汾源煤業(yè)5#煤層頂板含水層富水性及突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

崔凌友

（霍州煤電集團(tuán)汾源煤業(yè)有限公司，山西 靜樂 035100）

1 工程概況

山西霍州煤電集團(tuán)汾源煤業(yè)主采2#和5#煤層，礦井目前主采5#煤層，煤層平均厚度為10.5 m，煤層傾角23°～27°，平均傾角25°，煤層節(jié)理裂隙發(fā)育，含1～3層不穩(wěn)定夾矸。煤層頂?shù)装鍘r層特征見表1。礦井水文地質(zhì)類型劃分為中等，影響5#煤層開采的主要含水層有奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r巖溶含水巖組及太原組灰?guī)r裂隙含水巖組。5#煤層底板距下覆奧灰頂面平均間距為65 m，突水系數(shù)為0.031～0.044 MPa/m，小于0.06 MPa/m，故底板奧灰含水層不具有突水危險(xiǎn)性。5#煤層上覆太原組石灰?guī)r巖溶裂隙水，由于煤層上部含有多層石灰?guī)r，石灰?guī)r巖溶裂隙水富水性不均，根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，石灰?guī)r巖溶裂隙水局部富水性強(qiáng)，現(xiàn)為防止5#煤層開采期間出現(xiàn)頂板突水事故，特對(duì)5#煤層含水層富水性及突水危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

表1 煤層頂?shù)装鍘r層特征

2 石灰?guī)r含水層富水性分區(qū)

當(dāng)進(jìn)行頂板含水層富水性的評(píng)價(jià)分析時(shí)，首先需要對(duì)含水層的補(bǔ)給、徑流和排泄條件進(jìn)行分析，再通過對(duì)單位涌水量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后進(jìn)行含水層富水性的定量評(píng)價(jià)分析。含水層富水性評(píng)價(jià)分析時(shí)先從整體的角度進(jìn)行含水層富水程度的分析，隨后通過分析含水層富水性的各個(gè)主控因素，采用決策理論中的灰關(guān)聯(lián)分析的方法確定出各個(gè)主控因素的客觀權(quán)重，再通過符合研究區(qū)域具體特征的方法對(duì)主客觀因素進(jìn)行加權(quán)平均，以此獲得綜合權(quán)重，最終基于綜合權(quán)重對(duì)各項(xiàng)主控因素進(jìn)行疊加，以此得出研究區(qū)域內(nèi)富水性相對(duì)強(qiáng)弱程度的評(píng)價(jià)結(jié)果。

根據(jù)汾源煤業(yè)5#煤層的具體特征，結(jié)合礦井地質(zhì)資料，確定本次5#煤層頂板含水層富水性評(píng)價(jià)采用滲透系數(shù)、石灰?guī)r厚度、沖洗液消耗量、巖芯采取率和脆性巖厚度作為主控因素。

（1）各主控因素專題圖。根據(jù)礦井地質(zhì)資料中的數(shù)據(jù)，能夠從井田范圍內(nèi)提取出表征各項(xiàng)主控因素的數(shù)據(jù)?；谏鲜鲋骺匾蛩兀捎肎IS地質(zhì)軟件能夠生成各項(xiàng)主控因素的專題圖如圖1。

圖1 5#煤層頂板石灰?guī)r含水層主控因素專題圖

（2）主控因素權(quán)重確定。主控因素權(quán)重的確定包括主觀權(quán)重和客觀權(quán)重，主觀權(quán)重主要通過層次分析法計(jì)算各主控因素的權(quán)重，權(quán)重值由專家打分[1-6]；客觀權(quán)重通過灰色理論中的灰關(guān)聯(lián)分析法進(jìn)行計(jì)算確定，客觀權(quán)重確定時(shí)首先依據(jù)各主控因素對(duì)目標(biāo)方案的影響程度確定母、子指標(biāo)，將重要的因素作為母指標(biāo)，并分別通過指標(biāo)值向量Y0、Yj表示母序列和子序列，表達(dá)式如下：

式中：Y0為母序列；Yj為子序列。

基于式（1）分別對(duì)Y0和Yj進(jìn)行初值化處理，具體如下：

結(jié)合式（1）和式（2）能夠得出初始化指標(biāo)值矩陣B=（Y0'，Yj'），進(jìn)而計(jì)算得出Yj和Y0的關(guān)聯(lián)函數(shù)表達(dá)式為：

進(jìn)一步得出關(guān)聯(lián)系列矩陣Y=（yij）n×m，可進(jìn)一步得出：

式中yj越大則說明第j個(gè)指標(biāo)與母指標(biāo)的關(guān)聯(lián)程度越密切，即該指標(biāo)在整體指標(biāo)空間V中所占的比重會(huì)越來越大。通過對(duì)yj進(jìn)行歸一化處理，并令：

