“多類型四雙法”在煤礦頂板涌(突)水危險中的應(yīng)用研究

孫振洋

(中國煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局，河北邯鄲 056004)

0 引言

武強教授創(chuàng)立的“三圖-雙預(yù)測法”是目前國內(nèi)外關(guān)于頂板突水評價較為成熟和完善的方法[1]，該方法從充水水源、充水通道、充水強度三個方面對煤層頂板含水層涌(突)水條件危險性進行定量評價，為解決煤礦突水問題做出了巨大貢獻[2-3]。但是“三圖-雙預(yù)測法”預(yù)測評價需要6種以上地學信息和ArcGIS、Modflow專業(yè)技術(shù)軟件，可見其評價方法專業(yè)性強、預(yù)測過程繁瑣，不利于在基層廣大技術(shù)人員中推廣[4-5]；富水性分區(qū)圖解決的是富水性強弱問題，冒裂安全性分區(qū)圖解決的是導(dǎo)水通道問題[6]，兩個不同屬性的圖直接復(fù)合疊加得到突水危險性綜合分區(qū)圖，這樣是否妥當值得思考；“三圖-雙預(yù)測法”針對水文地質(zhì)勘探程度較低，數(shù)據(jù)信息不全的礦井評價效果欠佳[7-8]。因此，筆者運用“多類型四雙法”(MTFD法)對煤層頂板涌(突)水危險性進行了預(yù)測評價。該方法數(shù)據(jù)來源廣泛，評價手段難度低、評價過程簡單、評價效果可靠，更容易在基層工程技術(shù)人員中推廣應(yīng)用[7]。

1 研究區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

鷹駿三號井田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市鄂托克前旗境內(nèi)，設(shè)計生產(chǎn)能力600萬t/a，服務(wù)年限81.4a，探礦權(quán)面積56.07km2，查明煤炭資源量120 246.7萬t。

1.1 地質(zhì)條件

井田內(nèi)鉆孔揭露地層主要有三疊系延長組(T3y)、侏羅系延安組(J2y)和直羅組(J2z)、白堊系志丹群(K1Zd)、古近系(E)及第四系(Q)，其中蓋層為白堊系、古近系及第四系。

延安組為主要含煤地層，井田內(nèi)2、2下、5、8、13、15、18、19、20、21煤為可采煤層，其中2、2下、8、15、19、20煤為主要可采煤層。目前礦井首采2號煤層，煤層厚度1.27～9.20m，平均5.84m，為全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。

井田構(gòu)造形態(tài)總體上呈一走向近南北、傾向正東的西高東低的單斜褶曲，地層傾角平緩。根據(jù)井田內(nèi)的二維、三維地震及鉆探驗證，共解釋斷層168條，其中逆斷層1條，其余均為正斷層。井田內(nèi)地表及鉆孔中均未見巖漿巖，構(gòu)造復(fù)雜程度為簡單。

1.2 水文地質(zhì)條件

井田內(nèi)主要含水層自上而下依次為新生界松散含水層、白堊系孔隙-裂隙含水層、侏羅系直羅組砂巖含水層和延安組砂巖含水層。

1)新生界松散含水層。井田內(nèi)廣泛分布，含水類型為孔隙潛水。單位涌水量0.040 4～0.046 0L/(s·m)，滲透系數(shù)0.071 5～0.082 3m/d，富水性弱。地下水水化學類型為SO4·Cl─Na、SO4·HCO3─Mg·Ca型。

2)白堊系孔隙-裂隙含水層。巖性主要以淺紫、紫紅色、黃綠色中、粗、細砂巖為主，白堊系含水層厚度75.0～211.44m，平均129.19m。單位涌水量0.032 0～0.034 4 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.030 9～0.047 7m/d，富水性弱。地下水水化學類型為Cl·SO4─Na、SO4·Cl ─Na型。

3)侏羅系直羅組砂巖含水層。通過充水因素分析，侏羅系直羅組含水層為2號煤層頂板主要充水含水層。含水層厚度0～281.03m，平均68.07m，含水層厚度變化較大，總體西部和中部較薄，向中東部逐漸變厚。直羅組底部為灰白色厚層狀的粗粒石英長石砂巖，含石英成分的小礫石，俗稱“七里鎮(zhèn)砂巖”，該砂巖厚度0～44.55m，平均9.74m。井田西北、東南部較薄，向中東部逐漸變厚，與下伏含煤地層為明顯的低角度不整合接觸。直羅組含水層水位標高+1 264.31～+1 278.35m，單位涌水量0.077 8～0.144 5 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.046 9～0.182 3m/d，富水性弱─中等，地下水水化學類型為SO4·Cl─Na型。

