基于單位面積靜涌水量的煤層頂板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

方向清

(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局，河北邯鄲 056004)

目前煤層頂板危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)主要方法有 “三圖雙預(yù)測(cè)方法”和“導(dǎo)水裂縫帶最大高度”等，評(píng)價(jià)的主要因子為富水性(鉆孔單位涌水量，L/(m·s))，只是定性評(píng)價(jià)，不能定量評(píng)價(jià)。本文采用單位面積靜涌水量[1]作為評(píng)價(jià)因子，運(yùn)用空間分析平臺(tái)，提出了煤層頂板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法，為煤層頂板危險(xiǎn)性定量評(píng)價(jià)提出了可行的技術(shù)方案。

對(duì)于煤層頂板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)主要是在查明充水水源、充水通道的基礎(chǔ)上，評(píng)價(jià)充水水源的充水強(qiáng)度。當(dāng)充水水源為含水層時(shí)，目前評(píng)價(jià)含水層充水強(qiáng)度的主要依據(jù)是充水含水層的富水性。當(dāng)充水含水層厚度比較小時(shí)，工作區(qū)內(nèi)含水層所賦存的地下水的體積較小，含水層的富水性基本上能反映充水強(qiáng)度。但當(dāng)含水層厚度比較大時(shí)，盡管含水層的富水性弱，但工作區(qū)內(nèi)含水層所賦存的地下水的體積較大，煤礦回采初始期，充水含水層的涌水量較大(圖1)[2]，因而，含水層的富水性不能完全反映含水層的充水強(qiáng)度，含水層中賦存的地下水的體積，即靜涌水量[1]將是不可忽略的重要因素。

圖1 某礦工作面礦井涌水量與回采步距關(guān)系[2]Figure 1 Relationship between face mine water inflow and stoping space in a coalmine[2]

1 方法原理

本評(píng)價(jià)方法主要是依據(jù)煤層開(kāi)采時(shí)產(chǎn)生導(dǎo)水裂縫帶范圍內(nèi)各充水含水層的單位面積靜涌水量的大小，來(lái)判別突水危險(xiǎn)性的大小。為此，除了需要煤層開(kāi)采產(chǎn)生的導(dǎo)水裂縫帶高度分布特征和各充水含水層的單位面積靜涌水量分布特征外，還需要煤層頂板標(biāo)高分布特征、各充水含水層底板標(biāo)高分布特征。采用空間分析平臺(tái)(如MAPGIS、ARCGIS等)對(duì)煤層頂板標(biāo)高分布特征和開(kāi)采產(chǎn)生的導(dǎo)水裂縫帶高度分布特征進(jìn)行拓?fù)浞治?，建立煤層開(kāi)采產(chǎn)生的導(dǎo)水裂縫帶高度標(biāo)高分布特征；再對(duì)導(dǎo)水裂縫帶高度標(biāo)高分布特征、各充水含水層的單位涌水量分布特征和各充水含水層底板標(biāo)高分布特征進(jìn)行拓?fù)浞治?，建立煤層危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)三要素分布特征；進(jìn)一步通過(guò)導(dǎo)通充水含水層的單位面積靜涌水量的大小、保護(hù)層厚度分析判別，確定突水危險(xiǎn)性等級(jí)(圖2)。

圖2 工作流程Figure 2 Workflow

1.1 單位靜涌水量的計(jì)算

工作區(qū)范圍單位面積靜涌水量根據(jù)勘查資料，采用公式(1)[1]進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：μij——i含水層j單元的給水度；

Hij——i含水層j單元的厚度。

1.2 相關(guān)參數(shù)的獲取

導(dǎo)水裂縫帶高度有兩種方法，一種是通過(guò)探測(cè)手段進(jìn)行實(shí)測(cè)；再者就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，如果沒(méi)有針對(duì)礦區(qū)的專(zhuān)門(mén)公式，可選擇《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》相應(yīng)公式的計(jì)算。

各充水含水層底板標(biāo)高和煤層頂板標(biāo)高由勘查資料等獲得。

1.3 計(jì)算分析步驟

第一步，獲取勘查資料。各頂板充水含水層的特征:靜涌水量(Q靜)、充水含水層底板標(biāo)高；煤層導(dǎo)水裂縫帶高度標(biāo)高(H)，煤層頂板標(biāo)高。

