某地地質(zhì)工程中薄基巖區(qū)域突水危險性研究

陳國榮

（廣東省有色金屬地質(zhì)局水文地質(zhì)隊，廣東 廣州 510800）

煤炭是我國能源的重要組成部分，對工業(yè)化發(fā)展有不可替代的意義[1]。隨著我國能源消耗缺口的增加，煤炭的開采越來越困難，深層基巖已經(jīng)無法滿足煤炭開采量需求[2]，因此，在某些薄基巖中在逐漸開展煤炭開采工作。正常厚度的基巖指的是巖層厚度高于裂隙帶高度，而薄基巖主要有兩種類型[3]，一種是巖層高度小于冒落帶高度的超薄基巖，另一種是巖層高度小于裂隙帶高度，大于冒落帶高度的薄基巖[4]。受薄基巖的采煤特點影響，其容易出現(xiàn)區(qū)域突水潰砂問題，不僅會導(dǎo)致人員傷亡，還會導(dǎo)致煤柱塌陷，造成煤炭資源損耗。

針對薄基巖開采問題，相關(guān)研究人員從開采量、開采安全性等方面對其進行了深入研究[5]。20世紀末期，我國也開始針對薄基巖問題進行實地分析，確定突水區(qū)域的變形規(guī)律，為后續(xù)的開采提供參考。相關(guān)研究人員研究結(jié)果表明，在薄基巖區(qū)域[6]，巖石的裂縫分布密集，且裂縫發(fā)育遵循時空規(guī)律。針對該特點，部分地質(zhì)學(xué)家將薄基巖開采劃分為若干個區(qū)域，并逐一確定了各個區(qū)域的裂縫發(fā)育條件[7]。還有部分地質(zhì)學(xué)家使用地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)構(gòu)建了薄基巖突水動態(tài)模型，確定其具體的失穩(wěn)條件。本文結(jié)合薄基巖的突水運動規(guī)律，有效地分析了其區(qū)域突水危險性，為降低煤炭開采風(fēng)險作出了一定的貢獻。

1 地質(zhì)概況

某薄基巖井田位于某區(qū)域的東南部，整體開采規(guī)模較大，井田西側(cè)有一大型鐵路穿過，交通干線分布密集。該薄基巖井田整體地勢西高東低[8]，存在較大范圍的沙漠地貌，部分開采區(qū)域有地層裸露。受沙漠地貌影響，該薄基巖井田的地表水體匱乏，存在幾條小型溝谷，且僅在雨季形成地表水體，遇暴雨可能會生成洪流。研究區(qū)域?qū)儆诟珊瞪衬箨憵夂騕9]，冬冷夏熱，春季、冬季風(fēng)沙強烈，早晚溫差較高，因此每年的10月份至次年的8月份均可出現(xiàn)風(fēng)沙天氣，地表風(fēng)沙圖如圖1所示。

圖1 地表風(fēng)沙圖

由圖1 可知，受地表風(fēng)沙影響，研究區(qū)域的年平均風(fēng)速為3.6m/s，最大風(fēng)速為25m/s。該區(qū)域的整體降雨量較少，平均濕度較低，僅在6、7、8、9 月會集中降雨。受氣候影響，該區(qū)域的夏季氣溫較高，最高可達38.4℃，冬季氣溫較低，最低為-29.8℃，因此整體凍土層較深，冰凍期超過150d。研究區(qū)域最常見的就是風(fēng)積沙漠地形，沙丘隨處可見，流動性較強；還存在部分河流堆積地形，河漫灘抬高，生成側(cè)蝕沿岸。

首期開采區(qū)域位于研究區(qū)域西部，呈不規(guī)則四邊形，將其命名為234S01，該工作面的標(biāo)高范圍為1125～1146m，首采區(qū)的采面分布示意圖如圖2所示。

圖2 首采區(qū)采面分布示意圖

結(jié)合圖2 的首采區(qū)采面分布對研究區(qū)域進行地質(zhì)勘探，得到的地層性能如表1所示。

表1 地層性能表

由表1 可知，該研究區(qū)域含有10 種不同類型的地層，整體構(gòu)造復(fù)雜，首采區(qū)內(nèi)分布部分褶曲，井田中部分布大量正斷層，主要斷層如表2所示。

表2 主要斷層一覽

由表2 可知，研究區(qū)域的斷層控制程度較高，具有可靠性，符合薄基巖開采需求，因此可以研究該區(qū)域的薄基巖區(qū)域突水危險性。

2 薄基巖突水區(qū)域危險性分析

結(jié)合上述的工程概況可知，上述研究地區(qū)的突水危險性影響因素較多，分析難度較高，為了解決該問題，本文使用模糊層次分析法獲取了突水危險性影響因子，再使用ArcGIS軟件對研究區(qū)域進行危險性分區(qū)分析。根據(jù)上述的分析流程需要選取正確的危險性分析量化指標(biāo)，基于此構(gòu)建的危險性評價指標(biāo)體系如圖3所示。