4)延安組砂巖含水層。由中、粗、細砂巖構(gòu)成，該含水層厚度變化較大，總體呈現(xiàn)中部薄，向東北部以及南部個別地段變厚的趨勢。單位涌水量0.002 4～0.035 4L/(s·m)，滲透系數(shù)0.006 8～0.113 9m/d，富水性弱。地下水水化學類型為SO4·Cl─Na、Cl·SO4─Na型。

2 “多類型四雙法”評價方法

首先根據(jù)煤層頂板巖性、含水層富水性特征、導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度將頂板分為A、B、C三種類型；其次采用Excel表格建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表和工作表，然后在工作表中計算富水性指數(shù)和突水危險性指數(shù)，并繪制雙圖，確定礦井頂板涌突水危險性；最后預(yù)計采煤工作面疏干水量或涌水量。

1)多類型。根據(jù)煤層與上覆含水層位置關(guān)系以及含水層富水性強弱，先劃分為A、B、C三種類型，再結(jié)合井田實際情況確定突水類型，如圖1所示。

圖1 頂板突水類型分類Figure 1 Roof water bursting type classification

2)四雙法。一雙為“雙表”，采用Excel表格建立的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表和工作表；二雙為“雙指數(shù)”，即富水性指數(shù)和突水危險性指數(shù)；三雙為“雙圖”，是根據(jù)雙指數(shù)值繪制富水性指數(shù)等值線圖和突水危險性指數(shù)等值線圖；四雙為“雙預(yù)測”，即采煤工作面疏干水量預(yù)測和涌水量預(yù)測。

3 煤層頂板涌(突)水危險性評價

3.1 突水類型確定

鷹駿三號井田主采侏羅系延安組2號煤層，屬上含煤組上部煤層，距直羅組底部“七里鎮(zhèn)砂巖”底部沖刷界面較近，距離為4.56～54.19m，平均20.10m。構(gòu)造形態(tài)為一個走向近S-N，傾向近正E的單斜構(gòu)造，煤層與上覆地層呈不整合接觸。2號煤層直接頂板含水層富水性弱，視為隔水層?！捌呃镦?zhèn)砂巖”為2號煤層的間接頂板充水含水層，巖性為粗粒砂巖或砂礫巖(圖2)。根據(jù)抽水資料，單位涌水量為0.084 8～0.128 2 L/(s·m)，富水性弱─中等，富水性不均一。結(jié)合開采條件分析符合B型，因此采用富水性指數(shù)等值線圖和突水危險性指數(shù)等值線圖對2號煤層頂板涌(突)水危險性進行綜合評價。

圖2 主采煤層與含水層關(guān)系Figure 2 Relationship between main extraction coal seam and aquifer

3.2 “雙指數(shù)”計算

1)富水性指數(shù)。富水性指數(shù)大小能反映地層富水性強弱，富水性指數(shù)越大則富水性越強，反之越弱[7,9]。富水性指數(shù)為研究層段內(nèi)中、粗、細砂巖、礫巖的厚度占研究層段總厚度的百分比[10]。代入公式如下：

(1)

式中：Fi為富水性指數(shù)；Mc為研究層段內(nèi)中、粗、細砂巖、礫巖的總厚度，m；Hy為研究層段厚度，m；Hd為導(dǎo)水裂縫帶高度，m；dx為修正值，m；df為附加值，m；Hb為保護層厚度，m。

本井田首采2號煤層，煤層厚度平均6.33m，采用6.5m大采高支架，開采方式為一次采全高綜采采煤方法，設(shè)定最大采高6.5m，最小采高3.0m，采高在3.0～6.5m[11]。注意這里需要考慮修正值dx問題，當煤層厚度與采高相等時，dx=0；當煤層厚度大于采高時，dx>0；當煤層厚度小于采高時，dx<0。因此煤層厚度與采高差值dx為-2.75～0.72m。