第二步，選擇空間分析平臺(tái)，如MAPGIS系列，ARCGIS系列。分別建立各頂板充水含水層底板標(biāo)高的分布模型、各充水含水層單位面積靜涌水量分布模型。

第三步，對(duì)導(dǎo)水裂縫帶高度模型、煤層頂板標(biāo)高模型進(jìn)行空間拓?fù)浞治?，建立煤層?dǎo)水裂縫帶高度標(biāo)高(H) 分布模型。

第四步，對(duì)煤層導(dǎo)水裂縫帶高度標(biāo)高(H) 分布模型、各頂板充水含水層底板標(biāo)高的分布模型進(jìn)行空間拓?fù)浞治?，建立煤層?dǎo)水裂縫帶導(dǎo)通各充水含水層模型，并計(jì)算導(dǎo)通值。各充水含層導(dǎo)通值等于導(dǎo)水裂縫帶高度標(biāo)高(H)減去相應(yīng)頂板充水含水層底板標(biāo)高。

第五步，對(duì)煤層導(dǎo)水裂縫帶導(dǎo)通充水含水層模型和充水含水層單位靜涌水量分布模型進(jìn)行空間拓?fù)浞治?，建立危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)模型。

第六步，根據(jù)導(dǎo)通值將評(píng)價(jià)區(qū)分為安全區(qū)、相對(duì)危險(xiǎn)區(qū)、危險(xiǎn)性區(qū)；再根據(jù)單位靜涌水量大小，將危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)一步分區(qū)，如可分為危險(xiǎn)較小區(qū)、危險(xiǎn)中等區(qū)、危險(xiǎn)大區(qū)、危險(xiǎn)極大區(qū)等。判別值根據(jù)已知相似礦區(qū)進(jìn)行確定。

2 實(shí)例分析

2.1 研究區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

葫蘆素井田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東勝煤田呼吉爾特礦區(qū)，區(qū)內(nèi)的主要地層由老至新為：三疊系上統(tǒng)延長(zhǎng)組、侏羅系中統(tǒng)延安組、直羅組、安定組、白堊系下統(tǒng)志丹群及第四系。其中延安組第三巖段含2煤組，含可采煤層2層，即2-1、2-2煤層。

2.1.1 主要含水層

研究區(qū)發(fā)育第四系松散孔隙含水層，白堊系孔隙、裂隙含水層，侏羅系砂巖裂隙含水層三個(gè)含水層組。

第四系松散孔隙含水層由全新統(tǒng)風(fēng)積砂和更新統(tǒng)薩拉烏蘇組沖湖積砂組成，巖性為灰黃色、黃褐色中細(xì)砂、粉細(xì)砂、亞黏土、亞砂土，厚度4.50～61.58m，平均25.57m，遍布全區(qū)。單位涌水量0.25～4.130 L/(s·m)，富水性中等至強(qiáng)。水化學(xué)類(lèi)型為HCO3- Ca·Mg ·Na、HCO3·SO4-Ca·Na，水質(zhì)良好。

白堊系孔隙、裂隙含水層。巖性為淺紫、紫紅色、黃綠色細(xì)砂巖、中砂、粗砂巖、礫巖、砂礫巖，間夾有泥巖、砂質(zhì)泥巖，膠結(jié)物以鈣質(zhì)為主。厚度332.1～355.05m，平均343.6m。單位涌水量0.1140～0.291 8 L/(s·m)，富水性中等，富水性均勻，水化學(xué)類(lèi)型為HCO3—Na，水質(zhì)良好。

侏羅系砂巖裂隙含水層分為2-2煤頂板砂巖裂隙含水層和2～6煤砂巖裂隙含水層。

2-2煤頂板含水層主要有安定組、直羅組。巖性由細(xì)-粗砂巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖組成。單位涌水量0.003 3～0.177 0 L/(s·m)，富水性弱-中等，與上覆白堊系含水層有水力聯(lián)系的地段富水性中等，水化學(xué)類(lèi)型為HCO3·SO4—Na、SO4·HCO3—Na、HCO3·Cl—Na、SO4—Na。

2～6煤砂巖裂隙含水層，巖性以細(xì)砂巖、中粒砂巖為主。砂巖厚度總體由東南向西北逐漸變薄，在東北部局部地段較薄。單位涌水量0.000 3～0.041 0 L/(s·m)，富水性弱，水化學(xué)類(lèi)型為SO4·Cl-Na、SO4-Na。

