西北礦區(qū)淺埋煤層突水潰砂危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

趙迎春

(兗州煤業(yè)鄂爾多斯能化有限公司轉(zhuǎn)龍灣煤礦，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，017000)

突水潰砂歷來(lái)是影響我國(guó)西北地區(qū)晉陜蒙礦區(qū)淺部薄基巖煤層安全開采的主要災(zāi)害之一。許多學(xué)者采用大量的方法和手段研究了突水潰砂災(zāi)害發(fā)生機(jī)理[1-6]，提出了突水潰砂預(yù)測(cè)及防控技術(shù)[7-12]。范利民等[13]采用熵權(quán)法確定影響突水潰砂形成的各個(gè)因素的權(quán)重并構(gòu)建了突水潰砂多因素評(píng)價(jià)模型，在ARCGIS平臺(tái)上對(duì)東勝礦區(qū)進(jìn)行突水潰砂危險(xiǎn)性綜合分區(qū)；呂情緒等[14]利用層次分析法確定各影響指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)合自然斷裂法將哈拉溝煤礦22206工作面的突水潰砂危險(xiǎn)性進(jìn)行了四級(jí)分區(qū)；郭啟琛等[15]通過FAHP的方法以ARCGIS為平臺(tái)，結(jié)合GRA灰色關(guān)聯(lián)度對(duì)礦區(qū)富水性進(jìn)行等級(jí)劃分；張紳等[16]通過對(duì)基巖空間分布規(guī)律、主含水層富水性分區(qū)和冒裂安全性分區(qū)復(fù)合疊加分析，形成突水潰沙危險(xiǎn)性分區(qū)預(yù)測(cè)方法。

筆者以西北轉(zhuǎn)龍灣煤礦23105工作面為例，通過對(duì)多源地學(xué)信息進(jìn)行加權(quán)疊加，建立基于GIS 的信息融合性評(píng)價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)淺埋煤層工作面突水潰砂危險(xiǎn)性分區(qū)，并與依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》(2017)(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)[17]進(jìn)行的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，以實(shí)現(xiàn)對(duì)23105工作面突水潰砂危險(xiǎn)性做出綜合分區(qū)評(píng)價(jià)，為工作面水害防治安全回采提供重要依據(jù)。

1 23105工作面水文地質(zhì)與工程地質(zhì)

轉(zhuǎn)龍灣煤礦23105工作面位于首采區(qū)中部，北鄰第二輔運(yùn)大巷，西鄰23101工作面采空區(qū)，南到DF4斷層，東鄰未開采的23106工作面，工作面地表大部分被第四系風(fēng)成砂覆蓋，與公涅爾蓋溝距離較近。采區(qū)范圍內(nèi)，23101、23102、23103工作面已回采結(jié)束，23104工作面正在回采，23106工作面及后續(xù)工作面均未開采。23105工作面位置詳見圖1。

圖1 23105工作面位置平面示意

轉(zhuǎn)龍灣煤礦23105工作面開采侏羅系延安組Ⅱ-3煤層，煤層埋深138～160 m，煤層厚度4.3～6 m；基巖總厚度為75～118 m，基巖厚度總體上從西北向東南逐漸減??；第四系厚度為30～60 m，從西北向東南逐漸增厚；II-3煤層到第四系間距為71～139 m, 從西北向東南間距逐漸增大，如圖2所示。煤層覆巖由老到新分別為侏羅系延安組、直羅組和安定組以及第四系，23105工作面地層剖面如圖3所示。

圖2 23105工作面II-3煤到第四系間距等值線

圖3 23105工作面地層剖面示意圖

由圖3可知，煤層直接頂是延安組地層，上覆為直羅組地層，局部出露于地表。安定組地層工作面范圍內(nèi)分布差異較大，為泥巖隔水層，主要集中在工作面停采線一側(cè)，上覆為第四系。煤層傾角約為0°～3°，從開切眼到停采線，基巖厚度逐漸增加，第四系厚度逐漸減小。

