十二采區(qū)3煤層頂板富水性預(yù)測(cè)研究

呂文茂　張廣學(xué)　劉高強(qiáng)

【摘 要】濟(jì)寧三號(hào)煤礦十二采區(qū)3煤開采受頂板水威脅，頂板富水性的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)尤為重要。其主要決定因素為：頂板砂巖厚度、砂泥巖組合及砂巖含量、構(gòu)造復(fù)雜程度（斷裂分維數(shù)）。本文以此三個(gè)因素為研究對(duì)象，運(yùn)用模糊聚類分析法對(duì)采區(qū)的富水性進(jìn)行分級(jí)分區(qū)，為砂巖水的防治提供參考依據(jù)，保證3煤的安全開采。

【關(guān)鍵詞】頂板水；富水性；模糊聚類分析法

Twelve No. 3 coal seam roof water abundance prediction research

LV Wen-mao1 ZHANG Guang-xue1 LIU Gao-qiang2

（Jining No.3 coal mine， Shandong Province， Jining 272100，China；

2.Shandong Coal Mine Safety Supervision Bureau， Luxi Supervision Bureau， Shandong Province， Jining 272100，China）

【Abstract】Jining No. three coal mine twelve mining area of 3 coal mining under the threat of the roof water， accurate prediction of roof water abundance is particularly important. The main determinants： roof sandstone thickness and sand mudstone and sandstone content， complex structure （fracture fractal dimension）. based on three factors as the research object， using fuzzy cluster analysis method of the mining area water abundance of zoning classification， so as to provide reference for the prevention and treatment of sandstone water， guarantee the safety of the exploitation of the coal.

【Key words】Roof water； Water rich； Fuzzy clustering analysis method

1 概況

1.1 地質(zhì)概況

濟(jì)寧三號(hào)煤礦位于濟(jì)寧煤田中部南北向的濟(jì)寧地塹構(gòu)造內(nèi)，研究區(qū)以孫氏店斷層和濟(jì)寧斷層為東西部邊界，地層總體構(gòu)造形態(tài)為一單斜構(gòu)造，淺部具寬緩褶曲。本區(qū)地層區(qū)劃屬華北地層區(qū)魯西地層分區(qū)濟(jì)寧地層小區(qū)，為全隱蔽型煤田。鉆孔資料揭露，地層由老至新依次為：奧陶系下統(tǒng)、奧陶系中統(tǒng)、石炭系中統(tǒng)、石炭系上統(tǒng)、下二疊統(tǒng)、上二疊統(tǒng)、上侏羅統(tǒng)、第四系。含煤地層為石炭-二疊系山西組和太原組，主要可采煤層為3上煤層、3下煤層。

1.2 水文地質(zhì)概況

井田內(nèi)主要含水層從上到下主要有：第四系砂及砂礫含水層，侏羅系砂巖孔隙裂隙含水層，二疊系山西組3煤層頂?shù)撞可皫r裂隙含水層，石炭～二疊系太原組第三、十下層石灰?guī)r巖溶裂隙含水層，奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層。除第四系上組砂及砂礫層外，其余含水層對(duì)煤礦開采均有充水影響，其中山西組砂巖、太原組第三、十下層石灰?guī)r為直接充水含水層。由于第四系中組為區(qū)域隔水層，故上述含水層除第四系上組和奧灰外，其余含水層皆以靜儲(chǔ)量為主，補(bǔ)給、徑流、排泄條件均不良。

2 富水性影響因素及預(yù)測(cè)指標(biāo)

應(yīng)用模糊聚類分析法進(jìn)行煤層頂板富水性預(yù)測(cè)，對(duì)十二采區(qū)的富水性的評(píng)價(jià)主要考慮的對(duì)象為頂板砂巖厚度、砂泥巖組合及砂巖含量、構(gòu)造復(fù)雜程度。

2.1 頂板砂巖厚度

3煤上層地層巖性主要由中粗砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、粉細(xì)互層、泥巖及粘土巖構(gòu)成。3煤頂板砂巖是指在3煤頂板到侏羅系底部范圍內(nèi)，位于3煤開采最大裂高范圍內(nèi)的砂巖。

