朱莊煤礦Ⅲ633工作面突水水源識別

樊迎軍 王來斌 冷傲

摘 要：本文在收集朱莊礦井田及工作面地質及水文地質資料基礎上，分析了太灰和奧灰長觀測孔水位觀測數據及突水點與各含水層水的水質分析數據，并利用灰色關聯(lián)度理論進行了水質關聯(lián)度分析。結果表明，Ⅲ633工作面突水水源主要來自Ⅲ632工作面的老空水，其次為Ⅲ631和Ⅲ6213工作面老空水，其補給水源為6煤層頂底板砂巖裂隙水，并非來源于煤層底板的太灰和奧灰的巖溶裂隙水。

關鍵詞：突水水源;Piper三線圖;灰色關聯(lián)

中圖分類號：TD745文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）08-0075-04

Identification of Water Inrush Source in Ⅲ633 Working

Face of Zhuzhuang Coal Mine

FAN Yingjun WANG Laibin LENG Ao

（School of Earth and Environment， Anhui University of Science and Technology，Huainan Anhui 232001）

Abstract： On the basis of collecting geological and hydrogeological data of Zhuzhuang mine field and working surface， this paper analyzed the water level observation data of Taihui limestone and Ordovician limestone long observation holed and the water quality analysis data of the sudden water points and aquifer water， and made the correlation analysis of water quality by using the grey correlation theory. The results showed that the water source of water inrush in the III633 working face mainly came from the goaf water in the III632 working face， followed by the goaf water in the III631 and III6213 working face， the recharge water source was 6 coal seam top plate sandstone crack water， not from the coal seam bottom plate of Taiyuan limestone and Ordovician limestone karst fissure water.

Keywords： water inrush source;Piper three-line map;grey correlation

礦井突水威脅著煤礦的安全生產，治理突水的重點在于準確判別突水來源，減少水害事故的發(fā)生。判別突水水源常采用水位水溫法[1]、水化學分析法和基于數學理論的分析方法。宮鳳強等運用距離判別法對突水水源進行識別[2]，胡友彪等使用灰色關聯(lián)度法[3]，徐星等提出基于遺傳BP神經網絡模型法等[4]，均取得了較好的效果。本文針對朱莊礦Ⅲ633工作面突水特征，根據突水工作面附近長觀孔觀測數據和水常規(guī)離子，分析了水位動態(tài)變化和水化學特征，并采用灰色關聯(lián)度法對突水水源進行了判別[5]，進一步提高判別的準確性，對礦井防治水方案設計及工作面的安全開采具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

1.1 工作面地質條件

朱莊煤礦位于淮北市以東約9 km，含煤地層為石炭—二疊系上下石盒子組和山西組，主采煤層6煤位于下二疊統(tǒng)山西組，厚度為2.6～3.2 m，傾角為14°～23°，煤層結構簡單。井田呈現(xiàn)為寬緩褶曲構造，褶曲右翼走向北北西—南南東，傾向南西西，巖層傾角為7°～25°，局部發(fā)育小斷層。

Ⅲ633工作面位于井田東南部的Ⅲ63采區(qū)右翼第二個工作面，如圖1所示，為單斜構造，南東高北西低，工作面位于向斜軸部，軸向北西，共揭露斷層10條，落差為0.4～0.5 m。

1.2 水文地質條件

根據地下水賦存介質特征，含水層可劃分為：松散層孔隙含水層、煤系地層砂巖裂隙含水層、灰?guī)r巖溶裂隙含水層。

1.2.1 松散層孔隙含水層。兩極厚度為50.45～96.3 m，平均厚度為69.75 m。上部為粉砂，中部以黏土類礫石為主，局部隔水具承壓性質，水位埋深為1.5～3.0 m，單位涌水量為1.8 L/（s·m），滲透系數為7.64 m/d，礦化度為0.4 g/L，富水性強。

1.2.2 煤系地層砂巖裂隙含水層。其主要分為三層。

1.2.2.1 上石盒子組底部（K3）砂巖裂隙含水層。砂巖厚度為7.24～83.83 m。巖性以細、中粗粒砂巖為主，裂隙較發(fā)育。單位涌水量為0.002 4～0.590 0 L/（s·m），滲透系數為0.008～1.510 m/d，富水性弱～中等。

