淺埋煤層工作面突水潰沙風(fēng)險評價及防治技術(shù)研究

呂情緒 李 鵬 許 峰

(1.神東煤炭集團(tuán)公司神東煤炭技術(shù)研究院，陜西省神木縣，719315；2.煤炭科學(xué)研究總院，北京市朝陽區(qū)，100013；3.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西省西安市，710054)

神東及周邊礦區(qū)多數(shù)礦井具有淺埋深、薄基巖、厚富水松散沙層的水文地質(zhì)沉積特征，進(jìn)而導(dǎo)致該區(qū)域突水潰沙災(zāi)害頻發(fā)[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計，自20世紀(jì)90年代以來，該區(qū)域發(fā)生了突水潰沙災(zāi)害事故20余起，典型案例如瓷窯灣煤礦(1990年)[2]、大柳塔煤礦1203工作面(1993年)等[3]。突水潰沙災(zāi)害不僅帶來了人身財產(chǎn)損失，還造成了地下水含水層系統(tǒng)的破壞，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化。眾多學(xué)者采用多種方法和手段研究了突水潰沙災(zāi)害發(fā)生機理[4-6]，提出了突水潰沙預(yù)測及防控技術(shù)[7-11]，但對突水潰沙災(zāi)害危險性評價研究較少。范立民等[12]在突水潰沙機理分析的基礎(chǔ)上討論選取沙層厚度、含水層富水性、有效隔水層厚度和采動空間作為關(guān)鍵評價因素對榆神府礦區(qū)突水潰沙威脅性進(jìn)行了評價，具有很好的指導(dǎo)意義。本文在范立民等[12]研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合神東礦區(qū)哈拉溝煤礦22206工作面實際情況，對突水潰沙威脅性評價關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行重新考量選取，基于GIS平臺對工作面進(jìn)行了突水潰沙風(fēng)險分區(qū)，并提出重點區(qū)域防治思路及防治關(guān)鍵技術(shù)。

1 突水潰沙風(fēng)險評價指標(biāo)選取

對于淺埋深、薄基巖水文地質(zhì)條件下突水潰沙災(zāi)害發(fā)生的充分條件，眾多學(xué)者已達(dá)成共識，概括為：是否存在水沙潰涌的物質(zhì)基礎(chǔ)、是否存在水沙流動的通道、是否存在一定的動水壓力和是否存在可容納水沙流入的空間4個方面。突水潰沙發(fā)生的條件是工作面突水潰沙風(fēng)險評價的基礎(chǔ)，因此，本文結(jié)合神東礦區(qū)哈拉溝煤礦22206工作面實際情況，選取飽水沙層厚度、有效隔水層厚度以及煤層采厚作為評價突水潰沙風(fēng)險的關(guān)鍵指標(biāo)。

1.1 飽水沙層厚度

突水潰沙的物源包括水源和沙源，研究區(qū)沙源主要來自地表風(fēng)積沙和薩拉烏蘇組松散沙層，水源則是賦存于其中的潛水。若沙層中無水，則其流動性較差，不易潰入井下，只有在沙層富水的條件下，才具有較強流動性，水源和沙源共同組成了突水潰沙物質(zhì)基礎(chǔ)，二者缺一不可。因此，飽水沙層厚度成為表征突水潰沙災(zāi)害發(fā)生的關(guān)鍵指標(biāo)之一。

1.2 有效隔水層厚度

根據(jù)煤層開采頂板覆巖破壞規(guī)律，一旦導(dǎo)水裂隙帶溝通松散沙層含水層，水將進(jìn)入井下成為充水水源，但沙粒不一定能夠通過導(dǎo)水裂隙帶大規(guī)模的進(jìn)入井下。只有當(dāng)裂縫寬度達(dá)到一定程度，能夠形成管道流時，才會引發(fā)大規(guī)模突水潰沙災(zāi)害。據(jù)此，劉洋[13]研究提出了“導(dǎo)水沙裂縫帶”的概念，同時考慮了冒落帶和其上部發(fā)育的網(wǎng)絡(luò)型裂縫，并建立了導(dǎo)水沙裂縫帶計算公式。

