東山煤礦五和七采區15號煤層底板突水脆弱性評價

慕秀琴

(山西省煤炭地質水文勘查研究院，山西太原 030006)

太原東山煤礦位于太原市東部杏花嶺區，為地方國有重點煤礦，未來主要開采井田南部五、七采區15號煤層。生產面臨深部下伏奧灰水的威脅(水壓0.00 MPa～5.05 MPa)，本文用脆弱性指數法對煤層底板突水危險性進行評價。

1 五、七采區地質及水文條件

1.1 地層、構造

五、七采區地層據鉆孔揭露由老到新為:奧陶系中統上馬家溝組及峰峰組;石炭系中統本溪組、上統太原組;二疊系下統山西組、下石盒子組及上統上石盒子組;第四系中、上更新統和全新統。

井田位于太原東山背斜西翼，地層總的走向為北北西，向南西西傾伏于太原盆地，屬單斜構造。五、七采區位于井田的最南部，地層傾向與全礦一致，東高西低，傾角12°左右。五、七采區自北而南分布3條斷裂帶，主斷裂走向近東西向，在主斷裂兩側或延展方向派生或伴生若干小斷裂。陷落柱較發育，但規模較小。

1.2 含煤地層

井田含煤地層為二疊系山西組及石炭系太原組，可采煤層7層，山西組4層(3號，62號，8號，9號)，太原組3層(12號，13號，15號)。山西組煤層屬局部可采煤層;太原組煤層以較穩定～穩定煤層為主。15號煤厚3.45 m～10.93 m，全區可采，為主要可采煤層。

1.3 含水層及其特征

1)奧陶系碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層。a.上馬家溝組灰巖含水層:區內該組地層厚度230 m左右，含水層以上段白云質灰巖、灰質白云巖、中段豹皮灰巖及白云質灰巖為主，鉆孔揭露巖溶裂隙累計厚度44.23 m(測井解釋)，鉆探取芯觀察，巖溶裂隙極為發育，巖溶形態以溶蝕裂隙為主，次為小型溶洞及溶孔，且連通性好，充填物極少。方解石含量80%～90%。DS1，DS3號孔抽水試驗，巖溶水位標高 779.87 m ～781.39 m，單位涌水量 2.020 L/(s·m) ～9.392 L/(s·m)，富水性強～極強。水質類型HCO3·SO4—Ca· Mg型，礦化度460 mg/L～466 mg/L。b.峰峰組灰巖含水層:鉆孔揭露全組厚130.30 m～149.60 m，含水層以上段石灰巖為主，厚40 m左右。受埋藏及構造條件影響，巖溶裂隙發育不均一，富水性弱～中等。鉆孔測井顯示出水段累積厚度6.6 m～7.4 m，抽(放)水試驗，自然水位標高774.45 m～779.89 m。DS1孔峰峰組富水極弱，滲透系數 0.026 m/d;DS3孔單位涌水量 0.684 L/(s·m)～0.912 L/(s·m)，滲透系數 5.645 m/d ～6.692 m/d，富水性中等。水質類型為HCO3·SO4—Ca· Mg型，礦化度為500 mg/L。奧灰含水層水為15號煤層主要間接底板充水水源。五、七采區奧灰水位標高771.80 m～785 m，15號煤層底板標高280 m～1 000 m，本區西部帶壓開采。15號煤層底至奧灰頂界間距71.81 m～101.33 m，正常情況下奧灰水對15號煤層采掘影響不大，若在構造導通的情況下，峰峰組和上馬家溝組巖溶水是15號煤帶壓開采的最主要威脅。2)石炭系碎屑巖及碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層:含水層以 L4，L3，L2，L1四層石灰巖為主，總厚12 m左右。DS1，DS2孔該組灰巖僅見小型溶孔或溶蝕裂隙，且連通性較差，注水試驗滲透系數0.034 m/d～0.036 m/d。表明灰巖裂隙不發育，地下水補、蓄條件及其循環條件差，富水性弱。但在局部構造裂隙發育地段，富水性較好。3)二疊系碎屑巖類裂隙承壓水含水層:由上石盒子組、下石盒子組和山西組一套砂巖與泥質巖相互疊置的碎屑巖類所組成。鉆孔簡易水文觀測，各孔消耗量0.05 m3/h～0.10 m3/h。表明含水層裂隙不發育，地下水補、蓄條件及其循環條件很差，含水層富水性弱。4)第四系松散巖類孔隙含水層:主要分布于溝谷與太原盆地接觸帶處，厚度0 m～15 m，含水層以透鏡狀砂礫石層和含礫砂土為主，富水性弱。

1.4 隔水層

15號煤底板至奧灰頂界間距71.81 m～101.33 m，平均83.37 m。隔水層主要為石炭系下段下部泥巖、炭質泥巖、砂質泥巖及粉砂巖，以及本溪組泥巖及鋁土質泥巖隔水層。隔水層的巖性及厚度依次為:泥巖(含鋁土質泥巖):厚度10.34 m～39.70 m，平均厚度為 26.69 m;砂質泥巖:厚度5.10 m ～37.95 m，平均厚度為21.88 m;粉砂巖:厚度0 m ～17.74 m，平均 7.37 m。隔水層累計厚度41.08 m～78.73 m，平均累計厚度55.94 m。隔水層厚度占地層總厚度的67.1%。

