黃玉川煤礦多煤層奧灰含水層水害分析與評價

賀 鑫，呂思圖，劉生優(yōu)，劉海義，潘 濤，陳漢章，曾一凡

（1.神華神東電力有限責(zé)任公司，陜西 西安 710076；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083；3.國源電力有限公司，北京 100033；4.國能信息技術(shù)有限公司，北京 100011）

1 概 況

準格爾煤田位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市準格爾旗境內(nèi)，為一近南北向的石炭二疊紀煤田，探明儲量達到380 億t。準格爾煤田于20 世紀90 年代開始進行大規(guī)模開發(fā)建設(shè)，截至2022 年，已經(jīng)開采或者正在建設(shè)的礦井有龍王溝煤礦、酸刺溝煤礦、黃玉川煤礦等。隨著煤田內(nèi)煤礦大規(guī)模開發(fā)建設(shè)，開采工作所面臨的水文地質(zhì)條件也變得越發(fā)復(fù)雜，尤其是煤層底板巖溶水害成為生產(chǎn)過程中面臨的重大隱患[1-4]，為保障工人的生命安全，突水評價工作十分必要。

黃玉川煤礦位于準格爾煤田東部，現(xiàn)開采4 號和6上號煤層，2013 年進行超前探測的過程中在6上煤層發(fā)現(xiàn)一直徑為3 m 的巖溶陷落柱，探查孔初始涌水量達到了291 m3/h，穩(wěn)定后涌水量為220 m3/h，經(jīng)化驗涌水水源為奧灰含水層。此次探查情況說明黃玉川煤礦開采過程中面臨底板奧灰含水層水害威脅，并且如果揭露導(dǎo)水構(gòu)造極易產(chǎn)生涌水量較大的突水事故，對煤礦的安全生產(chǎn)造成威脅。為了保證煤礦的安全生產(chǎn)，此次研究選擇脆弱性指數(shù)法作為水害評價方法，在對黃玉川煤礦地質(zhì)資料進行分析的基礎(chǔ)上提出底板含水層突水影響因素體系，利用層次分析法對各影響因素權(quán)重進行賦值，最后的得到研究區(qū)奧灰含水層水害評價結(jié)果圖[5-7]。通過將研究區(qū)范圍內(nèi)已經(jīng)存在的突水點投放至評價結(jié)果圖的方法進行驗證，最終根據(jù)分布結(jié)果驗證結(jié)果的準確性。

2 研究區(qū)情況

黃玉川煤礦位于準格爾煤田中部，行政區(qū)劃隸屬于準格爾旗長灘鄉(xiāng)和薛家灣鎮(zhèn)管轄。煤礦北距薛家灣鎮(zhèn)20 km，至呼和浩特市約120 km，向西至鄂爾多斯市約150 km。煤礦東與石巖溝、青春塔煤礦相鄰，北鄰酸刺溝煤礦，南靠長灘煤礦，西以南部詳查區(qū)為界，如圖1 所示。井田為一多邊形，東西長約8.9 km，南北寬約5.5 km，面積約42.679 4 km2。

圖1 黃玉川煤礦相對位置Fig.1 Relative position of Huangyuchuan Mine

準格爾煤田地層沉積序列與華北石炭二疊紀各煤田基本相似，地層區(qū)劃屬于華北地層區(qū)、鄂爾多斯地層分區(qū)、準格爾地層區(qū)，屬晚古生代石炭二疊紀煤田。黃玉川井田大部分被第四系黃土和風(fēng)積砂所覆蓋，只有局部的梁頂或沖溝中才有基巖出露，但僅為非煤系地層。根據(jù)地表出露及鉆孔揭露，井田地層層序自下而上為下奧陶統(tǒng)亮甲山組、中奧陶統(tǒng)馬家溝組，中石炭統(tǒng)本溪組、上石炭統(tǒng)太原組，下二疊統(tǒng)山西組、下石盒子組，上二疊統(tǒng)上石盒子組、石千峰組，第三系上新統(tǒng)，第四系上更新統(tǒng)及全新統(tǒng)的近代沉積[8-12]。

研究區(qū)為鄂爾多斯黃土高原的一部分，黃土廣泛覆蓋，厚度大，部分為風(fēng)積砂覆蓋，植被致密。由于受水流風(fēng)蝕等影響，井田內(nèi)溝谷縱橫交錯，溝谷呈樹枝狀，十分發(fā)育。井田內(nèi)地形基本呈東部高西部低形態(tài)，海拔最高為+1 292.2 m，最低為+1 030 m，相對高差262.2 m。