最終可將W=（ω1，ω2，ω3，…，ωm）作為指標(biāo)的權(quán)重[4-6]。

通過將主觀權(quán)重和客觀權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均，能夠得出各項(xiàng)主控因素的綜合權(quán)重值，結(jié)合5#煤層具體地質(zhì)條件，得出各主控因素綜合賦權(quán)值見表2。采用GIS軟件，通過對(duì)頂板各項(xiàng)主控因素權(quán)重值的疊加，能夠得出5#煤層頂板含水層富水性的分區(qū)圖如圖2。

表2 各主控因素綜合賦權(quán)值表

圖2 5#煤層頂板含水層富水性分區(qū)圖

分析圖2可知，5#煤層頂板石灰?guī)r含水層富水性相對(duì)較強(qiáng)的區(qū)域主要分布在井田的北部和中部，另外在井田東南部也存在小范圍區(qū)域，含水層富水性較弱的區(qū)域主要位于井田的中東部和西南部，井田范圍內(nèi)的其余區(qū)域均為過渡區(qū)域。井田范圍內(nèi)單位涌水量小于0.004 L/s·m的鉆孔大部分均位于相對(duì)較弱富水區(qū)，其余鉆孔均位于過渡區(qū)域，表明本次確定的主控因素及疊加評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確性較高。

3 頂板含水層突水危險(xiǎn)性

為有效評(píng)價(jià)5#煤層開采過程中頂板石灰?guī)r含水層的突水危險(xiǎn)性，現(xiàn)對(duì)5#煤層頂板冒裂程度進(jìn)行評(píng)價(jià)和分區(qū)，采用導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度來表征裂隙帶對(duì)含水層的擾動(dòng)破壞比例，結(jié)合井田內(nèi)800多個(gè)地質(zhì)鉆孔，能夠統(tǒng)計(jì)得出5#煤層的導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度，采用GIS軟件繪制出5#煤層頂板冒裂程度分區(qū)圖如圖3。

分析圖3可知，5#煤層開采時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育較高位置主要出現(xiàn)在研究區(qū)域的中東部和井田南部，而煤層開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育較低的區(qū)域主要呈現(xiàn)出片狀分布在煤層西北、西部和中部區(qū)域，其余區(qū)域內(nèi)導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度均處于兩者中間。

圖3 5#煤層頂板冒裂程度分區(qū)圖

根據(jù)5#煤層特征結(jié)合相關(guān)研究成果和突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)相關(guān)規(guī)定，確定5#煤層頂板突水危險(xiǎn)性的劃分標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 頂板突水危險(xiǎn)性劃分標(biāo)準(zhǔn)

基于5#煤層頂板突水危險(xiǎn)性的劃分標(biāo)準(zhǔn)，通過疊加頂板含水層富水性分區(qū)和煤層頂板冒裂程度分區(qū)圖，進(jìn)一步采用軟件能夠得出5#煤層頂板石灰?guī)r含水層突水危險(xiǎn)性分區(qū)如圖4。

圖4 5#煤層頂板石灰?guī)r含水層突水危險(xiǎn)性分區(qū)圖

分析圖4可知，5#煤層頂板石灰?guī)r含水層的富水性整體相對(duì)較差，井田范圍內(nèi)局部區(qū)域存在突水危險(xiǎn)性主要是由于煤層開采頂板冒裂帶發(fā)育影響導(dǎo)致。圖中黑色區(qū)域?yàn)橥凰ｋU(xiǎn)性相對(duì)較大區(qū)域，主要分布在井田東南部。較危險(xiǎn)區(qū)域分布在井田局部區(qū)域，主要是由于導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度較高導(dǎo)致出現(xiàn)較危險(xiǎn)區(qū)域，井田范圍內(nèi)大部分區(qū)域均為較安全區(qū)和過渡區(qū)。另外在5#煤層開采時(shí)，上覆2#煤層（與5#煤層間的平均厚度為65 m）采空區(qū)內(nèi)積水應(yīng)采取有效措施進(jìn)行防治。

4 結(jié)論

根據(jù)5#煤層頂板石灰?guī)r含水層的賦存特征，采用多源信息疊加技術(shù)進(jìn)行頂板石灰?guī)r含水層富水性分析。基于分析結(jié)果得出富水性相對(duì)較強(qiáng)的區(qū)域主要分布在井田的北部和中部，富水性較弱的區(qū)域主要分布在井田的中東部和西南部；通過疊加頂板冒裂程度分區(qū)和富水性分區(qū)圖得出5#煤層頂板石灰?guī)r含水層整體突水危險(xiǎn)性較小，突水危險(xiǎn)區(qū)域僅分布在井田東南部小部分區(qū)域。