2 五、七采區15號煤層底板突水主控因素及其屬性數據庫的建立

通過對五、七采區底板承壓含水層、底板隔水層、地質構造條件的分析，確定該區底板突水的主控因素為:奧灰含水層水壓、奧灰含水層富水性、有效隔水層厚度、礦壓破壞帶以下脆性巖的厚度、斷層及褶皺的分布、陷落柱的分布、斷層與褶皺交點的分布。

采集區內 DS1，DS3，M4，M5，M9，M10，304，310，TS-20 共 9 個鉆孔對應各主控因素的量化值，利用GIS對空間數據的管理功能，生成屬性數據庫及專題圖。

3 層次分析法模型設計

3.1 建立層及結構分析模型

將研究對象分為3個層次。底板奧灰突水脆弱性評價是這一問題的最終目的，作為模型目標層(A層次);承壓含水層、地質構造、底板隔水層決定了突水的可能性，為模型的準則層(B層次)，各個具體的主控因素指標為本模型的決策層(C層次)。

3.2 構造判斷矩陣

運用“征集專家評分”方法，得到每個因素所起作用的量化分值，進而構建15號煤層底板突水層次分析法評價的判斷矩陣(見表1，表2)。

表1 判斷矩陣A～Bi(i=1～3)

表2 判斷矩陣B～Ci

3.3 層次總排序

各指標Ci對總目標的權重見表3，WA/Ci為各指標Ci對總目標A的權重。C層總排序隨機一致性比率CR為:

具有較滿意的一致性，WA/Ci作為最終決策的依據(見表3)。

表3 各指標對總目標的權重

4 脆弱性指數法評價工作方法

4.1 單因素歸一化專題圖

單因素數據歸一化處理后，作出單因素歸一化專題圖。

4.2 底板突水脆弱性模型

脆弱性指數VI的初始模型為:

其中，VI為脆弱性指數;Wk為影響因素權重;fk(x，y)為單因素影響值函數;x，y均為地理坐標;n為影響因素的個數。其計算值能反映出某一地理位置煤層底板突水的脆弱程度。fk(x，y)在煤層底板突水脆弱性評價中具體就是第k個主控因素量化值的歸一化后的值。利用各影響因素權重值Wi可以得出15號煤層底板奧灰水突水脆弱性評價模型為:

5 煤層底板突水脆弱性評價分區

運用自然分級法對所得底板脆弱性指數進行處理，得到最佳五級分級結果。依分級閾值研究區可劃分為五個區域:

VI＞0.455，煤層底板突水脆弱區;0.340 ＜ VI≤0.455，煤層底板突水較脆弱區;0.311 2＜VI≤0.340，煤層底板突水過渡區;0.254 8 ＜ VI≤0.311 3，煤層底板突水較安全區;VI≤0.254 8，煤層底板突水相對安全區。

6 脆弱性指數法評價與突水系數法評價的對比分析

根據《煤礦防治水規定》中突水系數法得15號煤層帶壓開采安全性分區見圖1，突水系數除評價區西部邊界大于0.06 MPa/m外(危險區)，其他區域皆小于0.06 MPa/m(安全區)。

圖1 15號煤層突水系數法評價分區圖

圖2 15號煤層底板奧灰突水脆弱性評價分區圖

從脆弱性評價分區圖可以看出(見圖2):太原東山煤礦五、七采區東北部大部分為安全和較安全區，中部小部分為過渡區，西北、西部和南部區域大部分是脆弱區和較脆弱區，發生突水的可能性較大，另外，在斷層、陷落柱等構造分布區域突水可能性也較大。

此結果是綜合考慮了煤層底板突水7個主控因素后得出的，相對于傳統突水系數法僅考慮兩個因素，脆弱性指數法考慮更全面。

從這兩種方法所得評價分區圖可以看出，突水系數法根據突水系數將礦區分為界限分明的區塊，在邊界處安全狀況發生了突變，這是與實際情況不符的。而脆弱性指數法則在綜合考慮各個影響因素的前提下將礦區分為安全區、較安全區、過渡區、較脆弱區和脆弱區，可以幫助工作人員對實際狀況有個度的把握。過渡區域是從較安全區域到較脆弱區域的一個過渡，雖然總體上突水的可能性不大，但是由于其瀕臨較脆弱區，實際生產中應得到足夠的重視。另外，突水系數法沒有將斷層、陷落柱、褶皺等構造因素考慮在內，而脆弱性指數法對這些構造分區有較為詳盡的脆弱性劃分，可以據此在生產中針對具體情況采取相應防范和治理措施，從而確保礦界的安全生產。

[1] 中國煤炭地質總局華盛水文地質勘察工程公司.太原東山煤礦有限責任公司五、七采區帶壓開采水文地質補充勘查報告[R].2013.

[2] 山西省煤炭地質148勘查院.太原東山煤礦有限責任公司生產礦井地質報告[R].2012.

[3] 武 強，劉守強，賈國凱.脆弱性指數法在煤層底板突水評價中的應用[J].中國煤炭，2010(6):71-72.