3 奧灰承壓含水層水害分析

研究區(qū)正在開采4 號和6上煤層，4 號煤層距離下伏奧灰含水層平均間距約125 m，6上煤層距離下伏奧灰平均間距約61 m，圖2 展示了三者相對位置，開采方法為大采高分層綜采。2013 年1 月在216上01 面原回撤通道探查出陷落柱，其在6上煤層中陷落直徑約3 m 并導(dǎo)通奧灰水，探查鉆孔初始涌水量達291 m3/h，穩(wěn)定后涌水量為220 m3/h；2016 年2 月—4 月在二水平南翼大巷DF6 斷層帶區(qū)域，探查發(fā)現(xiàn)DF6 斷層帶導(dǎo)通底板奧灰水，12個探查鉆孔初始涌水量總計達280 m3/h，穩(wěn)定后涌水量為200 m3/h（后通過注漿工程改造大巷底板，安全順利通過），說明奧灰水一旦導(dǎo)通，其出水量較大。而礦井自生產(chǎn)以來，6上煤綜放工作面帶壓回采區(qū)均未出現(xiàn)導(dǎo)通奧灰水現(xiàn)象。因此在底板隔水層完整的情況下，6上煤開采不受奧灰水害影響；在導(dǎo)水構(gòu)造發(fā)育地區(qū)，隔水層基本失去隔水能力，6上煤開采部分地段受奧灰水害影響[13-14]。

圖2 研究區(qū)開采煤層與含水層相對位置示意Fig.2 The relative position of mining coal seam and aquifer in the study area

煤層底板帶壓是底板突水的前提。如果煤層帶壓開采，那么煤層在開采過程中才有可能發(fā)生底板突水；如果煤層不帶壓開采，即使形成導(dǎo)水通道，煤層在開采過程中也不會發(fā)生底板突水。為確定研究區(qū)范圍內(nèi)的帶壓區(qū)域，通過對比目標煤層底板標高和奧灰含水層水位標高，分別得到4 號和6上煤層底板帶壓分布，如圖3 所示。

圖3 煤層帶壓區(qū)范圍分布Fig.3 The range distribution of coal seam pressure zone

結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)資料與已有涌水情況可知，研究區(qū)內(nèi)部分區(qū)域由于奧灰含水層水位標高高于煤層底板標高將會處于帶壓開采狀態(tài)，并且斷層與陷落柱可能成為奧灰含水層突水通道，因此在評價過程中將含水層和隔水層作為影響因素的同時也要將斷層和陷落柱考慮其中。研究區(qū)水害類型分析如圖4所示。

圖4 研究區(qū)水害類型分析Fig.4 Analysis diagram of water damage types in the study area

4 基于AHP 型脆弱性指數(shù)法的多煤層底板突水危險性分區(qū)

為對研究區(qū)煤層底板奧灰突水危險性進行準確評價，此次研究選擇基于AHP 型脆弱性指數(shù)法，與傳統(tǒng)評價方法相比，脆弱性指數(shù)法可以更全面的考慮底板突水的影響因素，對底板突水進行科學(xué)合理的評價[15-19]。

4.1 影響因素的確定和專題圖的繪制

影響底板突水的因素眾多，并且各因素之間存在一定關(guān)系，因此選擇合理的煤層底板突水影響因素決定了評價結(jié)果的準確性[20]。通過分析黃玉川煤礦的地質(zhì)資料，確定了研究區(qū)煤層底板突水影響因素：①奧陶系灰?guī)r含水層水壓；②奧陶系灰?guī)r含水層富水性；③有效隔水層等效厚度（4 號、6上）；④礦壓破壞帶下脆性巖厚度（4 號、6上）；⑤陷落柱分布；⑥斷層與褶皺分布；⑦斷層規(guī)模指數(shù)；⑧構(gòu)造交點和端點分布[21]。

根據(jù)收集的鉆孔及其他地質(zhì)資料，繪制各影響因素專題圖，如圖5 所示。

通過研究范圍內(nèi)奧灰含水層頂界面標高與水位高度繪制出了煤層底板隔水層承受奧灰含水層水壓的專題圖（圖5a）。通過專題圖可以看出，研究區(qū)范圍內(nèi)煤層底板隔水層所承受水壓為0.86～3.85 MPa，呈現(xiàn)由西向東遞減的趨勢，西部邊界區(qū)域水壓最高，東部邊界最低。

作為最能體現(xiàn)目標含水層富水性的指標，此次研究選擇單位涌水量進行專題圖的繪制（圖5b），研究中的單位涌水量指的是鉆孔孔徑91 mm，抽水時水位下降10 m 時的涌水量，單位涌水量越大，該區(qū)域的含水層富水性越強。通過專題圖可以看出，研究區(qū)域范圍內(nèi)含水層富水性呈現(xiàn)由北向南逐漸減弱的趨勢，北部邊界區(qū)域單位涌水量最大為0.007 5 L/s·m。

