦9#煤層底板突水危險性評價*

孫曉宇1,2

(1.天地科技建井研究院；2.北京中煤礦山工程有限公司)

為解決我國煤礦普遍面臨的煤層底板突水評價難題，以鐵新煤礦9#煤層為例，引入了基于GIS的AHP型脆弱性指數(shù)評價法。首先確定了影響煤層底板突水的9個主控因素，采用GIS數(shù)據(jù)分析、圖形可視化等功能對該類主控因素進(jìn)行量化分析處理，建立各子專題圖層；然后運用AHP法確定各主控因素的權(quán)重比例，在此基礎(chǔ)上提出了煤層底板突水脆弱性的分區(qū)方案，并根據(jù)各區(qū)特點提出了相應(yīng)的防治措施；最后分別采用傳統(tǒng)突水系數(shù)法、脆弱性指數(shù)法進(jìn)行了煤層底板突水危險性評價，結(jié)果表明：脆弱性指數(shù)法得出的評價結(jié)果更符合實際，對于指導(dǎo)該煤層安全開采有一定的參考價值。

煤層底板突水主控因素脆弱性指數(shù)法突水系數(shù)法

我國大部分煤田普遍存在煤層底板突水問題，往往會造成大量的人員傷亡以及無法彌補(bǔ)的經(jīng)濟(jì)損失[1]。為正確指導(dǎo)煤礦安全開采，需精確預(yù)測評價煤層底板突水。煤層底板突水是多種影響因素共同誘發(fā)的結(jié)果，發(fā)生過程多表現(xiàn)為非線性動態(tài)特征[2]，傳統(tǒng)的理論預(yù)測方法無法全面描述多因素影響下的非線性動力現(xiàn)象，而顧及了多種主控因素的脆弱性指數(shù)法可真實反映非常復(fù)雜突水機(jī)理的突水過程，有助于高效預(yù)測評價煤層底板突水。

鐵新煤礦位于靈石縣兩渡鎮(zhèn)太西村—閆家山村—新莊一帶，屬于陽泉曲—汾西盆狀復(fù)向斜構(gòu)造帶，井田內(nèi)地面向斜、背斜、斷層及滑坡構(gòu)造較發(fā)育，在礦井開拓過程中揭露了大量斷距較小的正斷層。鐵新煤礦水文地質(zhì)勘探鉆孔TX1、TX2、TX3揭露的奧灰峰峰組水位標(biāo)高均高于9#煤層隔水底板標(biāo)高，為94～115 m，屬于帶壓開采，可見9#煤層底板隔水層在一定程度上受到奧灰?guī)r溶含水層承壓水的影響，水壓最大值可達(dá)2.02 MPa，給煤礦的正常生產(chǎn)帶來了較嚴(yán)重的安全隱患。隨著礦井生產(chǎn)的不斷深入，如何解決奧灰?guī)r溶含水層承壓水對9#煤層開采帶來的威脅，保證礦井的安全生產(chǎn)和提高礦井經(jīng)濟(jì)效益，具有一定的現(xiàn)實意義。

1　煤層底板突水危險性評價

脆弱性指數(shù)法是一種將可確定影響煤層底板突水的多種主控因素的權(quán)重系數(shù)信息進(jìn)行融合并與具有強(qiáng)大空間信息分析處理功能的GIS耦合為一體的煤層底板突水預(yù)測方法[3]。本研究采用基于GIS的AHP脆弱性指數(shù)法對鐵新煤礦9#煤層底板突水危險性進(jìn)行預(yù)測評價。首先，采用GIS對鐵新煤礦9#煤層底板突水各主控因素的圖形信息進(jìn)行量化；其次，采用AHP對各主控因素進(jìn)行定量化處理，分別計算出對煤層底板突水的影響權(quán)重；最后，將AHP對影響煤層底板突水的各主控因素權(quán)重的計算結(jié)果通過GIS的空間復(fù)合疊加功能進(jìn)行煤層底板突水脆弱性評價分析[4]，并以圖形的形式將煤層底板突水分區(qū)結(jié)果直觀地反應(yīng)出來。

