采動煤層頂板碎屑巖類含水層富水性評價方法及應用

周文武，王 杰，楊 飛，滿孝全，王 正，張偉杰，韓承豪，郜普濤

(1.山東科技大學地球科學與工程學院，山東 青島 266590；2.山東能源新汶礦業(yè)集團，山東 泰安 271200；3.棗莊礦業(yè)集團高莊煤業(yè)有限公司，山東 濟寧 277605)

礦井水害是煤礦安全生產(chǎn)的重大威脅，其中頂?shù)装迳?礫)巖含水層突(涌)水是重要災害類型之一[1-2]。若井巷工程揭露或溝通砂(礫)巖含水層(強)富水區(qū)域，可引發(fā)瞬間大體量突水災害，輕者會造成采礦機械損失，重者可引發(fā)淹井甚至慘重的人員傷亡事故，而含水層富水性是礦井水害強度的重要影響因素之一，因此開展碎屑巖類含水層富水性評價工作是礦井水害防治的基礎(chǔ)工作。傳統(tǒng)研究中，含水層富水性評價多是建立在礦井水文地質(zhì)條件較高的探查程度的基礎(chǔ)上，如武強等[3]提出的“三圖-雙預測法”，該方法已納入到礦井防治水水害防治的相關(guān)規(guī)程中。然而，對于水文地質(zhì)條件查明程度較低，或者難以具備水文地質(zhì)勘查條件(如水體下采煤)的礦井，能夠獲得的水文地質(zhì)參數(shù)[4]有限，直接利用探查的水文地質(zhì)資料開展含水層富水性預測工作將遇到諸多困難。隨著計算機信息技術(shù)的發(fā)展，多位學者運用多源地學信息復合疊加原理[5-6]，這些方法為礦井水害防治起到了積極作用，但在水文地質(zhì)勘探程度較低的井田或采區(qū)適宜性較差。

本文以水文地質(zhì)勘探程度較低的高莊煤礦為研究對象，開展砂(礫)巖等碎屑巖類含水層富水性評價及水害危險性預測研究，構(gòu)建了碎屑巖類含水層富水性預測模型，提出了碎屑巖類含水層富水性預測方法，并運用于高莊煤礦湖下深部采區(qū)頂板富水性預測中，取得了良好的效果。

1 煤層采動擾動帶碎屑巖類含水層富水性預測方法

1.1 基本方法

針對水文地質(zhì)勘查程度較低或勘查條件困難的區(qū)域[5]，基于沉積環(huán)境分析和研究區(qū)構(gòu)造發(fā)育特征，選取含煤地層巖性結(jié)構(gòu)特征和構(gòu)造復雜程度作為砂(礫)巖含水層富水性的主控因素。提出巖性結(jié)構(gòu)系數(shù)表征煤層頂板巖性及其組合特征，用于評價碎屑巖類含水層發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)，引入分形理論，采用構(gòu)造分維值用于定量評價構(gòu)造復雜程度。將巖性與構(gòu)造相結(jié)合，提出巖性結(jié)構(gòu)系數(shù)-構(gòu)造預測法，用于碎屑巖含水層富水性預測。

水文地質(zhì)條件不同以及研究區(qū)碎屑巖類含水層涉及范圍不同，導致含水層富水性主控因素權(quán)重大小各異。首先根據(jù)相關(guān)規(guī)程、研究區(qū)或鄰區(qū)實測資料及微震數(shù)據(jù)，確定研究區(qū)工作面采動頂板導水裂縫帶范圍，匯總富水性評價所涉及到的含水層巖性、數(shù)量、厚度等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；其次根據(jù)已開采區(qū)域頂板突水案例，重點考慮突水通道類型及涌水量大小，結(jié)合“征集專家評分”的方法，確定含煤地層巖性結(jié)構(gòu)系數(shù)及構(gòu)造復雜程度對砂(礫)巖含水層富水性的權(quán)值大小，構(gòu)建碎屑巖類含水層富水性評價模型(LS-SC模型)；最后根據(jù)礦井已開采區(qū)域井下突水資料確定富水性分區(qū)閾值，進而確定性分區(qū)范圍。