圖3 危險性評價指標(biāo)體系

由圖3 可知，影響突水危險性的最主要因素有三種，即開采活動、隔水層、覆巖結(jié)構(gòu)，其中，隔水層受底部粘土層厚度的影響，存在一定的阻水作用，會抑制突水發(fā)生，因此隔水層性能越好，出現(xiàn)開采突水的風(fēng)險就越低。在煤層開采前，薄基巖往往處于穩(wěn)態(tài)，開采后部分覆巖變形破壞，容易導(dǎo)致突水，針對設(shè)置的危險性評價指標(biāo)體系可以由北向南統(tǒng)計研究區(qū)域的煤層厚度，如表3所示。

表3 研究區(qū)域煤層厚度

由表3可知，孔號ZK5708～ZK6307代表研究區(qū)域由北至南的煤層厚度，即由北向南，研究區(qū)域的開采煤層越來越薄。對研究區(qū)域覆巖進行荷載試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)薄基巖較薄時受承載力影響，上方的導(dǎo)水層會被折斷，產(chǎn)生突水危險，危險程度主要由基采比決定，基采比的計算式C如式（1）所示：

式中：W——基層厚度；

D——開采厚度。

基采比越大證明巖層更穩(wěn)定，反之基采比越小證明區(qū)域?qū)Ц叽?。覆巖穩(wěn)定性差，突水危險性較高，本文根據(jù)上述公式計算了孔號ZK5708～ZK6307的基采比，如表4所示。

表4 孔號ZK5708～ZK6307基采比

由表4可知，孔號ZK5708～ZK6307的基采比越來越低，覆巖穩(wěn)定性越來越大，突水危險性也越來越高。當(dāng)發(fā)生嚴重的突水事故時，隔水層往往受到了損傷，研究表明，隔水層對抑制薄基巖突水有重要作用，其可以阻隔開采工作面，避免裂隙過度發(fā)育，因此本文進一步分析了孔號ZK5708～ZK6307的隔水層厚度，如表5所示。

表5 ZK5708～ZK6307隔水層厚度

由表5可知，孔號ZK5708～ZK6307的隔水層厚度越來越低，工作面與含水層之間的水力聯(lián)系越來越強，在隔水層厚度最低區(qū)域一旦開始進行開采會立即造成土體彌合，產(chǎn)生突水潰砂現(xiàn)象。開采過程中會不斷釋放能量，容易產(chǎn)生較高的突水風(fēng)險，可用硬巖比例對其進行分析，計算式Y(jié)如式（2）所示：

式中：Y——砂巖累計厚度；q——基巖總厚度。

此時可以利用模糊層次分析法計算孔號ZK5708～ZK6307的硬巖比例，如表6所示。

表6 ZK5708～ZK6307的硬巖比例

由表6可知，孔號ZK5708～ZK6307的硬巖比例越來越高，證明其覆巖越來越厚，斷裂時釋放的能量也越來越大，容易導(dǎo)致滲透風(fēng)險激增，出現(xiàn)嚴重的突水潰砂風(fēng)險。本文根據(jù)上述表3～表6輸出數(shù)據(jù)構(gòu)建了薄基巖區(qū)域危險性判斷矩陣，獲取了危險性判斷權(quán)重wi，如式（3）所示：

式中：aij——危險性模糊判斷矩陣；

n——突水危險性指標(biāo)系數(shù)。

可以根據(jù)上述權(quán)重計算出的危險性一致指標(biāo)確定各個數(shù)據(jù)的危險性分析結(jié)果，繪制相關(guān)的研究結(jié)果圖。

3 薄基巖突水區(qū)域危險性研究結(jié)果

結(jié)合上述的薄基巖突水區(qū)域危險性分析數(shù)據(jù)，可以使用ArcGIS軟件進行自然分級，處理相關(guān)的危險性指標(biāo)，得到研究區(qū)域的突水危險結(jié)果圖，如圖4所示。

圖4 研究結(jié)果圖

由圖4 可知，安全區(qū)域主要位于研究地區(qū)的北部，由北至南依次為安全區(qū)域、相對安全區(qū)域、過渡區(qū)域、相對危險區(qū)域、危險區(qū)域，與實際薄基巖厚度、區(qū)域煤層厚度、基采比、隔水層厚度呈反向相關(guān)，與硬巖比例呈正向相關(guān)。且相對安全區(qū)域及安全區(qū)域的占比較高，研究地區(qū)由北向南危險性逐漸增加。

4 結(jié)束語

綜上所述，隨著工業(yè)化發(fā)展，我國的煤炭資源越來越匱乏，開采也越來越困難，目前我國煤炭開采已經(jīng)不再局限于常規(guī)的地層，在部分薄基巖中也開始進行開采活動。受薄基巖地層特征影響，其在開采的過程中容易出現(xiàn)較高的區(qū)域突水危險性，影響實際的開采效果，因此本文針對某地區(qū)進行分析，深入研究了薄基巖突水危險性，研究結(jié)果表明，薄基巖突水危險性與實際薄基巖區(qū)域指標(biāo)均存在正反向關(guān)系，為降低后續(xù)的煤礦開采風(fēng)險做出了一定的貢獻。