泊江海子礦3-1煤頂板涌（突）水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)與防治措施研究

穆金霞

（中國(guó)煤炭地質(zhì)總局 第一水文地質(zhì)隊(duì)，河北 邯鄲 056004）

0 引 言

內(nèi)蒙古銀宏能源開(kāi)發(fā)有限公司泊江海子礦是一座大型現(xiàn)代化礦井，位于東勝煤田西北部塔然高勒礦區(qū)東南，礦井設(shè)計(jì)規(guī)模為300萬(wàn)t/a，服務(wù)年限為62.5 a，井田面積40.667 1 km2，主采煤層為侏羅系延安組3-1、4-2、5-1號(hào)煤層。

為進(jìn)一步查明礦井水文地質(zhì)條件、消除封閉不良鉆孔水害威脅，制定切實(shí)可靠的防治水方案。中國(guó)煤炭地質(zhì)總局第一水文地質(zhì)隊(duì)對(duì)該礦進(jìn)行了水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探，對(duì)二盤(pán)區(qū)3-1號(hào)煤層頂板直接或間接充水含水層位置深入研究取得了豐富成果。

本文運(yùn)用“三圖-雙預(yù)測(cè)”法對(duì)3-1號(hào)煤層頂板涌（突）水危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)[1]。

1 水文地質(zhì)條件

通過(guò)充水因素分析，3-1煤頂板直接充水水源為侏羅系中統(tǒng)裂隙含水層[2]。據(jù)二盤(pán)區(qū)鉆孔統(tǒng)計(jì)，侏羅系中統(tǒng)地層平均厚度253.38 m，含水層平均厚度180.88 m，占地層平均厚度69.52%。含水層巖性以灰—灰綠色中粗粒砂巖、含礫粗粒砂巖為主，紫紅色細(xì)砂巖次之。水位標(biāo)高+1 336.62—+1 360.27 m，統(tǒng)一口徑單位涌水量0.000 8～0.023 5 L/s·m，滲透系數(shù)0.000 5～0.015 8 m/d，為弱富水含水層；3-1號(hào)煤層頂板與侏羅系中統(tǒng)裂隙含水層距離1.07～84.89 m，含水層平均厚度12.91 m，統(tǒng)一口徑單位涌水量0.001 9～0.009 8 L/s·m，為弱富水含水層。

侏羅系中統(tǒng)底部普遍發(fā)育一層礫巖層，為穩(wěn)定隔水層，但在西十勘探線以西侏羅系中統(tǒng)礫石層殲滅，出現(xiàn)天窗。侏羅系中統(tǒng)底部與中下統(tǒng)頂部間隔水層平均厚度14.65 m，隔水性能差。

對(duì)侏羅系中統(tǒng)與中下統(tǒng)含水層間的隔水層厚度、地下水水位和水化學(xué)資料分析，侏羅系中統(tǒng)與中下統(tǒng)含水層間厚度整體不大，地下水水位差不大，水化學(xué)類型屬接近或一致。說(shuō)明侏羅系中統(tǒng)與中下統(tǒng)在天然條件下存在水力聯(lián)系。

侏羅系中統(tǒng)地下水主要從西北方向側(cè)向流入礦井，由東南方向流出區(qū)外。

2 煤層頂板涌(突)水危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)

針對(duì)3-1煤頂板涌（突）水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，本文采用基于GIS與AHP耦合的“三圖-雙預(yù)測(cè)”法，運(yùn)用多元地學(xué)信息復(fù)合疊加的原理，根據(jù)多個(gè)水文地質(zhì)物理場(chǎng)不同特征，相互對(duì)比驗(yàn)證、互相彌補(bǔ)不足，編制3-1煤頂板直接充水含水層富水性分區(qū)圖、頂板冒裂安全性分區(qū)圖，疊加后形成3-1煤頂板涌（突）水條件綜合分區(qū)圖[3-6]。

2.1 煤層頂板直接充水含水層富水性分區(qū)

2.1.1 富水性影響因素分析及專題圖編制

（1）直接充水含水層厚度。

直接充水含水層厚度為導(dǎo)水裂縫帶范圍內(nèi)的含水層中、粗、細(xì)砂巖厚度，據(jù)二盤(pán)區(qū)28個(gè)鉆孔資料統(tǒng)計(jì)，含水層厚度1.05～156.38 m，平均57.95 m。含水層厚度在中、東部相對(duì)較薄，大部分地段小于80 m，在南、北部較厚，均大于100 m。地層固結(jié)程度較高，含水介質(zhì)以砂巖裂隙為主（圖1）。