1.2 碎屑巖類含水層富水性影響因素

基于華北型煤礦頂?shù)装逋凰咐治?，控制?礫)巖含水層富水性的巖性及構(gòu)造因素包括以下4個方面。

1) 砂(礫)巖含水層賦存規(guī)律：砂(礫)巖空間分布形態(tài)及厚度變化規(guī)律受控于含煤盆地沉積環(huán)境[7]。沉積環(huán)境從根本上決定了含水層內(nèi)部空隙類型及分布，而含水層內(nèi)部空隙構(gòu)成地下水存儲空間，是含水層富水性評價的地質(zhì)基礎(chǔ)。

2) 巖層組合關(guān)系：煤層頂?shù)装鍘r層為多個巖層(組)互層結(jié)構(gòu)。實踐表明，巖層組合結(jié)構(gòu)中含水層單層厚度及含水層、隔水層間隔數(shù)量對該巖層組的整體富水性有很大影響[7-10]。

3) 褶曲構(gòu)造發(fā)育程度：褶曲軸部及轉(zhuǎn)折端伴生大量張性節(jié)理，成為含水層良好的儲水空間。尤其是向斜構(gòu)造，為頂板突水事故多發(fā)區(qū)域。

4) 斷裂構(gòu)造發(fā)育程度：斷裂構(gòu)造性質(zhì)和發(fā)育程度對含水層賦水特征有決定性影響，斷裂構(gòu)造多形成良好的賦水空間。此外，開采擾動可能導致斷層滯后活化，擴展導水通道并連通更多含水層，增大了頂板水害概率。

1.3 頂板碎屑巖類含水層富水性評價模型

采動擾動下煤層頂板砂(礫)巖含水層富水性可以通過巖性結(jié)構(gòu)系數(shù)(LSC)及構(gòu)造復雜程度相融合的方法進行評價。通過以下步驟建立含水層富水性評價模型。

圖1 開采擾動帶示意圖Fig.1 Zone of mining-disturbance

1) 開采擾動帶確定。本文將煤層開采所波及的含水層的范圍稱為開采擾動帶Ht(圖1)。開采擾動帶垂向區(qū)間確定方法見式(1)和式(2)。

Ht=H開采破壞區(qū)終止于隔水層

(1)

Ht=H+Hr開采破壞區(qū)終止于含水層

(2)

式中：Ht為開采擾動帶垂向高(深)度，m；H為開采破壞區(qū)垂向范圍，m；Hr為破壞區(qū)終止含水層殘余厚度，m。

測定或計算研究區(qū)煤層開采時導水裂縫帶發(fā)育范圍。分析已施工鉆孔資料，自下而上統(tǒng)計巖層巖性、含水層單層厚度h(w b)i、隔水層單層厚度h(w r)i、含水層-隔水層轉(zhuǎn)換界面數(shù)量n，并測算各鉆孔的頂板開采擾動帶高度。

2) 頂板開采擾動帶巖性結(jié)構(gòu)(LS)特征分析。本文考慮碎屑含水層粒徑大小、含水層-隔水層沉積間隔、含水層巖性及單層厚度對煤層頂板富水性影響，提出運用巖性結(jié)構(gòu)系數(shù)(LSC)表征頂板擾動區(qū)內(nèi)巖層富水程度，評價公式見式(3)。

(3)

式中：h(w b)i為第i個含水層單層厚度，m；ri為第i個含水層厚度等效系數(shù)；n為頂板擾動帶內(nèi)含水層-隔水層轉(zhuǎn)換界面數(shù)量。

采用極差標準化方法將各鉆孔LSC數(shù)據(jù)進行標準化處理，見式(4)。

(4)