本文將煤層頂板至松散層底部間距(H間)與導(dǎo)水沙裂縫帶(H導(dǎo))之間的差值定義為有效隔水層厚度(ME)：

ME=H間-H導(dǎo)

(1)

當(dāng)ME<0時，表明導(dǎo)水沙裂縫帶已溝通松散沙層，具備了突水潰沙災(zāi)害發(fā)生的通道。

1.3 煤層采厚

煤層開采形成采空區(qū)，才能夠具備水沙源潰入的空間。而采動區(qū)空間的大小也決定了突水潰沙災(zāi)害發(fā)生的危險程度，空間愈大，容納水沙體體積就越大，水沙體進(jìn)入井下后，具有較大的流動距離，突水潰沙災(zāi)害程度也愈大，反之亦然。研究區(qū)煤層厚度4.5～6 m，采用一次采全高采煤工藝，因此，本文以煤層采厚來表征采動空間的大小和開采的強度。

2 構(gòu)建工作面突水潰沙風(fēng)險評價模型

工作面突水潰沙風(fēng)險評價模型的構(gòu)建思路為：首先將上述3個指標(biāo)實際數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，形成各指標(biāo)專題圖，然后采用AHP法確定上述3個評價指標(biāo)的權(quán)重，通過線性加權(quán)得到風(fēng)險值，根據(jù)實際情況確定分級閾值，通過GIS平臺進(jìn)行融合輸出，使工作面突水潰沙風(fēng)險等級分區(qū)直觀可見。

2.1 指標(biāo)數(shù)據(jù)歸一化處理

考慮到風(fēng)險評價指標(biāo)本身代表的含義、計量單位等差異，在專題圖層融合前，需將各指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理。

正向指標(biāo)(指標(biāo)數(shù)值越大，風(fēng)險值越高)的歸一化公式為：

(2)

反向指標(biāo)(指標(biāo)數(shù)值越大，風(fēng)險值越低)的歸一化公式為：

(3)

式中：Ai——各指標(biāo)的實際數(shù)值；

maxAi——單一指標(biāo)最大值；

minAi——單一指標(biāo)最小值。

根據(jù)歸一化結(jié)果，繪制各指標(biāo)專題圖。

2.2 指標(biāo)權(quán)重的確定

采用AHP(層次分析法)結(jié)合1-9標(biāo)度方法構(gòu)建兩兩判別矩陣、層次排序及其一致性檢驗來確定工作面突水潰沙指標(biāo)的權(quán)重。判別矩陣及其特征向量見表1。

根據(jù)隨機一致性指標(biāo)RI值對表1判別矩陣進(jìn)行一致性檢驗：一致性指標(biāo)CI=0.017，檢驗系數(shù)CR=0.033<1，則通過了一致性檢驗。

因此，經(jīng)計算，飽水沙層厚度、有效隔水層厚度以及煤層采厚指標(biāo)各自權(quán)重分別取值為0.32、0.56和0.12。

表1 判別矩陣及其特征向量

2.3 突水潰沙風(fēng)險值的確定

在各指標(biāo)權(quán)重確定的基礎(chǔ)上，通過線性融合，建立工作面突水潰沙風(fēng)險(VI)評價模型：

(4)

