辛置煤礦10#煤層頂板直接含水層突水危險性評價分析與研究

郭明明

（霍州煤電集團李雅莊煤礦 山西霍州031400）

1 工程概況

山西焦煤集團霍州煤電集團辛置煤礦位于霍州礦區(qū)南部，礦井主要開采2#、10#和11#煤層，井田范圍內(nèi)2#煤層基本已回采完畢，10#煤層正在進行開采，11#煤層尚未進行回采，目前礦井正在開采10#煤層?xùn)|四延伸采區(qū)，10#煤層厚度為1.43 m～2.67 m，平均厚度為2.6 m，平均傾角為4°，煤層內(nèi)平均含有1層夾矸，夾矸平均厚度為0.2 m，煤層頂板巖層為泥巖和K2石灰?guī)r，底板巖層為砂質(zhì)泥巖和中-細(xì)砂巖，具體10#煤層頂板主要含水層的柱狀圖如圖1所示。

圖1 主要地層及含水層柱狀圖

10#煤層回采過程中，主要受到頂板太原組灰?guī)r含水層的影響，該含水層總體呈現(xiàn)為弱-中等的富水性，且該含水層局部具有富水性較強的特征，存在一定的突水危險性。東四延伸采區(qū)開采過程中主要受到頂板K2灰?guī)r含水層威脅，根據(jù)工作面回采巷道掘進期間涌水情況統(tǒng)計，正常掘進期間巷道涌水量為10 m3/h，最大涌水量為20 m3/h，遇到斷層構(gòu)造期間涌水量為50 m3/h，現(xiàn)為保障采區(qū)煤炭資源的安全回采，特進行頂板突水危險性的評價分析。

2 頂板破壞特征

2.1 頂板強度分析

根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，10#煤層頂板K2灰?guī)r的平均厚度未8.24 m，巖層上部裂隙發(fā)育，質(zhì)地堅硬，且?guī)r層內(nèi)裂隙被方解石充填，巖層下部含有夾黑色泥巖，井田范圍內(nèi)K2巖層的抗壓強度約為40.9 MPa～67.8 MPa，抗拉強度約為28.1 MPa～45.6 MPa，巖石的抗剪強度為0.59 MPa～0.77 MPa，根據(jù)井田范圍內(nèi)的鉆孔地質(zhì)數(shù)據(jù)可知，煤層頂板K2灰?guī)r巖芯取芯率情況如表1所示。

表1 K2灰?guī)r巖芯取芯率數(shù)據(jù)表

根據(jù)井田范圍內(nèi)鉆孔取芯率的數(shù)據(jù)，通過采用多元信息軟件，將鉆孔取芯率進行歸一化處理，能夠得出常態(tài)下石灰?guī)r的軟化系數(shù)介于0.70～0.94的范圍內(nèi)，通過各個鉆孔的數(shù)據(jù)得出井田范圍內(nèi)10#煤層頂板K2灰?guī)r的軟化系數(shù)，采用ArcGIS軟件中的差值功能繪制出頂板K2灰?guī)r軟化系數(shù)的分布云圖如圖2所示。

圖2 K2灰?guī)r軟化程度分布圖

2.2 頂板三帶發(fā)育特征

回采工作面的頂板“三帶”分別為“垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶”，在頂板巖層三帶中垮落帶和裂隙帶主要起到導(dǎo)水通道的作用，現(xiàn)為分析頂板的導(dǎo)水特征主要對工作面頂板的垮落帶和裂隙帶進行分析。

（1）垮落帶高度分析：工作面頂板巖層垮落帶的高度主要由巖層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不確定性和巖層本身的碎脹系數(shù)所決定，根據(jù)眾多理論研究和工程實踐結(jié)果[1-3]，計算垮落帶的公式如下：

式中：hk為垮落帶的高度；M開采煤層的采高；α為煤層的傾角；k為巖體的碎脹系數(shù)；

從公式（1）中可知，影響頂板巖層垮落帶高度的主要因素為頂板巖層碎脹系數(shù)、煤層采高和煤層傾角，一般在回采工作面內(nèi)，煤層的采高及傾角均為一個固定的數(shù)值，此時影響頂板垮落帶高度的因素即為巖層的碎脹系數(shù)，但由于K2灰?guī)r具有堅硬致密的特性，其本身的碎脹系數(shù)較為不明顯，故而采用該公式計算垮落帶高度時，計算結(jié)果的準(zhǔn)確性會相對較差。

目前導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律主要通過一般的經(jīng)驗公式計算，目前垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶的計算公式主要依據(jù)《三下采煤規(guī)程》，該計算公式中主要依據(jù)巖層的堅硬程度及煤層厚度具體進行導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律的劃分[4]，基于巖層頂板為中硬，10#煤層的厚度為2.1 m，選取計算垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度的公式如下：

根據(jù)10#煤層頂?shù)装鍘r層的賦存特征，煤層賦存參數(shù)，計算得出煤層頂板垮落帶h垮=12.79 m，頂板導(dǎo)水裂隙帶的高度h導(dǎo)=55.36 m。

3 頂板突水危險性評價

3.1 評價指標(biāo)統(tǒng)計分析

根據(jù)辛置煤礦東四延伸采區(qū)10#煤層頂板含水層的具體特征，采用三圖雙預(yù)測的方法進行頂板K2灰?guī)r突水危險性的評價分析，在進行分析時主要考慮6個方面的因素，主要包括：含水層的巖性、單位涌水量、厚度、滲透系數(shù)及鉆孔取芯率，具體分析如下：

（1）充水含水層厚度：含水層的厚度會直接影響含水層的富水程度，現(xiàn)通過對井田范圍內(nèi)地質(zhì)鉆孔中揭露K2灰?guī)r含水層的數(shù)據(jù)進行分析，采用ArcGIS軟件繪制出頂板含水層厚度如圖3所示。

