用脆弱性指數法評價屯蘭礦8號煤奧灰突水

李文生

(西山煤電(集團) 公司 地質處，山西 太原 030053)

西山煤電(集團)公司屯蘭礦為一座現代化的特大型礦井，設計生產能力400 萬t/a，井田下組煤全部為帶奧灰水壓開采，存在奧灰突水危險。

1 下組煤底板突水的主控因素分析

1.1 煤層底板的充水含水層

屯蘭礦8號煤底板充水含水層為奧陶系峰峰組含水層，分為上下兩段，上段平均厚42 m，富水性局部較強;下段平均厚79.76 m，可視為穩定的隔水層。峰峰組含水層對煤層開采的威脅體現在兩方面:一是承壓含水層水壓大小，二是承壓含水層富水性強弱。基于以上分析，確定奧陶系峰峰組灰巖含水層的水壓和富水性是影響屯蘭礦底板奧灰突水的兩個主控因素。

1.2 煤層底板等效隔水層與關鍵層

根據壓水試驗資料，將不同巖層組成的巖組厚度換算為相當于砂巖強度的等效厚度，同時除去礦壓破壞帶范圍內的那一部分隔水層，作為抵抗煤層底板突水的等效隔水層厚度。

底板采動破壞帶以下及含水層以上承載能力最大的一層巖層，被稱為底板關鍵層。屯蘭礦8號煤下發育一段平均厚27 m的砂巖，這段砂巖的上部為泥巖和砂巖互層，下部為本溪組灰巖泥巖互層和山西式鐵礦，屬于典型的軟—硬—軟巖層組合，在防止底板突水過程中起關鍵作用，所以，它被定為防止底板突水的關鍵層。

1.3 煤層底板地質構造

屯蘭井田大的褶曲不甚發育，中大型褶曲(幅度＞30 m，長度＞1 000 m)只有3 條，但斷層較多，共160 條(不含邊界斷層)，其中控制性大斷層均屬高角度正斷層。這些斷層和褶皺產生的裂隙結構面是承壓水從煤層底板突出的薄弱面，易成為導水通道;褶皺和斷層在立體空間形成的尖滅點和交叉點，巖體裂隙發育，導水性能好。同時，屯蘭礦陷落柱發育，成為重要導水通道。

1.4 礦壓破壞帶深度

礦壓破壞一般會造成兩方面的影響:一方面，在隔水層上部形成礦壓破壞帶，破壞了煤層底板的連續性，使底板隔水層中的構造裂隙進一步發展、擴大，進而降低了隔水層的阻水能力;另一方面，也可能導致構造部位裂隙進一步導升。這兩方面都相當于減小了有效隔水層的厚度，從而為突水的發生創造條件。

根據上述情況，選取有效隔水層等效厚度、隔水關鍵層有效厚度、斷層和褶皺密度、斷層規模指數、斷層交點和端點分布、陷落柱、峰峰組水壓、峰峰組富水性和礦壓破壞帶深度等九個因素作為井田底板突水預測的主控因素。

2 建立各主控因素專題圖

2.1 有效隔水層等效厚度

有效隔水層厚度等于隔水層總厚度減去礦壓破壞帶深度與礦壓導升高度。根據“下三帶”理論，計算礦區內各個鉆孔的礦壓破壞深度，同時根據礦區實際資料，原始導升高度和礦壓導升高度多數為零，從而計算出有效隔水層厚度，再依據等效系數，換算成相應的等效厚度(見圖1)。

圖1 8號煤底板有效隔水層等效厚度圖

2.2 關鍵層有效厚度

在屯蘭礦范圍內，8號煤下發育一段平均厚27 m的砂巖視為阻擋8號煤底板奧灰突水的關鍵層。關鍵層的有效厚度為關鍵層中砂巖總厚度減去礦壓破壞厚度(見圖2)。

圖2 8號煤底板關鍵層厚度等值線圖

2.3 斷層和褶皺密度

斷層密集帶破壞了巖層原有的完整性，易成為導水通道，同時，在做構造分布時不僅要考慮斷層也要考慮褶皺軸部的影響。

2.4 斷層規模指數

斷層規模指數綜合反映斷層的規模和發育程度。在屯蘭井田內，按照500 m ×500 m 大小建立單元網格，詳細統計各單元格中斷層的斷距、長度，并依據該數據計算出其斷層規模指數(見圖3)。

圖3 斷層規模指數等值線圖

2.5 構造交互點

主要指斷層和褶曲的交叉部位。屯蘭礦井田范圍內主要是高角度正斷層，斷層帶一般較窄，導水性差，但褶皺和斷層在立體空間形成的尖滅點和交叉點，巖體裂隙發育，導水性能好(見圖4)。