式中：VI——突水潰沙風(fēng)險指數(shù)；

Wi——指標(biāo)權(quán)重；

x、y——地理坐標(biāo)。

根據(jù)已建立的各指標(biāo)專題圖，通過GIS平臺融合疊加，得到工作面突水潰沙風(fēng)險分區(qū)圖。

3 實例研究

3.1 評價工作面地質(zhì)概況

神東礦區(qū)哈拉溝煤礦22206工作面開采22煤層，煤層埋深35～96 m，屬典型的淺埋煤層，煤層厚度4.5～6 m，采用一次采全高采煤工藝。工作面地層自上往下依次為第四系風(fēng)積沙層、侏羅系直羅組和延安組基巖層。由于第四系風(fēng)積沙底部賦存有一定量積水，且與直羅組地層直接不整合接觸，使得工作面回采過程中可能會存在突水潰沙風(fēng)險。

3.2 建立評價指標(biāo)專題圖

根據(jù)22206工作面鉆孔數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，工作面范圍內(nèi)飽水沙層厚度為0～20 m，煤層采厚為4.5～6 m、有效隔水層厚度經(jīng)計算為0～55 m。通過數(shù)據(jù)歸一化處理，繪制得到各指標(biāo)專題圖，見圖1。

圖1 各指標(biāo)歸一化專題圖

3.3 專題圖疊加及分區(qū)評價

利用ArcGIS平臺，將上述飽水沙層厚度、采厚、有效隔水層厚度歸一化專題圖采用前述突水潰沙風(fēng)險評價模型(VI)進(jìn)行加權(quán)疊加融合，同時采用自然間斷點分級法(Jenks)進(jìn)行統(tǒng)計分級，確定各分級間斷值分別為0.22、0.48、0.79，則工作面突水潰沙風(fēng)險可分為高風(fēng)險、較高風(fēng)險、低風(fēng)險以及安全4個等級，工作面突水潰沙風(fēng)險分區(qū)見圖2。

高風(fēng)險區(qū)VI值>0.79，表示該區(qū)域范圍無有效隔水層，且具有一定厚度飽水沙層，極易發(fā)生突水潰沙災(zāi)害；較高風(fēng)險區(qū)VI值介于0.48～0.79，表示該區(qū)域有效隔水層厚度基本為零，飽水沙層厚度有限，發(fā)生突水潰沙災(zāi)害風(fēng)險較高；低風(fēng)險區(qū)VI值介于0.22～0.48，表示該區(qū)域有效隔水層厚度較小，突水潰沙災(zāi)害發(fā)生幾率較低；安全區(qū)VI值<0.22，表示有效隔水層厚度較大，該區(qū)不會發(fā)生突水潰沙。

圖2 工作面突水潰沙風(fēng)險分區(qū)圖

3.4 分區(qū)結(jié)果討論

分區(qū)結(jié)果顯示，距工作面切眼900 m至停采線大部分區(qū)域為突水潰沙低風(fēng)險區(qū)和安全區(qū)，突水潰沙高風(fēng)險區(qū)及較高風(fēng)險區(qū)主要集中距切眼900 m范圍內(nèi)的兩塊區(qū)域。而2個高風(fēng)險區(qū)域?qū)?yīng)的地表存在三元溝的兩條支流，見圖3。由于溝流侵蝕切割基巖，使得溝流及周邊一定范圍內(nèi)基巖厚度較薄(<30 m)，有效隔水層缺失，從而導(dǎo)致工作面回采導(dǎo)水沙裂縫帶直接溝通了飽水沙層。結(jié)果同樣顯示了有效隔水層厚度在突水潰沙風(fēng)險評價中占主導(dǎo)因素，體現(xiàn)了是否具備水沙潰涌通道是突水潰沙災(zāi)害發(fā)生中的決定性條件之一。

圖3 突水潰沙高風(fēng)險區(qū)與三元溝位置關(guān)系圖

4 突水潰沙防治思路及關(guān)鍵技術(shù)

4.1 突水潰沙防治基本思路

根據(jù)大量現(xiàn)場防治實踐[14-16]及其研究，筆者將淺埋深薄基巖工作面突水潰沙災(zāi)害防治思路總結(jié)為：水文地質(zhì)條件探查與分析，掌握基巖、含水層厚度特征、含水層富水性等關(guān)鍵信息；進(jìn)行工作面突水潰沙風(fēng)險評價，確定防治重點區(qū)域；根據(jù)風(fēng)險評價結(jié)果采取有針對性的防治關(guān)鍵技術(shù)，如注漿改造沙層含水層、疏水降壓、限厚開采等。