分析圖3(a)可知，東四延伸采區(qū)K2灰?guī)r呈現(xiàn)為北部和中部巖層厚度大，南部和東西部巖層厚度相對小的分布特征。

（2）含水層巖性：頂板巖性會直接影響頂板的隔水性能，根據(jù)研究區(qū)域的地質(zhì)數(shù)據(jù)，和繪制處頂板巖層脆性比分布如圖3(b)。

分析圖3(b)可知，東四延伸采區(qū)中南部的脆性比相對偏高，而北部的脆性比相對較低，這即表明研究區(qū)域內(nèi)南部頂板呈現(xiàn)出脆性特征，易在采動影響下產(chǎn)生較多的裂隙，形成較大的導(dǎo)水通道。研究區(qū)域北部呈現(xiàn)為塑性特征，該區(qū)域內(nèi)的頂板內(nèi)巖層基本呈現(xiàn)為拉張破壞和剪切破壞，最終形成的導(dǎo)水通道相對較少。

（3）單位涌水量：根據(jù)東四延伸采區(qū)內(nèi)的地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)，繪制出10#煤層頂板含水層單位涌水量分布情況如圖3c)所示。

分析圖3(c)可知，東四延伸采區(qū)內(nèi)南邊為弱富水區(qū)、北部為中等富水區(qū)、東部為弱富水區(qū)、西部為中等富水區(qū)。

（4）取芯率：取芯率是直接反應(yīng)巖石完整性的指數(shù)，鉆孔取芯率越低，此時表明巖體的完整性會越差，即表明裂隙的發(fā)育程度也相應(yīng)降低，根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)的鉆孔數(shù)據(jù)，繪制出10#煤層頂板含水層取芯率分布如圖3d)。

分析圖3(d)可知，東四延伸采區(qū)中含水層北部呈現(xiàn)為脆性特征，含水層南部呈現(xiàn)為脆性特征，據(jù)此可知研究區(qū)域內(nèi)南部裂隙較為發(fā)育，導(dǎo)水通道較多，研究區(qū)域北部裂隙相對較少，導(dǎo)水裂隙較少。

（5）滲透系數(shù)：東四延伸采區(qū)內(nèi)滲透系數(shù)的分布形式如圖3(e)所示，分析圖3(e)可知，研究區(qū)域含水層的滲透系數(shù)呈現(xiàn)為由北向南逐漸遞減的特征，研究區(qū)域北部含水層的滲透系數(shù)明顯大于南部區(qū)域。

（6）構(gòu)造因素：東四延伸采區(qū)內(nèi)斷層和陷落柱的發(fā)育特征如圖3(f）和3(g）所示，分析圖3(f)和3(g)可知，研究區(qū)域內(nèi)斷層相對較為發(fā)育，陷落柱的發(fā)育特征呈現(xiàn)為由東向向及南北向呈現(xiàn)出條帶樁的分布特征。

3.2 富水性分區(qū)

根據(jù)東四延伸采區(qū)的地質(zhì)條件，考慮圖4中的影響頂板含水層富水性的影響因素，建立AHP層級分析模型，具體層次模型建立如圖5所示。

圖4 頂板含水層突水危險性影響因素分布圖

圖5 AHP模型圖

根據(jù)頂板含水層各影響因素對富水性的影響結(jié)果，結(jié)合相關(guān)AHP層次分析法的相關(guān)理論[5-6]，結(jié)合東四延伸采區(qū)的具體特征，劃分得出影響煤層頂板突水各主控因素的權(quán)重如表2。

表2 頂板突水各主控因素的權(quán)重數(shù)據(jù)表

通過將頂板含水層富水性各影響因素的進行權(quán)重后，采用復(fù)合疊加的方法，通過GIS建立評價圖，依據(jù)脆弱性指標(biāo)分區(qū)為：弱富水區(qū)-較強（VI＜0.44），弱富水區(qū)-過渡區(qū)（0.44＜VI＜0.62），弱富水區(qū)-較弱（0.62＜VI＜0.75），弱富水區(qū)-弱（VI＞0.75）；依據(jù)該劃分標(biāo)準(zhǔn)得出頂板直接充水含水層的富水性分區(qū)如圖6所示。分析圖可知，東四延伸采區(qū)中部屬于弱富水區(qū)中較強，可劃分為脆弱區(qū)；在研究區(qū)西部和東部，富水性較弱，屬于相對安全區(qū)。

圖6 頂板直接含水層富水性分布圖

基于東四延伸采區(qū)導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育計算結(jié)果，結(jié)合頂板含水層的富水性，通過疊加富水性分區(qū)圖和冒裂安全性分區(qū)圖，得出頂板充水含水層的（K2灰?guī)r）突水危險性分區(qū)圖如圖7所示。分析圖7可知，井田突水危險區(qū)域主要集中在研究區(qū)域中部，在研究研究區(qū)域四周區(qū)域含水層基本均處于過渡區(qū)和安全區(qū)。

圖7 頂板直接含水層突水危險性分區(qū)圖

4 結(jié)論

根據(jù)東四延伸采區(qū)的地質(zhì)條件，通過分析頂板破壞特征，得出頂板含水層軟化程度及裂隙帶發(fā)育規(guī)律，根據(jù)影響含水層富水性的影響因素分析結(jié)果，采用AHP層次分析法得出K2灰?guī)r富水性分區(qū)圖，結(jié)合頂板裂隙帶發(fā)育高度，得出東四延伸采區(qū)K2灰?guī)r含水層突水危險分區(qū)圖，突水危險區(qū)主要位于采區(qū)中部區(qū)域，為指導(dǎo)井田生產(chǎn)提供有效參考。