圖1 1煤頂板侏羅系含水層厚度專題圖Fig.1 Thematic map of Jurassic aquifer thickness on No.1 coal roof

（2）巖心采取率。

巖心采取率指鉆探取心的長(zhǎng)度與巖層厚度比值，通常用百分?jǐn)?shù)表示，與富水性反相關(guān)。大部分地段巖心采取率大于80%，僅東南部巖心采取率較低，富水性相對(duì)較好；二盤(pán)區(qū)北部8號(hào)鉆孔及其附近地段巖心采取率92%以上，富水性也相對(duì)較差?？傮w來(lái)說(shuō)，侏羅系含水層巖心采取率整體由東北向西南逐漸遞增，個(gè)別地段分布不均勻（圖2）。

圖2 3-1煤頂板侏羅系含水層巖心采取率專題圖Fig.2 Thematic map of Jurassic aquifer core adopts rate on No.3-1 coal roof

（3）沖洗液消耗量。

鉆孔消耗量能夠反應(yīng)出巖層透水性能的標(biāo)志，也是進(jìn)行疊加分析的多源信息之一，鉆探?jīng)_洗液的水位和稠度變化，能反映出巖層的水力性質(zhì)，沖洗液漏失段往往滲透系數(shù)較高[7]。

由圖3可知，侏羅系含水層的沖洗液消耗量在二盤(pán)區(qū)北部、東南部較大，8、13、W12-2號(hào)鉆孔南部地段含水層沖洗液消耗量較小。表明北部、東南部裂隙較發(fā)育，南部裂隙不發(fā)育。

圖3 3-1煤頂板侏羅系含水層沖洗液消耗量專題圖Fig.3 Thematic map of Jurassic aquifer flushing fluid consumption on No.3-1 coal roof

（4）單位涌水量。

抽水試驗(yàn)是目前檢驗(yàn)地下水滲流場(chǎng)特征的重要方法。首先根據(jù)充水含水層鉆孔抽（注）水試驗(yàn)建立充水含水層涌水量數(shù)據(jù)庫(kù)，然后采用suffer差分法生成含水層單位涌水量專題圖（圖4）。由于二盤(pán)區(qū)內(nèi)僅水J13、水J15鉆孔進(jìn)行了侏羅系中統(tǒng)抽水，故此影響因子分析借助一盤(pán)區(qū)與二盤(pán)區(qū)鉆孔綜合結(jié)果進(jìn)行繁衍，推測(cè)得出相對(duì)應(yīng)的煤層頂板充水含水層單位涌水量專題圖，并根據(jù)沖洗液和巖心采取率對(duì)此因子圖紙做驗(yàn)證對(duì)比，繁衍侏羅系中統(tǒng)含水層單位涌水量專題圖具有參考價(jià)值。

圖4 3-1煤頂板侏羅系含水層單位涌水量專題圖Fig.4 Thematic map of Jurassic aquifer unit water inflowon No.3-1 coal roof

（5）滲透系數(shù)。

巖層透水性通常用滲透系數(shù)表示。滲透系數(shù)不僅與粒度成分、充填情況、顆粒排列、發(fā)育程度、裂隙性質(zhì)等巖石的性質(zhì)有關(guān)，而且與流體的物理性質(zhì)有關(guān)，根據(jù)滲流系數(shù)的大小繪制出專題圖，可以看出區(qū)內(nèi)充水含水層滲透系數(shù)大小變化的區(qū)域分布（圖5）。二盤(pán)區(qū)內(nèi)3-1號(hào)煤層頂板侏羅系含水層滲透系數(shù)由西南向東北逐漸增大。

圖5 3-1煤頂板侏羅系含水層滲透系數(shù)專題圖Fig.5 Thematic map of Jurassic aquifer permeability coefficient on No.3-1 coal roof

2.1.2 基于GIS與AHP耦合的“富水性指數(shù)”方法

（1）建立層次結(jié)構(gòu)分析模型。

根據(jù)對(duì)反映含水層富水性各多元信息的分析，建立A、B、C層次結(jié)構(gòu)分析模型（圖6）。

圖6 充水含水層富水性評(píng)價(jià)層次分析結(jié)構(gòu)模型Fig.6 Analytic hierarchy process structure model for water abundance evaluation of water filled aquifer