2.1.2 主要隔水層

第四系與白堊系呈不整合接觸，第四系底部沒(méi)有隔水層與白堊系相隔離，局部地段存在一層到數(shù)層起阻水作用的巖層，其巖性以砂質(zhì)泥巖和泥巖為主，厚度0～27m，穩(wěn)定性差，砂質(zhì)含量高，為一個(gè)弱透水層。

白堊系底部為黃綠色粗砂巖及灰黃綠色礫巖、砂礫巖，含礫粗砂巖互層，與下伏安定組呈不整合接觸。白堊系底部沒(méi)有隔水層。侏羅系頂板存在數(shù)層砂質(zhì)泥巖、泥巖，厚度2.75～51.00m，為一個(gè)弱透水層。

2.1.3 各含水層水力聯(lián)系

第四系含水層與白堊系含水層之間局部雖存在隔水層，但厚度薄且不連續(xù)，穩(wěn)定性差，砂質(zhì)含量較高，隔水性能差，且位于基巖風(fēng)化殼附近，水位相近，各離子含量雖有差距但不大，地下水水化學(xué)類(lèi)型基本一致，說(shuō)明二者之間有較好的水力聯(lián)系。

2.1.4 充水條件

2煤冒落裂隙帶發(fā)育高度為67.34～79.71m，只能溝通侏羅系直羅組砂巖裂隙水。

2煤頂板的直接充水水源為直羅組砂巖裂隙水；間接充水水源主要包括：安定組砂巖裂隙水、白堊系孔隙—裂隙水、第四系孔隙水。

2煤的主要充水通道為采煤引起的導(dǎo)水裂縫。其次為不良封閉鉆孔。

如前所述，按既往的認(rèn)識(shí)2煤直接充水水源直羅組砂巖裂隙水富水性弱，只西部局部地段富水性中等，但直羅組砂巖裂隙水含水層度較大(表1)。

2.2 2#煤頂板危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

根據(jù)勘查成果2#煤基本資料如表2所示，其中單位面積靜涌水量計(jì)算方法采用文獻(xiàn)1方法計(jì)算。

運(yùn)用空間分析平臺(tái)(如MAPGIS)采用表2數(shù)據(jù)，分別建立白堊系含水層底板標(biāo)高、2#煤頂板侏羅系含水層底板標(biāo)高、2#煤導(dǎo)水裂縫帶高度、2#煤頂板標(biāo)高、白堊系含水層單位面積靜涌水量、2#煤頂板侏羅系含水層單位面積靜涌水量分布模型如圖3至圖8。

將2#煤導(dǎo)水裂縫帶高度與2#煤頂板標(biāo)高進(jìn)行空間拓?fù)浞治鼋?#煤導(dǎo)水裂縫帶高度標(biāo)高分布模型(圖9)，將2#煤導(dǎo)水裂縫帶高度標(biāo)高分布模型與白堊系含水層底板標(biāo)高分布模型、2#煤頂板侏羅系含水層底板標(biāo)高分布模型分別進(jìn)行空間拓?fù)浞治鼋?dǎo)通值分布模型(圖10、圖11)。

由圖10可知，導(dǎo)通值大于0，2#煤導(dǎo)水裂縫帶已發(fā)育到其頂板的侏羅系含水層內(nèi)部，也就是說(shuō)2#煤頂板侏羅系含水層的靜涌水量威脅到了2#煤開(kāi)采安全，評(píng)價(jià)區(qū)整體為危險(xiǎn)區(qū)。由圖11可知導(dǎo)通值小于0，2#煤導(dǎo)水裂縫帶距其頂板的白堊系含水層180m以上；白堊系含水層與侏羅系含水層之間存在相對(duì)的弱隔水層(表3)， 評(píng)價(jià)區(qū)根據(jù)物探資料未見(jiàn)斷層，也就是說(shuō)2#煤頂板白堊系含水層的靜涌水量威脅2#煤開(kāi)采安全可能比較小，進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)時(shí)不必考慮白堊系含水層的影響。

表1 直羅組砂巖裂隙水含水層厚度[3]

表2 某礦勘查成果[3]

圖3 白堊系含水層底板標(biāo)高分布模型Figure 3 Cretaceous aquifer floor elevation distribution model