在距煤層頂板25m（約為導(dǎo)水裂隙帶）范圍內(nèi)，3上煤頂板巖性一般以砂巖、粉砂巖和泥巖為主。本次采用十二采區(qū)內(nèi)及附近14個(gè)鉆孔的3上煤頂板砂巖厚度繪制厚度等值線，由圖可知道在十二采區(qū)3上煤頂板砂巖厚度在采區(qū)內(nèi)變化很大，總體呈現(xiàn)北厚南薄的特征，北部砂體厚度基本大于14m，南部砂體厚度基本小于6m。

在煤層之上80m（約為導(dǎo)水裂隙帶）范圍內(nèi)，3下煤頂板巖性一般以粉、細(xì)粒砂巖為主，北西部為中、粗粒砂巖。采用十二采區(qū)內(nèi)及附近14個(gè)鉆孔的3下煤頂板砂巖厚度繪制厚度等值線圖，由圖可知道在采區(qū)范圍內(nèi)，3下煤頂板砂巖厚度呈現(xiàn)西厚東薄、北厚南薄的趨勢(shì)特征，采區(qū)西北部的砂體厚度最大，為72.48m；東南部砂體厚度最小，為4.75m。

2.2 砂泥巖組合及砂巖含量

十二采區(qū)3煤層頂板巖性由中粗砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、粉細(xì)互層、泥巖和粘土巖構(gòu)成；巖性組合方式主要考慮砂巖和泥巖的相對(duì)比例。本報(bào)告采用3煤頂板砂巖含量百分比來分析。3煤頂板砂巖含量為最大裂高范圍內(nèi)3煤頂板砂巖厚度所占的比例，即有：

S=m/Hli（1）

式中：S為砂巖含量，用小數(shù)來表示；

m為砂巖厚度；

Hli為最大裂高。

根據(jù)十二采區(qū)內(nèi)及附近14個(gè)鉆孔的3上煤頂板砂巖百分比繪制砂巖含量等值線統(tǒng)計(jì)圖，從3上煤頂板砂巖含量等值線圖上可以看出在采區(qū)范圍內(nèi)砂巖含量變化很大，砂巖含量高的部位在采區(qū)北部，低的部位即泥巖含量高的部位在采區(qū)的南部。變化趨勢(shì)與3上煤層頂板砂巖變化一致。總體上，由南向北，砂巖巖含量增加，泥巖含量減少。

統(tǒng)計(jì)十二采區(qū)內(nèi)及附近14個(gè)鉆孔的3下煤頂板砂巖百分比并繪制了砂巖含量等值線統(tǒng)計(jì)圖，從3下煤頂板砂巖含量等值線圖上可以看出在采區(qū)范圍內(nèi)砂巖含量變化很大，砂巖含量最高的部位在采區(qū)西北部，低的部位即泥巖含量高的部位在采區(qū)的東南部?？傮w上，由東南向西北，砂巖含量逐漸增加。

2.3 構(gòu)造復(fù)雜程度

一般用分維值來定量表述斷裂構(gòu)造的復(fù)雜程度。斷裂的分維值越大，斷裂越發(fā)育；斷裂分維值越小，斷裂越不發(fā)育。斷裂發(fā)育時(shí)，砂巖的富水性強(qiáng)；反之，砂巖的富水性弱。依據(jù)十二采區(qū)構(gòu)造綱要圖繪制斷裂構(gòu)造分維等值線圖，從圖可以看出在采區(qū)范圍內(nèi)：斷層密集的部位，分維值較大；斷層稀疏的部位，分維值低；采區(qū)內(nèi)中部南北條帶構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，分維值低，向采區(qū)東西兩側(cè)變大。

3 頂板富水性預(yù)測(cè)

3.1 3上煤層富水性預(yù)測(cè)

