木瓜煤礦工作面頂板含水層突水危險性評價

胡雪墩

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司方山木瓜煤礦，山西 方山033100）

1 工程概況

方山木瓜煤礦10-201工作面井下位于+940 m水平二盤區(qū)準備巷道南翼，工作面上部為實體煤，以北緊鄰二盤區(qū)三條準備大巷，以南靠近礦井井田邊界，以西為實體煤，以東緊鄰風(fēng)氧化帶，靠近礦井井田邊界。工作面傾斜長度245 m，走向長度1 081 m，開采9#+10#煤層，煤層平均厚度為5.3 m，平均傾角8.5°，平均含有兩層夾矸，煤層頂?shù)装鍘r層特征見表1。工作面采用綜合機械化放頂煤采煤方法，全部垮落法管理頂板。

表1 工作面頂?shù)装鍘r層特征

10-201工作面9#、10#煤層上部主要含水層為石炭系上統(tǒng)太原組砂巖、灰?guī)r含水層及下石盒子組砂巖含水層，煤層上方2.3 m 為太原組砂巖裂隙含水層，上方78.2 m 為灰?guī)r含水層，上方137.9 m 為下石盒子組砂巖含水層，具體煤層與含水巖層間層位關(guān)系見圖1。根據(jù)工作面周邊南5、ZK3 鉆孔綜合分析，工作面范圍內(nèi)太原組中普遍含有L1+K2、L4、L5三層石灰?guī)r及3 層中細粒砂巖組成，巖層總體平均總厚14.29 m。石灰?guī)r含水層裂隙較發(fā)育，單位涌水量在0.037 6～0.078 L/s·m之間，灰?guī)r含水層賦水不均勻，局部存在富水區(qū)，二疊系砂巖含水層對工作面影響較小。

圖1 頂板含水層與煤層結(jié)構(gòu)柱狀

2 含水層富水性影響因素分析

為有效掌握10-201工作面頂板含水層的富水性，采用多源地學(xué)信息復(fù)合疊加技術(shù)進行充水含水層富水性分區(qū)。根據(jù)工作面的地質(zhì)條件，確定頂板影響含水層富水性的因素主要有含水層厚度、沖洗液消耗量、巖芯采取率、滲透系數(shù)及單位涌水量等因素，依據(jù)礦井水文地質(zhì)試驗及相關(guān)資料，采用多元地學(xué)信息系統(tǒng)，分別對影響頂板含水層穩(wěn)定性的影響因素進行分析。

1）充水含水層厚度：根據(jù)眾多理論和工程實踐結(jié)果表明［1-3］，頂板含水層的厚度與含水層的富水性成正比例關(guān)系。根據(jù)10-201工作面地質(zhì)條件和工作面區(qū)域鉆孔數(shù)據(jù)得出煤層上部主要太原組砂巖、灰?guī)r及二疊系砂巖含水層的厚度見表2。根據(jù)工作面區(qū)域鉆孔資料，采用Surfer插值功能分別進行太原組砂巖含水層、灰?guī)r含水層和二疊系砂巖含水層厚度的統(tǒng)計分析，具體各含水層厚度分布見圖2。分析圖2 可知，10-201工作面區(qū)域內(nèi)頂板三個含水層在南部的厚度均大于北部，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因為工作面區(qū)域地層走向大致為東南方向，向西北傾斜，進而導(dǎo)致出現(xiàn)此現(xiàn)象。

表2 頂板各含水層厚度統(tǒng)計

圖2 頂板各含水層厚度分布

2）巖芯采取率：巖芯的采取率為地質(zhì)鉆孔中巖芯長度與鉆孔進尺長度間的比值，用百分數(shù)表示。該指標為反應(yīng)巖體裂隙發(fā)育程度的指標，當(dāng)巖芯采取率低時，說明含水層的富水性較好［4］。根據(jù)工作面范圍內(nèi)鉆孔數(shù)據(jù)得出煤層上部太原組砂巖、灰?guī)r及二疊系砂巖含水層的巖芯采取率見表3、圖3。分析圖3 可知，10-201工作面頂板太原組灰?guī)r含水層的巖芯采取率相對較低，巖芯相對較為破碎，在工作面中部巖性相對較為破碎，這與工作面剖面圖中的褶皺和斷層區(qū)域相吻合，即其與突水點的位置相一致。

圖3 頂板各含水層鉆孔巖芯采取率分布

表3 含水層鉆孔巖芯采取率統(tǒng)計

3）沖洗液消耗量：鉆孔沖洗量能夠反映出各個巖層內(nèi)巖溶裂隙的發(fā)育程度，且能夠反映出各個巖層的巖性及透水性。當(dāng)沖洗液消耗量大時，說明該段巖層段內(nèi)巖溶及裂隙較為發(fā)育，巖層內(nèi)滲透性強、導(dǎo)水和儲水性能好［5］。根據(jù)工作面內(nèi)鉆孔地質(zhì)資料，得出各個含水層沖洗液消耗量見表4、圖4。