井田內(nèi)2號煤層頂板巖性為砂質(zhì)泥巖、中粒砂巖，近煤層基巖柱的平均單向抗壓強度為16.48MPa，屬軟弱巖層，從《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》中選擇適用于軟巖的經(jīng)驗公式，工作表中輸入公式計算導(dǎo)水裂縫帶高度值為24.98～29.84m。因經(jīng)驗公式計算的導(dǎo)水裂縫帶值偏小，筆者借用《三下開采規(guī)程》中保護層厚度Hb概念，選擇采高的4倍以擴大研究范圍[7]。工作表中計算得到Hb在12～26m。因此，將經(jīng)驗公式計算的導(dǎo)水裂縫帶值與保護層厚度值之和作為研究層段高度值，即計算結(jié)果為36.98～55.84m。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表中Hy內(nèi)中、粗、細砂巖累加，即得到Mc值為1.95～54.81m。當保護層上方相鄰的巖層為中、粗、細砂巖時，則把該層砂巖作為含水層計入研究層段，該層砂巖厚度定義為附加值df厚度[7]，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表中累加Hb上覆中、粗、細砂巖厚度，即得到df值為0～34.72m，如圖3所示。

Hk—垮落帶高；Hli—裂隙帶高；Hd—導(dǎo)水裂縫帶高；Hb—保護層厚；df—附加層厚；Hy1—理論研究層段高；Hy2—實際層段高

綜上所述，富水性指數(shù)計算需要的各個參數(shù)均計算完成，在工作表中相應(yīng)單元格內(nèi)輸入公式，自動計算得到富水性指數(shù)值Fi為4～99。

2)突水危險性指數(shù)。突水危險性指數(shù)是反映間接充水含水層水涌入采掘工作面的危險性大小，突水危險性指數(shù)為正數(shù)且數(shù)值越大則突水危險性越小，指數(shù)為負值且絕對值越大則突水危險性越大[12]。公式如下：

(2)

式中：Ti為突水危險性指數(shù)；Hg為隔水層厚度，即煤層頂板到上方含水層之間距離，m;Hfs為防隔水煤(巖)柱高度，等于導(dǎo)水裂縫帶高度(Hd)+保護層厚度(Hb),m。

在工作表中相應(yīng)單元格內(nèi)輸入公式，自動計算得到突水危險性指數(shù)值為-1～0.5。

3.3 “雙表”建立

井田內(nèi)2005年預(yù)查階段施工4個鉆孔，2007年普查階段施工8個鉆孔，2007─2008年勘探階段施工35個鉆孔、2019─2020年補充勘探階段施工17個鉆孔，本次收集以上64個鉆孔資料，整理形成表1、表2?；A(chǔ)數(shù)據(jù)表(表1)相當于數(shù)據(jù)庫，是后續(xù)一切評價、預(yù)測工作的數(shù)據(jù)源[13]；工作表(表2)的初始數(shù)據(jù)從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表中提取，后續(xù)所有計算工作均在工作表內(nèi)進行。

表1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

表2 工作表

在工作表中輸入相應(yīng)的計算公式，可自動計算得到前面所述的導(dǎo)水裂縫帶高度Hd、修正值dx、附加值df、保護層厚度Hb、富水性指數(shù)Fi、突水危險性指數(shù)Ti等；唯一的砂巖層段累積厚度需要在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表中人工計算。

3.4 “雙圖”繪制

1)富水性指數(shù)等值線圖。將工作表中X、Y坐標及富水性指數(shù)Fi數(shù)據(jù)提取，導(dǎo)入Surfer繪圖軟件，得到富水性指數(shù)等值線圖[14]，如圖4所示。為更加直觀分析富水性強弱，以富水性指數(shù)70閾值劃分，大于70為富水性強，小于70為富水性弱。從圖4中知，井田東部3016、B4孔，西部B2、3113孔，南部B11、B14孔附近，富水性指數(shù)值較大，富水性較強。

圖4 2號煤層直接頂板富水性指數(shù)等值線Figure 4 Isogram of coal No.2 immediate roof water yield property indices

2)突水危險性等值線圖。方法同上，得到突水危險性等值線圖，如圖5所示。為更加直觀分析突水危險性大小，以突水危險性指數(shù)-0.4閾值劃分，指數(shù)為負值且絕對值大于-0.4為突水危險性大，絕對值小于-0.4為突水危險性小，從圖5中知，井田南部B8、B14、B11孔，西部B2孔，中東部B4、J1、J2、J3孔，突水危險性指數(shù)絕對值較大，突水危險性較大。