圖4 斷層與褶皺交點圖

2.6 陷落柱分布

考慮陷落柱分布區及周邊緩沖區，依據井田內在2號煤開采過程中所遇陷落柱，推測8號煤共計105個。雖然絕大多數陷落柱導水性較差未見突水，但是仍然有滯后突水的可能。

2.7 奧灰峰峰組富水性

充水含水層的富水性是指含水層的含水程度或釋放水量的能力。屯蘭礦8號煤煤層底板奧灰突水水量和峰峰組富水性有很大關系(見圖5)。

2.8 奧灰峰峰組含水層的水壓

水壓是底板突水災害發生的重要因素，水壓愈大，突水的可能性也就越大。根據資料推算得到研究區內含水層水頭壓力。生成屯蘭礦底板奧灰峰峰組含水層水壓專題圖(見圖6)。

圖5 奧灰峰峰組富水性圖

圖6 奧灰峰峰組水壓圖

2.9 礦壓破壞帶深度

通過計算屯蘭礦8號煤礦壓破壞帶深度，編制8號煤礦壓破壞帶深度圖(見圖7，圖8)。

圖7 8號煤礦壓破壞帶深度等值線圖

3 脆弱性指評價與分區

圖8 8號煤礦壓破壞帶深度3D 視圖

對所有主控因素進行數據的歸一與疊加，使其更具有統計性，在此基礎上建立數值模型，分析各因素權重值。在屯蘭礦底板奧灰突水脆弱性評價中，九個主控因素的權重值分別為W1=0.163 4、W2=0.081 7、W3=0.142 1、W4=0.044 4、W5=0.036 4、W6=0.151 3、W7=0.097 1、W8=0.194 2、W9=0.089 4。由此，利用相關公式，確定屯蘭礦太原組8號煤底板奧陶系峰峰組含水層突水脆弱性評價模型為:

對于上述計算出脆弱性指數進行頻數統計，然后，運用自然分級法對其進行分級，最后確定各級閾值分別為0.21、0.28、0.35、0.44。在這里，值越大，底板突水的可能性也越大，從而將屯蘭礦8號煤底板奧灰突水危險等級劃分為五個區域，生成屯蘭礦8號煤底板奧灰峰峰組突水脆弱性評價成果圖(見圖9)。

圖9 8號煤底板奧灰突水脆弱性評價分區圖

VI ＞0.44 煤層底板突水脆弱區

0.35 ＜VI ≤0.44 煤層底板突水較脆弱區

0.28 ＜VI ≤0.35 煤層底板突水過渡區

0.21 ＜VI ≤0.28 煤層底板突水較安全區

VI≤0.21 煤層底板突水相對安全區

相對安全區域集中在礦區內的中部和北部，該區域8號煤底板有效隔水層等效厚度總體較大(51～81 m)，隔水層承受奧灰水壓相對較小(1.45～3.35 MPa)，埋深較淺導致礦壓破壞帶發育不深，富水性影響不甚顯著，綜合分析奧灰水突水的可能性不大。較安全區域在礦區中分為兩部分，一部分位于以鉆孔T9為中心的周圍區域，該區有效隔水層等效厚度(56～62 m)中等，奧灰水壓較小(2.33～3.35 MPa);另一部分位于相對安全區域的南部，呈東西條帶狀分布，該區域處于奧灰水壓由北向南逐步升高的過渡區，隔水層承受奧灰水壓中等(3.45～5.25 MPa)，底板隔水層有效厚度總體較大(51～81 m)，關鍵層厚度中等(23～29 m)，據已有資料，無特別薄弱地帶，總體屬較安全的區域，奧灰突水的可能性不大。過渡區沿較安全區南部邊界呈東西條帶狀分布，該區雖然有較穩定的有效隔水層等效厚度(51.5～74.5 m)，且奧灰含水層富水性較弱，但其底板隔水層所受奧灰水壓力逐步增大(4.36～5.32 MPa)，綜合分析將此區域劃分為較安全區到較脆弱區的過渡區。較脆弱區主要分布在礦區范圍的最南部，以T47、T48為上邊界，南部礦界邊界為下邊界。該區域隔水層承受水壓最大(5.33～6.45 MPa)，有效隔水層等效厚度也相對較薄(53.5～62.5 m)，關鍵層厚度(17～21 m)也較薄，導致此區域處于有發生突水可能性的較脆弱區。

在斷層、陷落柱等構造分布區域被標記為橙色較脆弱區，甚至紅色脆弱區。由于這些構造的存在破壞了隔水地層的連續性，當生產中遇到這些構造時，它們可能會作為導水通道直接或間接把奧灰水引入工作面造成嚴重后果。所以，在礦界范圍內的土地溝正斷層、頭南峁正斷層、古交正斷層、風坪嶺斷層和陷落柱等構造大多被劃分為突水危險性比較高的較脆弱區或脆弱區，在生產中應得到足夠重視。

4 結論

利用脆弱性指數可將屯蘭礦8號煤底板奧灰突水劃分為五個區域，即煤層底板突水脆弱區、煤層底板突水較脆弱區、煤層底板突水過渡區、煤層底板突水較安全區和煤層底板突水相對安全區。

在屯蘭礦區范圍內8號煤底板奧灰突水可能性總體較低，大部分為相對安全區、較安全區，這是由于8號煤距奧灰含水層較遠(平均98 m)，中間有較厚的隔水層起保護作用，但構造分布區域和礦區南部奧灰水壓較高區域仍有突水的可能性，多為較脆弱區和脆弱區。

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