圖4 頂板各含水層鉆孔沖洗液消耗量分布

表4 含水層鉆孔沖洗液消耗量統(tǒng)計

4）單位涌水量：根據(jù)我國2018年9月1日施行的《煤礦防治水細則》附錄一中對單位涌水量的計算公式如下：

式中：Q91、R91、r91為孔徑為91 mm 的鉆孔的涌水量、影響半徑和鉆孔半徑；Q、R、r為擬換算鉆孔的涌水量、影響半徑和鉆孔半徑。

通過對工作面區(qū)域內(nèi)鉆孔地質(zhì)條件的鉆孔數(shù)據(jù)，計算得出各個鉆孔的單位涌水量數(shù)據(jù)見表5、圖5。

表5 各含水層鉆孔單位涌水量統(tǒng)計

圖5 頂板各含水層鉆孔單位涌水量分布

5）滲水系數(shù)：通過對工作面區(qū)域內(nèi)充水含水層滲透系數(shù)的統(tǒng)計分析，能夠得出頂板各含水層滲透系數(shù)見表6、圖6。

圖6 頂板各含水層滲透系數(shù)分布

表6 各含水層滲透系數(shù)統(tǒng)計

3 突水危險性綜合評價

在進行10-201工作面頂板各含水層突水危險性評價時，采用富水性指數(shù)法進行評價分析。采用該方法時首先建立AHP層次結(jié)構(gòu)分析模型，隨后構(gòu)造判斷矩陣，最后通過富水性指數(shù)模型進行突水危險性的綜合評價。

本次頂板含水層突水危險性評價分析中建立A、B、C三個分析層次，判斷矩陣A～Bi及各主控因素的權(quán)重見表7。

表7 判斷矩陣A～Bi(i=1～3)及各主控因素權(quán)重

在通過富水性指數(shù)模型進行評價時，需要將多元地學(xué)信息數(shù)據(jù)進行集成，歸一化處理公式如下：

式中：Ai為歸一化處理后的數(shù)據(jù)；a，b分別為歸一化范圍的極小值和極大值，分別取為0 和1；xi為歸一化前的數(shù)據(jù)；min（xi）和max（xi）分別為主控因素量化值的最小和最大值。

根據(jù)層次分析法得到的不同層次值，將其與歸一化多元地學(xué)信息數(shù)據(jù)進行疊加即可得到可反應(yīng)富水性相對大小的指數(shù)，計算公式如下：

式中：CI為富水性指數(shù)；n為多元信息的個數(shù)，根據(jù)含水層取為3；k為因素序號，Wk為第k個地學(xué)信息的權(quán)重；fk（x，y）為第k個地學(xué)信息量化值歸一化后的數(shù)值，其中x，y為地理坐標。

根據(jù)上述富水性評價法的模型，在考慮地質(zhì)構(gòu)造的情況下，得出10-201工作面頂板3 個含水層突水危險性的綜合分區(qū)圖，見圖7。

圖7 頂板各含水層突水危險性綜合分區(qū)

采用《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》 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，基于9+10#煤層頂板為軟弱，10#煤層的厚度為5.3 m，選取計算垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度的公式如下：

式中：H導(dǎo)為頂板導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度；M為開采煤層厚度。

通過計算得出10-201工作面開采后導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度為42.49～58.91 m。

分析圖7 可知，工作面導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通了太原組砂巖含水層，因此該含水層在工作面區(qū)域的富水性分區(qū)一致；從圖中能夠看出工作面大部分處于該含水層導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通區(qū)。10-201工作面南部導(dǎo)水裂隙帶未導(dǎo)通太原組灰?guī)r含水層，所以該區(qū)域除構(gòu)造部位外均為相對安全；工作面整個太原組砂巖含水層從南向北危險性漸增，突水危險區(qū)主要位于工作面北部區(qū)域；二疊系砂巖含水層基本無突出危險性，僅在構(gòu)造區(qū)域處存在小部分的危險區(qū)。

4 結(jié)論

1）根據(jù)10-201工作面地質(zhì)條件，采用多元地學(xué)信息系統(tǒng)，對含水層富水性的主要影響因素分析，建立含水層厚度、沖洗液消耗量、巖芯采取率、滲透系數(shù)及單位涌水量專題分布圖。

2）通過富水性指數(shù)法進行頂板各含水層突水危險性分析，得出太原組砂巖含水層突水危險區(qū)主要位于10-201工作面北部區(qū)域，太原組灰?guī)r含水層和二疊系砂巖含水層基本無突水危險性，僅局部構(gòu)造區(qū)域存在一定的危險。