式中：xmk為LSC原始數(shù)據(jù)；max{xmk}、min{xmk}為LSC原始數(shù)據(jù)中最大值、最小值。

3) 井田地質(zhì)構(gòu)造復雜程度(SC)分析。構(gòu)造網(wǎng)絡是一種具有分形結(jié)構(gòu)的復雜系統(tǒng)[4]，定量描述分形結(jié)構(gòu)不規(guī)則性的分維數(shù)可以作為定量評價斷層、褶皺復雜程度的一種指標，反映了構(gòu)造區(qū)含水層富水特征[7]。

4) 碎屑巖類含水層富水性LS-SC評價模型構(gòu)建。綜合考量巖性結(jié)構(gòu)特征以及地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育程度，歸納總結(jié)礦井已采區(qū)域或相鄰礦井頂板水害規(guī)律，確定涌水通道類型，評價頂板沉積結(jié)構(gòu)及地質(zhì)構(gòu)造對頂板富水性影響權(quán)值α、β，構(gòu)建頂板砂(礫)巖含水層富水性評價模型，見式(5)。

(5)

根據(jù)上述模型求取復合值F，繪制等值線圖。

1.4 頂板開采擾動帶含水層富水性等級劃分

在工作面頂板采動擾動范圍內(nèi)，碎屑巖類含水層的富水性是礦井突水的基礎(chǔ)，其富水程度是決定礦井突水的水量大小和突水點是否能夠持久涌水的基本條件。將LS-SC模型與礦井已開采區(qū)工作面突水位置、涌水量等信息結(jié)合，綜合確定碎屑巖類含水層富水等級閾值，最終劃分出頂板含水層富水性分區(qū)，對指導工作面頂板水害防治工作具有一定現(xiàn)實意義。

2 應用實例

2.1 研究區(qū)概況

高莊煤礦地處微山湖區(qū)，主采煤層為3上煤層，目前淺部煤炭資源開采殆盡，已進入湖下深部開采階段。深部開采區(qū)域地表為微山湖水常年覆蓋，水文地質(zhì)勘察程度低，且井田內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，工作面頂板突水事故頻發(fā)。根據(jù)實際揭露的資料3上煤層頂板砂巖是開采3上煤層的直接含水層，巖性以細砂巖為主，而深部采區(qū)已采的3上1101工作面、3上1107工作面等開采表明，工作面頂板涌水量較淺部顯著增大，亟需開展頂板砂巖含水層富水性評價工作，以制定針對性的礦井水害防治措施。

2.2 深部采區(qū)3上煤層頂板含水層富水性評價

根據(jù)本文提出的預測方法，對高莊煤礦3上煤層頂板碎屑巖類含水層富水性預測開展研究。

2.2.1 導水裂縫帶高度確定

通過3上1101等工作面開采過程中微震資料分析，本礦深部采區(qū)導水裂縫帶發(fā)育高度為50～55 m。參考3上509工作面“兩帶”高度實測結(jié)果為49.35 m，該礦3上煤層開采頂板導水裂縫帶最大發(fā)育高度確定為55 m。

2.2.2 3上煤層頂板開采擾動帶高度計算及巖性結(jié)構(gòu)特征分析

1) 開采擾動帶高度計算。統(tǒng)計高莊煤礦湖下采區(qū)共計25個鉆孔資料，分析認為該礦頂板擾動區(qū)高度為55～68.75 m，依次統(tǒng)計各鉆孔頂板擾動區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)換界面數(shù)量n及含水層厚度所占比重R。

2) 厚度等效系數(shù)計算。含水層富水性定量評價工作中，含水層富水性的歸一化處理是重要環(huán)節(jié)[7,11]。我國現(xiàn)行規(guī)范《煤礦防治水細則》[12]中采用鉆孔單位涌水量q作為含水層富水性的評定指標，依據(jù)的是含水層的出水能力，因此單純依據(jù)含水層儲水參數(shù)——孔隙度為指標確定含水層等效厚度是不準確的。