1.2.2.2 下石盒子組3～5煤層間砂巖裂隙含水層。砂巖厚度為1.4～37.1 m。巖性以中、細粒砂巖為主，局部裂隙較發(fā)育。單位涌水量為0.000 87～0.078 00 L/（s·m），滲透系數為0.02～0.21 m/d，礦化度為0.63 g/L，富水性弱。

1.2.2.3 山西組6煤層頂底板砂巖裂隙含水層。砂巖厚度為2.29～50.22m。巖性以中、細粒砂巖為主，局部砂巖裂隙較發(fā)育。單位涌水量為0.007 4～0.038 0 L/（s·m），滲透系數為0.038～0.045 m/d，礦化度為0.44～0.58 g/L，富水性弱。

1.2.3 灰?guī)r巖溶裂隙含水層。其主要分為兩層。

1.2.3.1 石炭系太原組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層。平均厚度為158 m，含水層含灰?guī)r14層，其中，對礦井突水影響較大的1～4灰累計平均厚度為24.98 m，第3、4灰厚度較大，單位涌水量為0.016～2.34 L/（s·m），滲透系數為0.13～97.16 m/d，礦化度為0.35～0.40 g/L，富水性弱～強。

1.2.3.2 奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層。該層總厚度大于500 m，主要為厚層狀石灰?guī)r。單位涌水量為0.000 98～1.950 00 L/（s·m），滲透系數為0.002 3～18.330 0 m/d，礦化度為0.34 g/L，富水性弱～強。

2 工作面突水特征及含水層水位變化

2.1 工作面突水特征

2018年7月1日早班，Ⅲ633風巷至54.7 m處停止掘進，探放Ⅲ631機巷出現(xiàn)老空水;4日17：00，鉆孔開始出水，水量逐漸增大，水量至80 m3/h時撤出所有人員;6日09：20左右，水量突然增大，達240 m3/h，持續(xù)2 min左右，造成Ⅲ63采區(qū)水倉被淹;6日22：00，出水量衰減至30 m3/h;9日10：00，減至24 m3/h。突水特征表明：老空區(qū)集聚了一定的水量，但老空區(qū)水補給條件較差。

2.2 含水層水位動態(tài)變化

工作面周邊布置有1個太灰（90太灰觀1）、3個奧灰觀測孔（90奧灰觀3、2013奧灰觀1、2014奧灰觀1），位置如圖1所示。選取7月6日突水發(fā)生前后一周的觀測孔水位數據，繪制水位變化曲線，如圖2所示。

從圖2可知，Ⅲ633工作面發(fā)生突水后，3個奧灰觀測孔水位變化不大，變幅僅在0.6 m以內;太灰觀測孔水位出現(xiàn)上升現(xiàn)象，從7月5日至7日上升了2.5 m，之后水位下降到-6 m，并恢復到穩(wěn)定狀態(tài)。推測太原組灰?guī)r含水層是接受了大氣降水或其他水源補給[6]，導致含水層水位出現(xiàn)了短暫上升。因此，可以排除突水水源為太灰水及奧灰水的可能。

3 水化學特征

在分析水文地質資料的基礎上，收集整理了礦井16個不同含水層及突水點的水質資料，選取8個水質指標進行突水水源識別，如表1所示。然后采用AqQA軟件繪制Piper三線圖，如圖3所示。

從圖3可以看出，突水點水樣與編號7～12水樣的水質較為接近，均為HCO3-Na型水，而與地表水及水泥凝結水水樣的水質差別大。這表明突水水源主要來自6煤頂底板和3～5煤層間砂巖裂隙水。但是，這2個含水層弱富水性的水文地質條件，使得短時間內匯聚大量水的可能性較小。Ⅲ5422工作面內7號水樣距突水點約2.5 km;Ⅲ631工作面內8、9號水樣距突水點約220 m;Ⅲ6213工作面內10號水樣距突水點約790 m;Ⅲ632工作面內11號與12號水樣距突水點約800 m。發(fā)生突水的Ⅲ633工作面開采標高為-540～-445 m，其采掘標高均低于上述已采工作面，所以可初步判定突水的補給水源可能為6煤層頂底板砂巖裂隙含水層水。