（2）層次單排序及一致性檢驗(yàn)。

根據(jù)判斷矩陣計(jì)算出各層單排序的權(quán)值見(jiàn)表1～表4中W列。

表1 判斷矩陣A1～Bi（i=1～3）Table 1 Judgement matrix A1～Bi(i=1～3)

表4 判斷矩陣B3～Ci（i=5～5）Table 4 Judgement matrix B3～Ci(i=5～5)

各組矩陣計(jì)算出λmax，CI與CR，存在的CR值都小于0.1，判斷矩陣具有令人滿意的一致性，可以通過(guò)一致性檢驗(yàn)。

（3）層次總排序及一致性檢驗(yàn)。

表2 判斷矩陣B1～Ci（i=1～3）Table 2 Judgement matrix B1～Ci(i=1～3)

表3 判斷矩陣B2～Ci（i=4～4）Table 3 Judgement matrix B2～Ci(i=4～4)

各指標(biāo)CI對(duì)總目標(biāo)的權(quán)重，即指標(biāo)層各指標(biāo)CI經(jīng)過(guò)B i層對(duì)目標(biāo)層A的權(quán)重結(jié)果，符號(hào)A/CI表示各指標(biāo)CI相對(duì)于總目標(biāo)A，WA/CI為各指標(biāo)CI對(duì)總目標(biāo)A的權(quán)重。

計(jì)算可得C層總排序隨機(jī)一致性比率：

式中：n=1、2。

經(jīng)計(jì)算CR小于0.1，具有較滿意的一致性，WA/CI可以作為最終決策依據(jù)，從而確定多元信息在充水含水層富水性分區(qū)研究中疊加的權(quán)重值（表5）。

表5 3-1煤頂板侏羅系含水層富水性權(quán)重Table 5 Jurassic aquifer water abundance weight on No.3-1 coal roof

2.1.3 煤層頂板充水含水層富水性分區(qū)

綜合上述各場(chǎng)分析結(jié)論，通過(guò)GIS的AHP方法的耦合技術(shù)疊加分析富水性，利用層次分析法（AHP）得出含水層厚度、巖心采取率、單位涌水量、滲透系數(shù)、沖洗液消耗量對(duì)富水性的貢獻(xiàn)權(quán)重，并且根據(jù)這些權(quán)重貢獻(xiàn)值大小對(duì)煤層頂板充水含水層進(jìn)行了富水性分區(qū)，再應(yīng)用GIS強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理與空間分析功能和信息融合技術(shù)對(duì)AHP的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，以直觀的5個(gè)專題圖進(jìn)行復(fù)合疊加，生成煤層頂板充水含水層富水性分區(qū)圖（圖7）。

圖7 3-1號(hào)煤層頂板侏羅系含水層富水性分區(qū)圖Fig.7 Zoning map of Jurassic aquifer water abundance on No.3-1 coal roof

3-1號(hào)煤層頂板侏羅系砂巖裂隙含水層根據(jù)多因子疊加后劃分為富水性弱區(qū)、富水性較弱區(qū)、富水性中等區(qū)、富水性較好區(qū)和富水性好區(qū)五個(gè)分區(qū)，二盤(pán)區(qū)東部富水性好，由于W11-3、15號(hào)鉆孔的侏羅系中統(tǒng)含水層厚度小、采取率較高，因此在這兩個(gè)鉆孔附近富水性弱。

2.2 煤層頂板冒裂安全性分區(qū)

泊江海子礦采用立井開(kāi)拓方式，一次采全高長(zhǎng)壁綜采，全部冒落法管理項(xiàng)板。3-1號(hào)煤層傾角1°～3°，局部10°，可采厚度1.34～7.26 m，平均4.60 m。煤層頂板覆巖巖性主要以粉砂巖、細(xì)砂巖和砂質(zhì)泥巖為主，根據(jù)二盤(pán)區(qū)內(nèi)30個(gè)勘探鉆孔資料，采用唐山煤科院方法[8]計(jì)算了二盤(pán)區(qū)內(nèi)3-1號(hào)煤層頂板導(dǎo)水裂縫帶高度36.80～158.80 m，3-1號(hào)煤層頂板至侏羅系中統(tǒng)底板距離1.07～84.89 m，至白堊系志丹群底板距離217.53～336.29 m，全部鉆孔導(dǎo)水裂縫帶均溝通至侏羅系中統(tǒng)地層，均未溝通白堊系。