Ⅱ-3號(hào)煤層開采過程中，直接充水水源為煤層頂?shù)装迳皫r含水組，在基巖厚度大于導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的區(qū)段，第四系松散層水作為基巖裂隙水的主要補(bǔ)給來(lái)源將作為間接充水水源對(duì)礦井充水；對(duì)于局部基巖厚度較小的區(qū)段，導(dǎo)水裂隙帶可能發(fā)育到基巖頂面風(fēng)氧化帶和第四系松散巖類孔隙潛水含水組，使其成為直接充水水源。在這種情況下，大氣降水作為地下水的補(bǔ)給來(lái)源將成為間接充水水源對(duì)礦井充水。此外，隨著第四系松散層潛水位的降低，地下水流場(chǎng)將發(fā)生改變，第四系含水層水位低于地表水體水位后，就近的地表水體也可能作為間接充水水源對(duì)礦井充水。

2 23105工作面突水潰砂危險(xiǎn)性單因素評(píng)價(jià)

2.1 突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

井田內(nèi)主要地表水體公涅爾蓋溝位于23105工作面附近，第四系潛水及地表水可以沿著采動(dòng)裂隙對(duì)礦井直接充水，且鉆孔抽水試驗(yàn)結(jié)果表明第四系松散含水層富水性中等。 根據(jù)《規(guī)范》，直接位于基巖上方或底界面下無(wú)穩(wěn)定的黏性土隔水層的松散孔隙強(qiáng)、中含水層水體為Ⅰ類水體，要求留設(shè)頂板防水安全煤(巖)柱。依據(jù)《規(guī)范》，井田內(nèi)第四系松散層底部無(wú)黏性土層，Ⅱ-3煤層頂部基巖自然狀態(tài)抗壓強(qiáng)度均小于40 MPa，為軟弱-中硬巖，采煤方法為綜采一次采全高，因此，防水安全煤(巖)柱保護(hù)層厚度為煤層厚的4倍。工作面內(nèi)平均煤厚為5 m，所以選取第四系含水層保護(hù)層厚度為20 m。《規(guī)范》中要求防水安全煤(巖)柱的垂高(Hsh)應(yīng)當(dāng)大于或者等于導(dǎo)水裂縫帶的最大高度(Hli)加上保護(hù)層厚度(Hb)。導(dǎo)水裂隙帶高度及剩余煤巖柱綜合情況如表1所示，23105工作面附近鉆孔的防水安全煤(巖)柱的垂高與導(dǎo)水裂縫帶的最大高度及保護(hù)層厚度的差范圍為-52.67～32.18 m，且多數(shù)鉆孔的安全煤巖柱高度值為負(fù)值，不能保證留出20 m厚的保護(hù)層，導(dǎo)致導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通至第四紀(jì)含水層，具有很大的突水危險(xiǎn)性。

根據(jù)表1中Hsh-Hli-Hb的值繪制第四系突水危險(xiǎn)性分區(qū)圖，見圖4。從圖4可以看出，23105工作面有安全隔水層厚度不夠的區(qū)域，23105工作面基本處于較危險(xiǎn)-危險(xiǎn)區(qū)，23105工作面南面第四系厚度較大，富水性較強(qiáng)，而基巖厚度較小，使得導(dǎo)水裂隙帶容易波及到第四系，此區(qū)域會(huì)有第四系突水危險(xiǎn)，且危險(xiǎn)性自工作面西北至東南方向逐漸增大。

2.2 潰砂危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

根據(jù)直接頂板的巖性，結(jié)合《規(guī)范》，以及周邊礦井薄基巖區(qū)開采實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本區(qū)垮落帶高度一般為采高的3～4倍，平均高度為19 m。留設(shè)保護(hù)層厚度需在20 m以上，才能有效阻止松散層砂大量潰入回采工作面。對(duì)比采高相近工作面，采高相近工作面未出現(xiàn)上覆第四系風(fēng)積沙潰砂災(zāi)害。通過對(duì)23105工作面附近21個(gè)鉆孔的統(tǒng)計(jì)，23105工作面內(nèi)基巖厚度在75～118 m左右，平均厚度約98 m，安全煤巖柱高度在30～100 m之間，平均厚度約為60 m,具有較好的保護(hù)作用，因此垮落帶導(dǎo)通第四系含水砂層的可能性較小。