1.1主控因素確定及專題圖繪制

通過分析鐵新煤礦的水文、地質(zhì)及生產(chǎn)資料以及突水因素，并結(jié)合煤層底板水害主控因素指標(biāo)體系[5-6]，確定了影響鐵新煤礦9#煤層底板突水的9個主控因素，即奧灰?guī)r溶含水層水壓、含水層富水性、礦壓破壞帶深度、斷層規(guī)模指數(shù)、斷層褶皺軸的分布、斷層褶皺交點和端點分布、礦壓破壞帶下脆性巖厚度、有效隔水層等效厚度、含水層頂部古風(fēng)化殼厚度。

主控因素專題圖是指能夠反映該主控因素在評價范圍內(nèi)分布狀況的圖件，并附有相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)。首先，通過對影響鐵新煤礦9#煤層底板突水的9個主控因素的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析；然后利用GIS進(jìn)行插值計算處理；最后通過GIS的圖形輸出系統(tǒng)輸出各主控因素專題圖(圖1)。

圖1　煤層底板突水主控因素專題圖

1.2各主控因素影響權(quán)重確定1.2.1層次結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建

將影響鐵新煤礦9#煤層底板突水的9個主控因素劃分為3個層次[6](圖2)，其中，煤層底板突水脆弱性評價為A層次，作為煤層底板突水評價模型的目標(biāo)層；B層次作為煤層底板突水可能性的準(zhǔn)則層；C層次作為煤層底板突水的決策層。

1.2.2主控因素影響權(quán)重

本研究采用AHP法計算了鐵新煤礦9#煤層底板各主控因素對突水脆弱性的貢獻(xiàn)權(quán)重，結(jié)果表1。

1.3煤層底板突水脆弱性評價分區(qū)1.3.1專題圖數(shù)據(jù)歸一化

為有效消除影響鐵新煤礦9#煤層底板突水的9個主控因素各自數(shù)據(jù)之間的不同量綱，需對該9個主控因素的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，使不同量綱的數(shù)據(jù)相對化，便于進(jìn)行統(tǒng)計分析[7]，歸一化公式為

圖2　奧灰突水脆弱性評價層次分析結(jié)構(gòu)模型

(1)

式中，Ai為歸一化后數(shù)據(jù)；Xi為歸一化前數(shù)據(jù)，min(xi)、max(xi)分別為各主控因素量化值的最小值和最大值。

在影響鐵新煤礦9#煤層底板突水的9個主控因素中，有效隔水層等效厚度、隔水層脆性巖厚度及古風(fēng)化殼厚度3個主控因素為正相關(guān)因素，對于該3個正相關(guān)主控因素可直接進(jìn)行歸一化處理；而對于其他6個負(fù)相關(guān)主控因素，本研究采用(1-Ai)的方式進(jìn)行歸一化，求出負(fù)向相關(guān)因素的歸一化值。

表1　影響煤層底板突水各主控因素權(quán)重

1.3.2主控因素歸一化專題圖繪制

鐵新煤礦9#煤層底板突水的9個主控因素的原始數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)一歸一化處理后，便可建立該9個主控因素的歸一化屬性數(shù)據(jù)庫。歸一化屬性數(shù)據(jù)庫經(jīng)GIS處理后，便可繪制出該9個主控因素的歸一化專題圖。

1.3.3專題圖復(fù)合疊加

首先，將鐵新煤礦9#煤層底板突水的9個主控因素歸一化專題圖消除量綱；然后，通過GIS配準(zhǔn)合成一個新的圖形，并附有新的拓?fù)潢P(guān)系屬性表；最后，將9個主控因素歸一化專題圖通過GIS的疊加功能進(jìn)行疊加處理，生成一個包含所有相關(guān)因素信息的疊加圖。