有效隔水層厚度指的是在未受礦壓破壞范圍內(nèi)隔水層的等效厚度，礦壓破壞帶深度由研究區(qū)現(xiàn)場試驗得出。由于隔水層是由多種巖石組成的，各種巖石的隔水能力并不相同，為了考慮不同巖石的隔水能力，此次研究采用中國礦業(yè)大學(xué)（北京） 提出的等效換算系數(shù)，對未受到礦壓破壞影響區(qū)域的隔水層進行厚度換算，最后分別得到了4 號和6上煤層底板有效隔水層等效厚度的專題圖（圖5c、圖5d）。通過專題圖可以看出，4 號煤層底板有效隔水層等效厚度較大，最厚處可達114 m，而6上煤層隔水層厚度則相對較薄，最薄處僅為14 m。兩煤層的隔水層等效厚度變化趨勢相似，均為中間薄兩邊厚。

礦壓破壞帶下脆性巖厚度是指不受礦壓破壞帶影響的隔水層中脆性巖的厚度。隔水層中存在砂巖、灰?guī)r等脆性巖，其巖性堅硬、抗壓能力強，阻水抗壓作用也就比較強，但當(dāng)脆性巖的完整性受礦壓破壞帶影響時將失去阻水能力（圖5e、圖5f）。通過專題圖可以看出4 號煤層礦壓破壞帶下脆性巖厚度較厚，而6上煤層則相對較薄，最薄處位于研究區(qū)西北邊界，僅4 m。

地質(zhì)構(gòu)造對水害防治存在極大影響，它不但可以破壞隔水層完整性，拉近煤層與隔水層距離，也可以充當(dāng)突水通道，對開采工作存在嚴重威脅。由于地質(zhì)勘探工作的局限性，研究區(qū)范圍內(nèi)東部地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造資料較為全面，因此與地質(zhì)構(gòu)造相關(guān)的專題圖繪制僅限于研究區(qū)東部，由于陷落柱數(shù)量較少，因此將所有地質(zhì)構(gòu)造分布情況整合為一張圖。由于地質(zhì)構(gòu)造在空間上形成交叉點，這些交叉點與斷層端點巖體裂隙發(fā)育，應(yīng)力也較集中，導(dǎo)水性能好，當(dāng)受到開采影響時容易發(fā)生突水，因此也在專題圖中進行考慮（圖5g、圖5h）。

斷層規(guī)模指數(shù)指的是單位面積內(nèi)斷層長度和落差乘積，它的值越大，代表這個區(qū)域內(nèi)的斷層發(fā)育程度越好，該區(qū)域存在突水的可能性越大。通過專題圖可以看出，研究區(qū)范圍內(nèi)斷層規(guī)模指數(shù)與斷層分布趨勢基本相同（圖5i）。

4.2 影響因素權(quán)重的確定

在確定黃玉川礦煤層底板突水影響因素的基礎(chǔ)上，建立AHP 層次分析結(jié)構(gòu)模型，通過專家打分的方式對各影響因素進行評分。模型的目標層（A層次） 為煤層底板突水脆弱性指數(shù)；模型的準則層（B 層次） 為解決問題的中間環(huán)節(jié)，含水層（B1）、底板隔水層（B2）、地質(zhì)構(gòu)造（B3） 決定了突水的可能性，但B 層次因素影響方式還需通過與其相關(guān)具體因素（如含水層通過水壓和富水性兩個指標） 來體現(xiàn)；而各個具體的突水影響因素指標則構(gòu)成了該模型的決策層（C 層次），通過C 層的決策來求解目標層，如圖6 所示。

圖6 層次分析結(jié)構(gòu)模型Fig.6 Analytical hierarchy process structure model

通過各組矩陣計算出λmax，Ci 與CR，存在的CR 值都小于0.1，判斷矩陣通過一致性檢驗。表1 展示了利用層次分析法所計算出的影響因素權(quán)重值。

表1 影響煤層底板奧灰含水層突水各影響因素的權(quán)重Table 1 Weight of each influencing factor of water outburst from Ordovician limestone aquifer in coal seam floor

4.3 煤層底板突水脆弱性分區(qū)

引入脆弱性指數(shù)VI的初始模型來對煤層底板突水危險性進行評價。脆弱性指數(shù)定義為某一地區(qū)的某一地段的某一柵格位置上的各種影響因素對其產(chǎn)生的疊加影響總和?？捎靡韵履Ｐ凸奖硎荆?/p>