表1 導(dǎo)水裂隙帶高度及剩余煤巖柱綜合表

圖4 23105工作面突水危險(xiǎn)分區(qū)圖

3 23105工作面突水潰砂危險(xiǎn)性多因素評(píng)價(jià)

3.1 突水潰砂危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)影響因素選取

誘發(fā)煤礦突水潰砂災(zāi)害的因素多元化，主要與煤層上覆含水層的富水性、覆巖巖性及其強(qiáng)度、開采方式等因素有關(guān)。根據(jù)西北鄂爾多斯礦區(qū)內(nèi)的水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件，且23105工作面絕大多數(shù)區(qū)域的有效隔水層厚度小于垮落帶或者導(dǎo)水裂隙帶(見表1)，砂巖厚度與含水層富水性可以對(duì)突水潰砂危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)起作用，綜合考慮水砂源、通道及空間等因素，故選取砂層厚度、含水層富水性、有效隔水層厚度和采厚等作為研究突水潰砂的關(guān)鍵因素。

(1)砂層厚度。砂是突水潰砂發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)，據(jù)研究，在相同的通道寬度情況下，顆粒粒徑越小，潰砂量越大，隨著通道寬度的增加，粒徑與潰砂量呈正相關(guān)關(guān)系。西北鄂爾多斯礦區(qū)內(nèi)的砂層主要指薩拉烏蘇組及風(fēng)積砂，在礦區(qū)厚度一般為0～73 m，平均46 m左右，以粉細(xì)砂為主，易于發(fā)生潰砂。

(2)含水層富水性。研究表明，較高的初始水頭是薄基巖采掘潰砂的必要條件，含水層富水性越強(qiáng)，厚度越大，水力坡度越大，越容易形成水砂突涌。在本區(qū)薩拉烏蘇組含水層是礦井突水潰砂的水動(dòng)力來(lái)源，薩拉烏蘇組地下水在風(fēng)砂灘區(qū)普遍分布，厚度變化大，薩拉烏蘇組厚度大的區(qū)域，含水層厚度大，水力坡度大，富水性強(qiáng)，反之則小。

(3)有效隔水層厚度。本區(qū)將煤層到第四紀(jì)松散含水層底界面之間的距離減去導(dǎo)水裂隙帶及安全帶高度的差值作為有效隔水層厚度。根據(jù)巖層工程地質(zhì)特征，西北鄂爾多斯礦區(qū)基巖屬于中等穩(wěn)定巖體，導(dǎo)水裂隙帶高度一般為采高的20倍，安全帶厚度按3～4倍采高計(jì)。

(4)煤層采厚。煤層開采形成采空區(qū)，才能夠具備水砂源潰入的空間。而采動(dòng)區(qū)空間的大小也決定了突水潰砂災(zāi)害發(fā)生的危險(xiǎn)程度，空間愈大，容納水砂體體積就越大，水砂體進(jìn)入井下后，具有較大的流動(dòng)距離，突水潰砂災(zāi)害程度也愈大，反之亦然。

3.2 突水潰砂危險(xiǎn)性多因素評(píng)價(jià)原理

3.2.1數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

本次選定的4個(gè)突水潰砂關(guān)鍵因素各自代表不同的物理意義，各指標(biāo)由于性質(zhì)不同、計(jì)量單位不同，因而缺乏綜合性。筆者采用閾值法對(duì)各關(guān)鍵因素進(jìn)行無(wú)量綱處理。在無(wú)量綱化時(shí)，需要對(duì)指標(biāo)進(jìn)行同趨勢(shì)性變換，不同指標(biāo)之間需要相同趨勢(shì)性，所以針對(duì)高優(yōu)指標(biāo)和低優(yōu)指標(biāo)采用不同的無(wú)量綱化方法。