4.2 突水潰沙防治關(guān)鍵技術(shù)

(1)注漿改造關(guān)鍵技術(shù)。針對突水潰沙高風(fēng)險區(qū)(如過溝段薄基巖區(qū)域)，可在井下或地面施工鉆孔至飽水沙層底部進(jìn)行注漿，改造沙層充水性質(zhì)，填堵裂縫，降低飽水砂層的流動性，并且增加有效隔水層厚度等來降低突水潰沙風(fēng)險。煤礦注漿改造飽水沙層示意圖見圖4。

圖4 煤礦注漿改造飽水沙層示意圖

針對22206工作面三元溝薄基巖段(突水潰沙高風(fēng)險區(qū))，采用了井下注漿方法，共施工注漿鉆孔161個，共計注漿量為5610 m3。通過檢驗鉆孔取芯結(jié)果顯示，松散沙層孔隙中可見水泥，見圖5，水泥漿液擴散明顯，注漿效果較好，達(dá)到了固結(jié)沙層的目的。

(2)疏水降壓關(guān)鍵技術(shù)?？稍诘孛婊蚓乱研纬傻南锏?、聯(lián)巷及硐室內(nèi)，施工疏放水鉆孔至松散含水層底部。疏干或降低含水層水位，減少飽水沙層的厚度，從而來降低突水潰沙風(fēng)險。煤礦鉆孔抽排水示意圖見圖6。

圖5 注漿檢驗孔取芯照片

圖6 煤礦鉆孔抽排水示意圖

同樣，針對22206工作面突水潰沙高風(fēng)險區(qū)，礦方在兩巷道及泄水巷共施工了206個疏放水孔，所有鉆孔終孔均位于松散層沙層底部，累計疏放該區(qū)域松散沙層含水層水量約29萬m3，含水層厚度平均減少了5 m左右，疏放效果較為明顯。

(3)限厚開采。采厚同樣是影響突水潰沙風(fēng)險的因素之一，通過降低煤層開采高度，減小導(dǎo)水沙裂縫帶發(fā)育高度，增加有效隔水層厚度來降低突水潰沙風(fēng)險。

上述防治措施可根據(jù)災(zāi)害威脅程度以及現(xiàn)場施工條件單獨或相互配合實施，旨在消除水害危險，確保工作面安全回采。22206工作面采前同時采用了井下注漿改造沙層與井下疏水降壓等措施，消除了高風(fēng)險地段(過溝段)突水潰沙威脅，目前該工作面已安全回采完畢。

5 結(jié)論

(1)從淺埋深薄基巖突水潰沙發(fā)生條件出發(fā)，確定了工作面突水潰沙風(fēng)險評價關(guān)鍵指標(biāo)為：飽水沙層厚度、有效隔水層厚度以及工作面采厚。

(2)采用AHP法確定了各評價指標(biāo)權(quán)重，提出基于ArcGIS平臺融合的突水潰沙風(fēng)險評價模型以及評價思路，確定了突水潰沙風(fēng)險評價4級分區(qū)。

(3)以神東礦區(qū)哈拉溝22206工作面為例，進(jìn)行了突水潰沙風(fēng)險評價，分區(qū)結(jié)果顯示突水潰沙高風(fēng)險區(qū)位于三元溝過溝段。

(4)提出了淺埋深薄基巖突水潰沙防治思路及關(guān)鍵技術(shù)，主要為注漿改造飽水沙層、疏水降壓以及限厚開采等。22206工作面安全回采實踐表明上述防治關(guān)鍵技術(shù)可靠有效，具有較好的推廣應(yīng)用前景。