導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度是煤層開(kāi)采頂板涌（突）水災(zāi)害發(fā)生的基礎(chǔ)。綜合考慮導(dǎo)水裂縫帶高度、主采煤層頂板至主要含水層距離等因素，制定分區(qū)評(píng)價(jià)原則：①以3-1號(hào)煤層頂板100 m為界，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度在其上部，評(píng)價(jià)為危險(xiǎn)性大區(qū)；②導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度在其下部，評(píng)價(jià)為危險(xiǎn)性較大區(qū)。

3-1號(hào)煤層開(kāi)采后形成的導(dǎo)水裂縫帶全部溝通二盤(pán)區(qū)侏羅系中統(tǒng)，導(dǎo)水裂縫帶高度小于100 m，評(píng)定為頂板冒裂危險(xiǎn)性較大區(qū)（淺色區(qū)域），其余導(dǎo)水裂縫帶高度大于100 m，評(píng)定為頂板冒裂危險(xiǎn)性大區(qū)（深色區(qū)域）（圖8）。

圖8 3-1煤頂板侏羅系含水層冒裂安全性分區(qū)圖Fig.8 Zoning map of Jurassic aquifer fracturing safety on No.3-1 coal roof

2.3 煤層頂板涌（突）水條件綜合分區(qū)評(píng)價(jià)

煤層頂板充水條件綜合分區(qū)圖（圖9）是通過(guò)煤層頂板充水含水層富水性分區(qū)圖和冒裂安全性分區(qū)圖疊加得到，按照分區(qū)原則共分頂板涌水相對(duì)危險(xiǎn)區(qū)、頂板涌水相對(duì)較危險(xiǎn)區(qū)、頂板涌水過(guò)渡區(qū)、頂板涌水相對(duì)較安全區(qū)、頂板涌水相對(duì)安全區(qū)5個(gè)區(qū)。由圖9可知，二盤(pán)區(qū)煤層頂板涌水危險(xiǎn)性由二盤(pán)區(qū)東、西部逐漸向中部過(guò)渡，東、西部為頂板涌水相對(duì)危險(xiǎn)區(qū)，中部W13-3鉆孔附近為頂板涌水相對(duì)安全區(qū)。

圖9 3-1煤頂板侏羅系含水層涌（突）水條件綜合分區(qū)圖Fig.9 Comprehensive zoning map of Jurassic aquifer water inflow(outburst)conditions on No.3-1 coal roof

3 防治水措施

通過(guò)上述分析，3-1號(hào)煤層頂板直接充水水源為侏羅系中統(tǒng)裂隙水，由于回采時(shí)頂板直接充水含水層總厚度較大，分布范圍較廣，靜儲(chǔ)量大，在生產(chǎn)期間主要以井下疏放為主。此外，還存在侏羅系中統(tǒng)裂隙水通過(guò)斷層、封閉不良鉆孔、天窗地帶導(dǎo)入礦坑的風(fēng)險(xiǎn)。因此，針對(duì)存在的水害問(wèn)題要加強(qiáng)礦井、盤(pán)區(qū)和工作面排水系統(tǒng)建設(shè)和維護(hù)，確保工作面涌水能夠及時(shí)排出；超前疏放受采掘破壞或影響的含水層；超前啟封封閉不良的鉆孔；加強(qiáng)對(duì)鉆孔、斷層和天窗等導(dǎo)水通道的探查與防范。

4 結(jié) 論

（1）進(jìn)行了3-1煤頂板直接充水含水層的富水性分析，通過(guò)充水含水層厚度、巖心采取率、單位涌水量、滲透系數(shù)、沖洗液消耗量等主控因素的專題圖繪制，結(jié)合GIS空間分析功能與AHP法耦合，實(shí)現(xiàn)充水含水層富水性的分區(qū)。

（2）通過(guò)3-1煤開(kāi)采引起的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度分析，繪制了3-1煤頂板冒裂安全性分區(qū)圖。

（3）通過(guò)頂板含水層富水性分區(qū)圖疊加冒裂安全性分區(qū)圖，得到了3-1煤頂板涌（突）水條件綜合分區(qū)圖，并明確井田范圍內(nèi)3-1煤開(kāi)采時(shí)頂板涌（突）水相對(duì)危險(xiǎn)區(qū)主要分布在二盤(pán)區(qū)東、西部。

（4）對(duì)于3-1號(hào)煤層頂板存在的主要水害問(wèn)題，提出了針對(duì)性的防治水措施。