根據(jù)現(xiàn)場水文地質(zhì)試驗并獲取大量實測資料，采用數(shù)據(jù)擬合分析方法獲得了含水層導水系數(shù)T和單位涌水量q之間線性關(guān)系，即導水系數(shù)一定程度上可表征單位涌水量大小[13-15]。

假設(shè)不同巖性含水層富水程度相同，水文地質(zhì)試驗中鉆孔單位涌水量相等，則近似存在式(6)和式(7)關(guān)系。

T=Ki×Mi(i=1，2，3)

(6)

(7)

式中：T為導水系數(shù)，m2/d；K為滲透系數(shù)，m/d；M為含水層厚度，m；r為以粗砂巖為基準的含水層厚度等效系數(shù)；1、2、3為細砂巖、中砂巖及粗砂巖。

通過3上1110工作面鉆探取樣，獲得井田深部3上煤層頂板細砂巖、中砂巖及粗砂巖層樣品各5件，利用巖石滲透儀開展?jié)B透性試驗研究，得到細砂巖、中砂巖厚度等效系數(shù)分別為r細=0.42、r中=0.60。

3) 頂板開采擾動帶巖性結(jié)構(gòu)系數(shù)值(LSC)計算。根據(jù)各鉆孔不同巖性含水層厚度統(tǒng)計數(shù)據(jù)，計算數(shù)據(jù)見表1。

表1 研究區(qū)深部3上煤層頂板特征值統(tǒng)計表Table 1 Roof strata’s characteristics values of the 3上coal seam in the deep area

圖2 研究區(qū)3上煤層頂板巖性結(jié)構(gòu)系數(shù)等值線圖Fig.2 Contours of of the 3上coal seam roof

2.2.3 井田構(gòu)造分維值等值線圖繪制

井田總體為一寬緩單斜構(gòu)造，斷層發(fā)育。本文僅對落差大于煤厚或者切割煤層的斷層進行統(tǒng)計分析。斷層分維值計算方法參見文獻[4]，不再贅述。計算結(jié)果見表1，繪制井田斷層標準化分維值等值線圖(圖3)。由圖3可知，研究區(qū)域內(nèi)斷層等構(gòu)造發(fā)育程度高，極易導通多個含水層，成為地下水賦存和運動場所。

圖3 研究區(qū)斷層分維值等值線圖Fig.3 Contours of fault fractal value

2.2.4 頂板含水層富水性分區(qū)圖繪制

1) 頂板含水層富水因素權(quán)值確定。統(tǒng)計高莊煤礦建井以來涌水量Q>30 m3/h的3上煤層頂板砂巖含水層水害事故(表2)。由表2可知，以斷層發(fā)育區(qū)頂板砂巖含水層突水案例11次；正常圍巖區(qū)頂板砂巖突水案例7次。以突水案例次數(shù)、平均最大涌水量、平均穩(wěn)定涌水量為指標分別比對分析，斷層發(fā)育區(qū)占比分別為61.11%、58.59%、57.49%，正常圍巖區(qū)占比分別為38.89%、41.41%、42.51%。綜合分析以上數(shù)據(jù)，在碎屑巖含水層富水性評價模型中，構(gòu)造復雜程度和巖性結(jié)構(gòu)特征兩個指標的權(quán)重可確定為0.6和0.4。

表2 研究區(qū)3上煤層頂板水害案例統(tǒng)計表Table 2 Statistic of water-burst cases of the 3上coal seam roof

2) 頂板含水層富水性評價模型構(gòu)建?；谏衔难芯砍晒?，頂板含水層富水性復合評價模型見式(8)。

(8)

圖4 研究區(qū)3上煤層頂板含水層F值等值線圖Fig.4 Contours of F value of the 3上coal seam roof

3) 頂板含水層富水性等級劃分標準制定。根據(jù)高莊煤礦已開采區(qū)域內(nèi)工作面頂板砂巖含水層突水位置、涌水量等信息，綜合確定了研究區(qū)頂板含水層富水性分區(qū)界限值F，即：F≥0.58為強富水區(qū)；0.49