圖5 2號煤層頂板突水危險性等值線Figure 5 Isogram of coal No.2 roof water bursting hazard indices

3.5 “雙圖”與“三圖-雙預(yù)測”評價對比

從富水性指數(shù)等值線圖和突水危險性等值線圖綜合分析，井田東部3016孔富水性最強，但突水危險性較小，西部3113孔突水危險性最小，但富水性較強，由于采掘活動不能同時位于富水區(qū)和危險區(qū)，因此評價為安全區(qū)；B2、B4、B11、B14孔附件富水性較好，且突水危險性較大，采掘活動同時位于富水區(qū)和突水危險區(qū)，則突(涌)水。

圖6為傳統(tǒng)的“三圖-雙預(yù)測”評價結(jié)果，從2號煤層頂板含水層涌(突)水危險性綜合分區(qū)圖中可以看出，井田南部劃分為過渡區(qū)和相對較安全區(qū)，而“雙圖”評價在B11、B14孔附近為危險區(qū)，南部其余地段為安全區(qū)；“三圖-雙預(yù)測”評價在井田中部全部為危險區(qū)，而“雙圖”評價在B2、B4孔附近為危險區(qū)，其余地段安全。

圖6 2號煤層頂板含水層涌(突)水危險性綜合分區(qū)Figure 6 Comprehensive zoning of coal No.2 roof aquifer water inrush (bursting) hazard

井田鄰礦新上海一號煤礦在開采111084工作面時曾發(fā)生頂板涌水潰砂事故，突水時表現(xiàn)為瞬間出水量大，持續(xù)時間短，泥沙量大等特點，后根據(jù)水質(zhì)及水位變化判定為“七里鎮(zhèn)砂巖”突水。鷹駿三號井田與新上海一號井田巖性特征相似，砂巖松散，抗壓強度低，因此推測鷹駿三號井田“七里鎮(zhèn)砂巖”具有富水性弱但靜儲量大的特點，對2號煤層開采影響大。

鷹駿三號井田內(nèi)直羅組底部“七里鎮(zhèn)砂巖”，總體厚度變化較大，西北部和東南部較薄，向中東部逐漸變厚，在B4、B6、B2、B12、B11孔附近，2號煤層的垮落帶及導(dǎo)水裂縫帶已發(fā)育至“七里鎮(zhèn)砂巖”，2號煤層開采至B4、B6、B2、B12、B11孔附近時，“七里鎮(zhèn)砂巖”水沿裂隙進入工作面，增大礦井涌水量。實際情況與前面“雙圖”評價的突(涌)水區(qū)域在B2、B4、B11、B14孔附近地段基本吻合。因此，“雙圖”比傳統(tǒng)的“三圖-雙預(yù)測”評價方法更接近實測資料。

3.6 “雙預(yù)測”方法

1)疏干水量預(yù)測。疏干水量主要與富水性指數(shù)、回采面積、采高有關(guān)，在其他條件一樣的情況下，富水性指數(shù)、回采面積、采高越大，則可以疏放的水量越多[15-16]。本井田目前未對頂板水進行預(yù)先疏放，因此，本次僅對工作面涌水量預(yù)測。

2)工作面涌水量預(yù)測。工作面涌水量預(yù)測與比擬法相似，計算公式如下[7]：

(3)

根據(jù)2020年《鷹駿三號礦井地質(zhì)及水文地質(zhì)補充勘探報告》，鷹駿三號井田開采2號煤層時最大涌水量為203m3/h。預(yù)計的11201工作面涌水量與報告中的涌水量偏差率2.5%。

4 結(jié)論

1)根據(jù)煤層與含水層空間賦存關(guān)系以及含水層自身富水性，先進行評價類型劃分，再進行富水性評價、導(dǎo)通性評價，按照給定的評價技術(shù)路線，評價頂板涌(突)水危險性，預(yù)計采煤工作面疏干水量或涌水量的一套完整的“多類型四雙”評價技術(shù)體系，簡稱MTFD工作法。

2)“雙圖”評價以鉆孔為單位，針對傳統(tǒng)的“三圖-雙預(yù)測”評價范圍進一步細化，突(涌)水點更加準確，采掘活動更有針對性，計算過程簡單易懂，實用性廣。

3)在鷹駿三號井工作面回采后，應(yīng)根據(jù)實測資料對礦井疏干水量預(yù)測和涌水量預(yù)測。