式中：VI為脆弱性指數(shù)；Wk為影響因素權(quán)重；fk(x，y)為單因素影響值函數(shù)；x，y為地理坐標；n為影響因素的個數(shù)。

根據(jù)表1，在黃玉川4 號、6上煤層底板奧灰含水層突水危險性評價中各影響因素權(quán)重值分別為W1=0.275 1、W2=0.137 5、W3=0.218 3、W4=0.109 2、W5=0.077 4、W6=0.064 0、W7=0.054 5、W8=0.064 0。由此可以得出黃玉川礦4 號、6上煤層底板奧灰灰?guī)r含水層突水危險性評價模型為：

通過自然分級法對隔水性指數(shù)進行處理，可以得到最佳的5 級分級結(jié)果。各級閾值分別為0.341 0、0.415 9、0.478 7、0.555 6，底板突水脆弱性指數(shù)越大，突水的危險性也就越大。黃玉川煤礦底板奧灰突水危險性評價分區(qū)如圖7 所示。

圖7 黃玉川煤礦底板奧灰突水危險性評價分區(qū)圖Fig.7 Assessment zoning diagram of Ordovician limestone water outburst risk in floor of Huangyuchuan Mine

從圖7 可以看出，在黃玉川礦礦區(qū)范圍內(nèi)4 號煤層底板奧灰含水層突水的可能性較小，大部分區(qū)域為較安全區(qū)和相對安全區(qū)，在西北部的小范圍區(qū)域為較危險區(qū)，這是因為該區(qū)域范圍內(nèi)奧灰水壓相對較大，但有效隔水層等效厚度及礦壓破壞帶下脆性巖厚度相對較小導(dǎo)致的。

6上煤層底板奧灰含水層突水的可能性較大，在礦區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域為過渡區(qū)、較危險區(qū)以及危險區(qū)，東北部構(gòu)造發(fā)育的區(qū)域與西部區(qū)域部分屬于較危險區(qū)。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因是，從整體上看，6上煤層底板到奧灰含水層距離平均有65.49 m，有效隔水層等效厚度平均僅有22.85 m，雖然東北部6上煤層底板有效隔水層等效厚度與脆性巖厚度均相對較大，但是此區(qū)域范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，多斷層與陷落柱，因此發(fā)生突水的可能性相對較大；礦區(qū)的西部由于未進行詳細勘察的原因?qū)е聦Φ刭|(zhì)構(gòu)造情況不清楚，但是由于6上煤層底板的隔水層較薄，水壓較大，因此開采過程中可能發(fā)生奧灰含水層突水事故。相比6上煤層，4 號煤層底板距奧灰含水層頂部距離較大，發(fā)生突水可能性較小。

為驗證評價結(jié)果的準確性，在6上評價結(jié)果圖中尋找曾經(jīng)發(fā)生奧灰含水層涌水情況的位置，如圖8 所示。根據(jù)圖8 可知，曾發(fā)生涌水情況的216上01 面原回撤通道導(dǎo)水陷落柱與導(dǎo)通奧灰水的二水平南翼大巷DF6 斷層均位于較危險區(qū)中，說明評價結(jié)果具有一定準確性，由于研究區(qū)范圍內(nèi)沒有更多奧灰含水層突水點，因此此次研究也選擇了具有特征的鉆孔進行輔助驗證來保證模型的準確性。

圖8 黃玉川煤礦底板奧灰突水危險性評價分區(qū)驗證Fig.8 Assessment zoning verification of Ordovician limestone water outburst risk in floor of Huangyuchuan Mine

5 結(jié) 論

（1） 通過對研究區(qū)范圍內(nèi)奧灰水位和目標煤層底板標高的分析，得到了黃玉川礦4 號和6上煤層底板帶壓分布圖，為后續(xù)評價提供條件。

（2） 通過分析黃玉川礦的地質(zhì)資料，選定斷層規(guī)模指數(shù)、斷層與褶皺分布、斷層與褶皺交端點分布、陷落柱分布、有效隔水層脆性巖厚度、有效隔水層厚度等效厚度、奧灰富水性、水壓8 個主控指標，構(gòu)建了黃玉川礦4 號和6上煤層底板突水多因素主控指標體系，對未來黃玉川礦井田內(nèi)其他層位煤層的開采或周圍其他礦井的開采，選取底板突水主控指標具有一定參考價值。

（3） 使用層次分析法（AHP） 得到各影響因素的綜合權(quán)重，建立了煤層底板突水評價的危險性評價模型。并利用自然分級法對研究區(qū)進行評價分區(qū)，將研究區(qū)分為危險區(qū)、較危險區(qū)、過渡區(qū)、較安全區(qū)和相對安全區(qū)，其中危險區(qū)與較危險區(qū)多分布在6上煤層，安全區(qū)與較安全區(qū)多分布在4 號煤層。利用研究區(qū)范圍內(nèi)已經(jīng)存在的突水點進行驗證發(fā)現(xiàn)突水點均位于較危險區(qū)范圍內(nèi)，證明評價結(jié)果可靠。