4 灰色關聯(lián)分析

灰色關聯(lián)分析是將研究對象及影響因素的因子值視為一條線上的點，與待識別對象及影響因素的因子值所繪制的曲線進行比較，通過比較各關聯(lián)度的大小來判斷待識別對象與研究對象的影響程度[7]。

4.1 計算

定義水樣，[X0]為母序列，即出水點的水化學數據列，[Xj]為子序列，代表其他含水層水樣的水化學數據列。對所有水化學數據進行均值化處理，計算公式為：

[x'jk=xjk/18k=18xjk]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：[x'jk][為]標準化后的數值;[k]為比較因子;[j]為子序列個數;[xjk]為第[j]列的第[k]個數據，[j=1，2…，N]，[N] =15，[k=1，2，…，n]，[n]為水質指標數量，[n]=8。

求取數列的絕差數列，并確定數列兩級差，計算公式為：

[Δ0jkmin=minjminkx0k-xjkΔ0jkmax=maxjmaxkx0k-xjkΔ0jk=x0k-xjk]? ? ? ? ?（2）

式中：[Δ0jk]為絕差數列，表示第[j]列子序列與母序列第[k]個數據的絕對差值;[Δ0jkmin]為兩級最小差，找出[x0]序列與[xj]序列對應各點的列最小差，形成按[j=1，2，…，N]排列的最小差列，在此基礎上找出序列中的最小差;[Δ0jkmax]為兩級最大差。

計算參考數列與被比較數列的關聯(lián)系數，計算公式為：

[ξ0j=Δ0j（k）min+ρΔ0j（k）maxx0（k）-xj（k）+ρΔ0j（k）max]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中：[ξ0j]為第[j]個子序列[xj]與母序列[x0]第[k]個元素的關聯(lián)系數;[ρ]為分辨系數，一般取0.5。

計算參考數列與比較數列的灰色關聯(lián)度，計算公式為：

[r0j=1kk=18ξ0j（k）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

式中：[r0j]未灰色關聯(lián)度，其大小反映了母序列與子序列之間的關聯(lián)程度。

4.2 結果與討論

按照如上步驟對水樣數據進行計算處理，具體結果如表2所示。

通過分析，Ⅲ5422和Ⅲ632工作面水樣關聯(lián)度最高，其次是Ⅲ6213和Ⅲ631工作面。這表明這些工作面老空水均有可能為突水水源，它們的補給水源為6煤頂底板和3～5煤層間的砂巖裂隙水。

根據位置關系，Ⅲ5422工作面距突水點最遠，且工作面之間沒有較大的斷裂構造，不具備良好的導水通道，可以排除突水水源為Ⅲ5422老空水。Ⅲ631工作面與Ⅲ633工作面較近，但只有距突水點近的8號水樣關聯(lián)度較高，而較9號水樣相對較低，表明突水水源只與突水點近的老空水有關。Ⅲ632工作面與突水點近，且與水樣關聯(lián)度高，共揭露25條小斷層，具備良好的導水通道，表明該工作面老空水是突水的主要水源。Ⅲ6213工作面揭露小斷層8條，與Ⅲ632工作面通過巷道相連通，其內老空水為次要突水水源。

綜上可知，Ⅲ633工作面突水水源主要為Ⅲ632老空水，其次為Ⅲ631和Ⅲ6213工作面老空水，老空水的補給水源為6煤頂底板砂巖裂隙水。

5 結論

朱莊礦Ⅲ633工作面突水量急劇增大，快速衰減，表明突水水源為采空區(qū)老空水;從突水點附近觀測孔水位變化和突水水樣與其他各含水層水質分析資料可知，突水的補給水源為6煤頂底板砂巖裂隙水，并不是來自煤層底板灰?guī)r巖溶裂隙水;通過突水水源的灰色關聯(lián)分析，并結合水文地質條件可知，突水水源主要為Ⅲ632工作面老空水，其次為Ⅲ631和Ⅲ6213工作面老空水。

參考文獻：

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