1.3.4脆弱性指數(shù)法模型構(gòu)建

根據(jù)脆弱性指數(shù)法的脆弱性模型可得出鐵新煤礦9#煤層底板突水的脆弱性模型為[8]

Ⅵ=0.196 92 f1+0.098 46 f2+0.223 58 f3+0.074 53 f4+

0.074 53 f5+0.155 71 f6+0.047 15 f7+0.042 86 f8+0.086 26 f9，

(2)

式中，f1,f2,…,f9為各主控因素影響值函數(shù)。

1.3.5煤層底板突水脆弱性分區(qū)評價

根據(jù)所求的脆弱性指數(shù)進(jìn)行鐵新煤礦9#煤層底板突水脆弱性分區(qū)，首先對脆弱性指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析；然后繪制出鐵新煤礦9#煤層底板突水脆弱性指數(shù)Ⅵ累計統(tǒng)計直方圖[9](圖3)；最后在該圖中找出拐點值作為分區(qū)閾值，確定相應(yīng)的脆弱性分區(qū)。

圖3　底板突水脆弱性指數(shù)頻數(shù)Ⅵ累計統(tǒng)計直方圖

根據(jù)分級閾值將研究區(qū)域劃分為5個區(qū)域，Ⅵ∈(0.6，0.79)為脆弱區(qū)，屬于Ⅰ區(qū)；Ⅵ∈(0.48，0.6)為較脆弱區(qū)，屬于Ⅱ區(qū)；Ⅵ∈(0.36，0.48)為過渡區(qū)，屬于Ⅲ區(qū)；Ⅵ∈(0.24，0.36)為較安全區(qū)，屬于Ⅳ區(qū)；Ⅵ∈(0.09，0.24)為相對安全區(qū)，屬于Ⅴ區(qū)。通過對確定閾值和劃分區(qū)域，得到了鐵新煤礦9#煤層底板突水脆弱性評價分區(qū)圖(圖4)。

圖4　9#煤層底板突水脆弱性評價分區(qū)

1.3.6評價結(jié)果

(1)礦區(qū)范圍內(nèi)9#煤層底板奧灰突水可能性總體較低，呈EW向過渡態(tài)勢，礦區(qū)西部為相對安全區(qū)，礦區(qū)東部為較安全區(qū)，根據(jù)各主控因素的分析，奧灰突水的可能性不大。

(2)T10、T2鉆孔附近區(qū)域?qū)儆谶^渡區(qū)域，在掘進(jìn)過程中應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行“有掘必探，先探后掘”的探放水原則，根據(jù)水量和水壓的變化情況采取疏水降壓和注漿改造的防治水措施。

(3)礦區(qū)范圍內(nèi)斷層和褶皺分布的區(qū)域大部分屬于過渡區(qū)，有小部分屬于較脆弱區(qū)，由于該類構(gòu)造的存在破壞了隔水地層的連續(xù)性，當(dāng)生產(chǎn)中遇到該類構(gòu)造時，可能會作為導(dǎo)水通道直接或間接地將奧灰水引入工作面造成嚴(yán)重后果。因此，在生產(chǎn)過程中，須確切查明斷裂帶的走向、傾向、傾角和斷距及其沿走向的變化，正確合理地留設(shè)防隔水煤(巖)柱。個別巷道須穿越斷裂時，則須超前探查和注漿加固，并注意可能發(fā)生的“延遲滯后型突水”問題。

2　脆弱性指數(shù)評價法與突水系數(shù)評價法比較

突水系數(shù)計算公式為

(3)

式中，T為突水系數(shù)，MPa/m；M為底板隔水層厚度，m；P為底板隔水層承受的水壓，MPa。

通過對研究區(qū)相關(guān)水文地質(zhì)資料的統(tǒng)計分析，可知9#煤層底板隔水層厚24～37.8 m，水壓為0.42～2.02 MPa。根據(jù)突水系數(shù)評價方法進(jìn)行計算分析可知，研究區(qū)內(nèi)的突水系數(shù)為0.013～0.053 MPa/m。