結(jié)合3上煤層頂板含水層F值等值線圖及富水性分區(qū)界限值，繪制了研究區(qū)3上煤層頂板含水層富水性分區(qū)圖(圖5)。由圖5可知， 3上煤層開采擾動范圍內(nèi)頂板砂巖含水層在礦井西部及東部富水性強，中部富水性大部分為中等，其中在中部僅有兩個小區(qū)域富水性弱。

圖5 研究區(qū)3上煤層頂板含水層富水性分區(qū)圖Fig.5 Potential groundwater yield zonation of3上coal seam roof

2.3 高莊煤礦3上煤層頂板含水層富水性分區(qū)驗證

1) 地球物理異常信息驗證。3上1110工作面總體為一單斜構(gòu)造，受斷層影響，煤層產(chǎn)狀變化較大，煤層傾角5°～10°，平均14°。工作面走向長度1 614 m，傾向長度108～174 m，煤層厚度穩(wěn)定，厚3.6～7.0 m，平均5.1 m。根據(jù)工作面材料巷、運輸巷及切眼實際揭露情況，工作面實際揭露斷層50余條，斷層H≥2.0 m共27條(圖6)。

圖6 3上1110工作面物探異常區(qū)分布圖Fig.6 The layout of geophysical exploration anomaly of 3上 1110 working face

為探查3上1110工作面頂板含水層富水情況，2012年11月選擇在該工作面材料巷、切眼和運輸巷內(nèi)進行，測線總長度為2 130 m。材料巷和切眼測線上每個測點探測工作面順層和工作面頂板兩個方向，運輸巷每個測點探測工作面順層、下幫頂板和上幫頂板三個方向。

根據(jù)地球物理探測結(jié)果，確定的富水性異常區(qū)范圍如圖6所示。圖6中菱形網(wǎng)格填充區(qū)域表示工作面順層方向富水異常區(qū)范圍，黑色填充區(qū)域表示頂板方向富水異常區(qū)范圍。結(jié)合圖5和圖6可知，井下瞬變電磁探測獲得的3上1110工作面富水區(qū)范圍均處于本文提出的頂板含水層富水性分區(qū)圖中的強富水區(qū)內(nèi)，兩者吻合程度較高。因此，圖5可作為高莊煤礦頂板砂巖水富水程度預測依據(jù)。

2) 工作面突水點信息驗證。統(tǒng)計了井田深部工作面3上1109工作面和3上1110工作面頂板突水信息，見表3。同時將突水點位置繪制在圖5上。由表3和圖5可知，兩個工作面發(fā)生突水3次，均位于預測的強富水區(qū)和中等富水區(qū)，反映了該方法富水性分區(qū)的合理性。

表3 3上1109工作面和3上1110工作面頂板突水信息Table 3 Water inrush information of roof in 1109and 1110 working face of 3上coal seam

3 結(jié) 論

1) 綜合運用沉積-構(gòu)造方法評價煤層采動影響區(qū)碎屑巖含水層富水性，采用巖性結(jié)構(gòu)系數(shù)量化含煤地層的巖性及組合關(guān)系，引入分形理論評價地質(zhì)構(gòu)造復雜程度，提出采動煤層頂板碎屑巖類含水層富水性預測方法。

2) 將碎屑巖類含水層富水性預測方法應用于高莊煤礦3上煤層頂板砂巖含水層富水性評價，基于碎屑巖類富水性預測方法，結(jié)合高莊煤礦地質(zhì)與水文地質(zhì)資料，構(gòu)建了煤層開采時頂板砂巖含水層富水性評價模型，確定了3上煤層頂板含水層富水性程度，即將其劃分為強富水區(qū)、中等富水區(qū)及弱富水區(qū)。

3) 通過高莊煤礦3上1110工作面頂部砂巖含水層富水性異常信息及實際突水點信息，驗證了本文方法預測結(jié)果的正確性。