采用十二采區(qū)內(nèi)及附近14個(gè)鉆孔的砂巖厚度、砂巖百分比及斷層分維數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析。所使用原始及標(biāo)準(zhǔn)化后再標(biāo)定、聚類，最后得到的聚類數(shù)據(jù)是一個(gè)14×14矩陣，將矩陣輸入Matlab中得到聚類圖（圖1）。

圖1 3上煤層聚類圖

結(jié)合聚類圖，考慮各鉆孔分布的空間位置及富水性分區(qū)的均衡性，獲得聚類結(jié)果（見表1）。進(jìn)一步綜合砂巖厚度、砂巖百分比含量及斷層分維數(shù)等各因素（主要考慮斷層分維數(shù)），將聚類結(jié)果加以修正，得出聚類后各鉆孔的富水性強(qiáng)弱等級(jí)（見表2）。然后繪制得富水性分區(qū)圖2。由3上煤層頂板富水性分區(qū)聚類圖可以看出，采區(qū)東北部及西部和南部小部分區(qū)域?yàn)楦凰詮?qiáng)區(qū)域；采區(qū)西南部及中部小部分區(qū)域?yàn)楦凰匀鯀^(qū)域；其余區(qū)域?yàn)楦凰灾械葏^(qū)域。

表1 3上煤層頂板富水性聚類結(jié)果表

注：1類為富水性弱鉆孔，2類為富水性中等鉆孔，3類為富水性強(qiáng)鉆孔。

表2 3上煤層頂板富水性強(qiáng)弱聚類評(píng)價(jià)表

圖2 3上煤層頂板富水性分區(qū)聚類圖

3.2 3下煤層富水性預(yù)測(cè)

采用采區(qū)內(nèi)及附近16個(gè)鉆孔的砂巖厚度、砂巖百分比及斷層分維數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后，再標(biāo)定、聚類，最后得到的聚類數(shù)據(jù)是一個(gè)16×16矩陣，將矩陣輸入Matlab中得到聚類圖（圖3）。

圖3 3下煤層聚類圖

同樣的方法獲得聚類結(jié)果（表3）和修正后的各鉆孔富水性強(qiáng)弱等級(jí)（表4），進(jìn)而繪制聚類富水性分區(qū)圖（圖4）。

由3下煤層頂板富水性分區(qū)聚類圖可以看出，采區(qū)東北部及西部小部分區(qū)域?yàn)楦凰詮?qiáng)區(qū)域；采區(qū)中部和西南部區(qū)域?yàn)楦凰匀鯀^(qū)域，其余區(qū)域?yàn)楦凰灾械葏^(qū)域。

5 結(jié)論

運(yùn)用模糊聚類法進(jìn)行頂板富水性預(yù)測(cè)，可以綜合考慮多方面因素，較全面準(zhǔn)確的得到頂板富水情況。本文以頂板砂巖厚度、砂泥巖組合及砂巖含量、構(gòu)造復(fù)雜程度三個(gè)因素為研究對(duì)象，運(yùn)用模糊聚類分析法對(duì)采區(qū)的富水性進(jìn)行分級(jí)分區(qū)，并得到以下結(jié)論：

1）在3上煤層采區(qū)東北部及西部和南部小部分區(qū)域?yàn)楦凰詮?qiáng)區(qū)域；采區(qū)西南部及中部小部分區(qū)域?yàn)楦凰匀鯀^(qū)域；其余部分為富水性中等區(qū)域。

2）3下煤層采區(qū)東北部及西部小部分區(qū)域?yàn)楦凰詮?qiáng)區(qū)域；采區(qū)中部和西南部區(qū)域?yàn)楦凰匀鯀^(qū)域，其余區(qū)域?yàn)楦凰灾械葏^(qū)域。

表3 3下煤層頂板富水性聚類結(jié)果表

注：1類為富水性弱鉆孔，2類為富水性中等鉆孔，3類為富水性強(qiáng)鉆孔。

表4 3下煤層頂板富水性強(qiáng)弱聚類評(píng)價(jià)表

圖4 3下煤層頂板富水性分區(qū)聚類圖

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]