圖4 2#煤頂板侏羅系含水層底板標(biāo)高分布模型Figure 4 Coal No.2 roof Jurassic aquifer floor elevation distribution model

圖5 2#煤導(dǎo)水裂縫帶高度分布模型Figure 5 Coal No.2 roof water conducted zone height distribution model

圖6 2#煤頂板標(biāo)高分布模型Figure 6 Coal No.2 roof elevation distribution model

圖7 白堊系含水層單位面積靜涌水量Figure 7 Cretaceous aquifer static water inflow per unit area

圖8 2#煤頂板侏羅系含水層單位面積靜涌水量Figure 8 Coal No.2 roof Jurassic aquifer static water inflow per unit area

圖9 2#煤導(dǎo)水裂縫帶高度標(biāo)高分布模型Figure 9 Coal No.2 roof water conducted zone height elevation distribution model

圖10 2#煤頂板侏羅系含水層導(dǎo)通值Figure 10 Coal No.2 roof Jurassic aquifer conduction value

圖11 白堊系含水層導(dǎo)通值Figure 11 Cretaceous aquifer conduction value

表3 白堊系與侏羅系隔水層厚度統(tǒng)計(jì)[3]

為說(shuō)明問(wèn)題，本文將單位面積靜涌水量5(m3/m2)和10(m3/m2)作為分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)此，將2#煤頂板侏羅系含水層危險(xiǎn)性分危險(xiǎn)性小、危險(xiǎn)性中等、危險(xiǎn)大三個(gè)等級(jí)(圖12)。

圖12 2#煤頂板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分區(qū)Figure 12 Coal No.2 roof water bursting hazard assessment partitioning

2.3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析對(duì)比

文獻(xiàn)3(勘查報(bào)告)采用“三圖雙預(yù)測(cè)”方法對(duì)2煤頂突水危險(xiǎn)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，共分為相對(duì)安全、較安全、過(guò)渡、較危險(xiǎn)、危險(xiǎn)五個(gè)區(qū)(圖13)。其東北部為相對(duì)安全和較安全區(qū)，是只考慮含水富水性(單位涌水量)的結(jié)果。

圖13 三圖雙預(yù)測(cè)方法評(píng)價(jià)Figure 13 Assessment through “Three zoning maps plus two water inflow predictions” method

由前可知，根據(jù)本文方法把研究區(qū)分為危險(xiǎn)性小、危險(xiǎn)性中等、危險(xiǎn)大三區(qū)，是因?yàn)榭紤]到了含水層厚度較大(表1)基礎(chǔ)上進(jìn)行的。因?yàn)?，研究區(qū)的危險(xiǎn)性小區(qū)單位面積靜涌水量為4.2～5 m3/m2,如果回采面積為10×104m2,靜涌水量達(dá)42×104～50×104m3，回采時(shí)間按300h計(jì)，由靜涌水量產(chǎn)生的礦井涌水量達(dá)1 400～1 666 m3/h。因而，采用本方法理論上比較合理，但有待實(shí)際開(kāi)采驗(yàn)證。

3 結(jié)語(yǔ)

基于單位面積靜涌水量的煤層危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法主要依據(jù)勘查成果的充水含水層厚度、給水度、底板標(biāo)高等特征，結(jié)合煤層頂板標(biāo)高和其開(kāi)采引發(fā)的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育特征進(jìn)行空間拓?fù)浞治?，而建立的一種煤層開(kāi)采頂板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法，適用于煤層直接充水含水層厚度大，富水性較弱的礦井。

采用本方法依據(jù)單位面積靜涌水量5m3/m2和10m3/m2的域值 ，將研究區(qū)2#煤頂板突水危險(xiǎn)性分為危險(xiǎn)性小、危險(xiǎn)性中等、危險(xiǎn)大三個(gè)區(qū)。對(duì)于不同礦區(qū)域值個(gè)數(shù)是不同的，應(yīng)根據(jù)直接充水含水層的厚度變化來(lái)確定，厚度變化越大，劃分的域值就越多。

如果有間接充水水源通過(guò)“天窗”、封閉不良鉆孔、構(gòu)造裂隙等補(bǔ)給直接充水含水層時(shí)，評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)考慮相應(yīng)區(qū)段的間接充水水源越流補(bǔ)給，如本礦井西部H6孔地段(本文評(píng)價(jià)時(shí)未考慮此影響)。

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