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》，在構(gòu)造發(fā)育地段的臨界突水系數(shù)值為0.06 MPa/m，在正常地段的臨界突水系數(shù)值為0.1 MPa/m。由于研究區(qū)構(gòu)造較發(fā)育，為安全考慮，取臨界突水系數(shù)0.06 MPa/m，對研究區(qū)9#煤層進(jìn)行了突水危險性評價分區(qū)，結(jié)果見圖5。由圖5可知：研究區(qū)9#煤層底板奧灰突水系數(shù)值都在0.06 MPa/m以下，全區(qū)處于安全區(qū)內(nèi)。

圖5　9#煤層底板突水危險性評價分區(qū)

圖4、圖5對比分析結(jié)果表明：①突水系數(shù)法評價結(jié)果僅有安全區(qū)，無相應(yīng)的過渡區(qū)，顯然與鐵新煤礦實際地質(zhì)情況不符；而脆弱性指數(shù)法評價結(jié)果較精細(xì)，從相對安全區(qū)到脆弱區(qū)大致分為5個區(qū)，與鐵新煤礦實際地質(zhì)情況的擬合性較好；②突水系數(shù)法僅考慮了煤層底板隔水層厚度及煤層底板隔水層承受的水壓，未考慮斷層、褶皺等構(gòu)造的影響，因此突水系數(shù)法的評價結(jié)果與脆弱性指數(shù)法相比較粗略；③脆弱性指數(shù)法顧及了奧灰水壓、富水性、煤層底板有效隔水層等效厚度等多種煤層底板突水影響因素，而非僅考慮煤層底板承受的奧灰含水層水壓與隔水層厚度，因而評價結(jié)果較準(zhǔn)確。

3　結(jié)　語

以鐵新煤礦9#煤層為例，分析了其底板突水的9個主控因素及相應(yīng)的權(quán)重，該類因素共同影響9#煤層底板突水的演變過程。通過構(gòu)建鐵新煤礦9#煤層底板突水脆弱性指數(shù)法評價模型，得出了該礦9#煤層底板突水脆弱性評價分區(qū)圖，并根據(jù)各區(qū)的特點提出了相應(yīng)的對策與建議。傳統(tǒng)突水系數(shù)法、脆弱性指數(shù)法的煤層底板突水危險性評價結(jié)果表明，后者評價結(jié)果更符合該礦實際情況，對于確保該煤層的安全開采有一定的借鑒價值。

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9#Coal Seam Floor Water Bursting Vulnerability Evaluation in Tiexin Coal Mine

Sun Xiaoyu1,2

(1.Institute of Mine Construction, Tiandi Science & Technology Co., Ltd;2. Beijing China Coal Mine Engineering Co., Ltd)

In order to solve the difficult evaluation problems of the coal seam floor water bursting in China,taking the 9#coal seam in Tiexin coal mine as the research example,the vulnerability index evaluation method based on GIS (Geological information system) and AHP (Analytic hierarchy process) method is proposed.Firstly,the nine main controlling factors that affect the coal seam floor water bursting are analyzed,the nine main controlling factors are taken quantitative processing by adopting the data analysis and graph visualization function of GIS to establish the thematic layers;then,the weighted percentage of each main controlling factor is determined by adopting AHP method,the coal seam floor water bursting vulnerability zoning scheme is proposed,the corresponding prevention measures are taken based on the characteristics of each zone;Finally,the coal seam floor water vulnerability evaluation is conducted by adopting the traditional water bursting coefficient method and the vulnerability index method,the results show that the evaluation results of vulnerability index method is more truthful,it has practical significance to safety production of 9#coal seam of Tiexin coal mine.

Coal seam floor water bursting,Main controlling factor,Vulnerability index method,Water bursting coefficient method

2016-05-30)

*天地科技技術(shù)創(chuàng)新基金項目(編號：KJ-2014-BJZM-03)

孫曉宇(1985—)，男，助理研究員，碩士，100013 北京市朝陽區(qū)和平里青年溝東路5號。