根據(jù)以上原則和方法,對(duì)各指標(biāo)值進(jìn)行無(wú)量綱化處理后,按計(jì)算結(jié)果繪制出各因素分布，如圖5至圖8所示。

3.2.2指標(biāo)權(quán)重確定

突水潰砂受到多方面因素的共同影響，而各個(gè)影響因素所占比重是不相同的，所以在對(duì)突水潰砂危險(xiǎn)性進(jìn)行綜合分析之前，各因素的權(quán)重應(yīng)當(dāng)明確。

熵權(quán)法的基本思路是根據(jù)指標(biāo)變異性的大小來(lái)確定客觀權(quán)重。指標(biāo)的信息熵愈小，說明指標(biāo)值的變異程度愈大，在綜合評(píng)價(jià)中提供的信息量也就越多，其權(quán)重也就越大，反之亦然。

圖5 砂層厚度分布

圖6 第四系含水層鉆孔單位涌水量分布

圖7 有效隔水層厚度分布

通過計(jì)算，砂層厚度權(quán)重為0.194、含水層富水性權(quán)重為0.2980、有效隔水層厚度權(quán)重為0.315、采動(dòng)空間權(quán)重為0.193。由此可見，有效隔水層厚度和含水層富水性權(quán)重較大，說明在突水潰砂發(fā)生過程中，二者的作用力最大。

圖8 煤層厚度分布(采動(dòng)空間)

3.2.3評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

對(duì)于多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)，通常需要建立數(shù)學(xué)模型將各個(gè)單因素的評(píng)價(jià)指標(biāo)值融合為可以起到整體評(píng)價(jià)作用的綜合評(píng)價(jià)值。筆者所選取的4種因素相互獨(dú)立，故采用線性加權(quán)評(píng)價(jià)模型，見式(1)所示。

(1)

式中：IEI(x,y)——綜合評(píng)價(jià)值；

fi(x，y)——指標(biāo)i在位置(x，y)的同化值；

wi——指標(biāo)i的權(quán)重。

按照上述確定的權(quán)重，本次構(gòu)建的突水潰砂評(píng)價(jià)模型為：

(2)

式中：f1(x，y)——砂層厚度在位置(x，y)的同化值；

f2(x，y)——有效隔水層厚度在位置(x，y)的同化值；

f3(x，y)——富水性在位置(x，y)的同化值；

f4(x，y)——采動(dòng)空間在位置(x，y)的同化值。

3.3 突水潰砂危險(xiǎn)性多因素評(píng)價(jià)

根據(jù)影響突水潰砂的因素、危險(xiǎn)程度、預(yù)警級(jí)別等，將突水潰砂危險(xiǎn)性分為4級(jí)，即突水潰砂危險(xiǎn)性大、中等、小和安全。將上述評(píng)價(jià)模型綜合計(jì)算生成的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)IEI值在ArcGIS下采用自然斷裂法進(jìn)行分級(jí)，可得到5級(jí)分級(jí)結(jié)果，分別對(duì)應(yīng)極高危險(xiǎn)IEI值0.80～ 1.00、高危險(xiǎn)IEI值0.60～0.80、危險(xiǎn)IEI值0.40～0.60、相對(duì)安全I(xiàn)EI值0.20～0.40和安全I(xiàn)EI值0～0.20，綜合評(píng)價(jià)指數(shù)越大，說明突水潰砂危險(xiǎn)性越大。

將上述處理好的各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的矢量圖輸入到ArcGIS平臺(tái)，進(jìn)行多因素加權(quán)疊加。即對(duì)各圖層進(jìn)行疊加，使疊加得到的圖層中包含各圖層原有的信息數(shù)據(jù)，21305工作面突水潰砂風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)見圖9。

由圖9可以看出，23105工作面突水潰砂危險(xiǎn)性處于相對(duì)安全-高危險(xiǎn)，工作面從南至北、自東南向西北危險(xiǎn)性逐漸減小的趨勢(shì)。

圖9 突水潰砂危險(xiǎn)性綜合分區(qū)圖

3.4 23105工作面突水潰砂危險(xiǎn)性綜合分析

依據(jù)《規(guī)范》對(duì)23105工作面突水潰砂危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的方法，主要考慮水體等級(jí)劃分和剩余安全巖柱高度。對(duì)比之下，通過GIS平臺(tái)對(duì)多源地學(xué)信息進(jìn)行加權(quán)疊加分析對(duì)23105工作面進(jìn)行突水潰砂危險(xiǎn)性分區(qū)的方法考慮了砂層厚度、含水層富水性、有效隔水層厚度和煤層采厚4種因素，其中有效隔水層厚度與剩余安全巖柱高度相似，側(cè)重于考慮突水潰砂發(fā)生的通道因素。含水層富水性與水體等級(jí)劃分相似，側(cè)重于考慮突水潰砂發(fā)生的水源因素，相比于依據(jù)《規(guī)范》對(duì)水體定性地劃分水體等級(jí)，分析含水層富水性并對(duì)工作面進(jìn)行富水性分區(qū)考慮到工作面不同區(qū)域含水層富水性的差異性，有利于有針對(duì)性地設(shè)置采高及疏放水方案。除此之外，砂巖厚度和煤層采厚則從突水潰砂的誘發(fā)條件出發(fā)，考慮到了突水潰砂誘發(fā)所需要的砂源以及空間2個(gè)因素。

依據(jù)《規(guī)范》的評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，23105工作面突水危險(xiǎn)性自工作面東南至西北方向逐漸減小，發(fā)生潰砂的可能性小。基于GIS 的信息融合性評(píng)價(jià)模型，對(duì)淺埋煤層工作面突水潰砂危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，23105工作面突水潰砂危險(xiǎn)性處于相對(duì)安全-極高危險(xiǎn)，工作面東南角發(fā)生突水潰砂危險(xiǎn)性高，且工作面內(nèi)自東南向西北危險(xiǎn)性逐漸減小。兩種方法得出的結(jié)果具有一定的相似性，均體現(xiàn)出23105工作面突水危險(xiǎn)性自工作面東南至西北方向逐漸減小的趨勢(shì)。因此在開采23105工作面南部煤層的時(shí)候，要更加重視礦井水害的防治，加強(qiáng)對(duì)該區(qū)域的探放水工作，同時(shí)也要重點(diǎn)預(yù)防工作面東南方位發(fā)生突水潰砂災(zāi)害。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)《規(guī)范》，對(duì)剩余巖柱高度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，23105工作面發(fā)生突水災(zāi)害的危險(xiǎn)性較大，且突水危險(xiǎn)性自工作面東南至西北方向突水危險(xiǎn)性逐漸減小，但垮落帶導(dǎo)通含水砂層的可能性極小，出現(xiàn)工作面潰砂的風(fēng)險(xiǎn)低。

(2)基于GIS平臺(tái)，突水潰砂危險(xiǎn)性多因素評(píng)價(jià)，從淺埋深薄基巖突水潰砂發(fā)生條件出發(fā)，確定了工作面突水潰砂危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)關(guān)鍵指標(biāo)為砂層厚度、含水層富水性、有效隔水層厚度和煤層采厚。

(3)相比《規(guī)范》中以剩余巖柱高度為評(píng)價(jià)依據(jù)，通過GIS平臺(tái)對(duì)砂層厚度、含水層富水性、有效隔水層厚度和采厚等多源地學(xué)信息進(jìn)行疊加分析，對(duì)23105工作面進(jìn)行突水潰砂危險(xiǎn)性分區(qū)綜合考慮了誘發(fā)突水潰砂災(zāi)害的4種條件，對(duì)于西北轉(zhuǎn)龍灣煤礦區(qū)突水潰砂危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)更綜合，有利于有針對(duì)性地防治突水潰砂，從而在不同分區(qū)內(nèi)采用最適當(dāng)?shù)墓こ谭乐未胧?/p>