十二采區3煤層頂板富水性預測研究

呂文茂　張廣學　劉高強

【摘 要】濟寧三號煤礦十二采區3煤開采受頂板水威脅，頂板富水性的準確預測尤為重要。其主要決定因素為：頂板砂巖厚度、砂泥巖組合及砂巖含量、構造復雜程度（斷裂分維數）。本文以此三個因素為研究對象，運用模糊聚類分析法對采區的富水性進行分級分區，為砂巖水的防治提供參考依據，保證3煤的安全開采。

【關鍵詞】頂板水；富水性；模糊聚類分析法

Twelve No. 3 coal seam roof water abundance prediction research

LV Wen-mao1 ZHANG Guang-xue1 LIU Gao-qiang2

（Jining No.3 coal mine， Shandong Province， Jining 272100，China；

2.Shandong Coal Mine Safety Supervision Bureau， Luxi Supervision Bureau， Shandong Province， Jining 272100，China）

【Abstract】Jining No. three coal mine twelve mining area of 3 coal mining under the threat of the roof water， accurate prediction of roof water abundance is particularly important. The main determinants： roof sandstone thickness and sand mudstone and sandstone content， complex structure （fracture fractal dimension）. based on three factors as the research object， using fuzzy cluster analysis method of the mining area water abundance of zoning classification， so as to provide reference for the prevention and treatment of sandstone water， guarantee the safety of the exploitation of the coal.

【Key words】Roof water； Water rich； Fuzzy clustering analysis method

1 概況

1.1 地質概況

濟寧三號煤礦位于濟寧煤田中部南北向的濟寧地塹構造內，研究區以孫氏店斷層和濟寧斷層為東西部邊界，地層總體構造形態為一單斜構造，淺部具寬緩褶曲。本區地層區劃屬華北地層區魯西地層分區濟寧地層小區，為全隱蔽型煤田。鉆孔資料揭露，地層由老至新依次為：奧陶系下統、奧陶系中統、石炭系中統、石炭系上統、下二疊統、上二疊統、上侏羅統、第四系。含煤地層為石炭-二疊系山西組和太原組，主要可采煤層為3上煤層、3下煤層。

1.2 水文地質概況

井田內主要含水層從上到下主要有：第四系砂及砂礫含水層，侏羅系砂巖孔隙裂隙含水層，二疊系山西組3煤層頂底部砂巖裂隙含水層，石炭～二疊系太原組第三、十下層石灰巖巖溶裂隙含水層，奧陶系石灰巖巖溶裂隙含水層。除第四系上組砂及砂礫層外，其余含水層對煤礦開采均有充水影響，其中山西組砂巖、太原組第三、十下層石灰巖為直接充水含水層。由于第四系中組為區域隔水層，故上述含水層除第四系上組和奧灰外，其余含水層皆以靜儲量為主，補給、徑流、排泄條件均不良。

2 富水性影響因素及預測指標

應用模糊聚類分析法進行煤層頂板富水性預測，對十二采區的富水性的評價主要考慮的對象為頂板砂巖厚度、砂泥巖組合及砂巖含量、構造復雜程度。

2.1 頂板砂巖厚度

3煤上層地層巖性主要由中粗砂巖、細砂巖、粉砂巖、粉細互層、泥巖及粘土巖構成。3煤頂板砂巖是指在3煤頂板到侏羅系底部范圍內，位于3煤開采最大裂高范圍內的砂巖。

在距煤層頂板25m（約為導水裂隙帶）范圍內，3上煤頂板巖性一般以砂巖、粉砂巖和泥巖為主。本次采用十二采區內及附近14個鉆孔的3上煤頂板砂巖厚度繪制厚度等值線，由圖可知道在十二采區3上煤頂板砂巖厚度在采區內變化很大，總體呈現北厚南薄的特征，北部砂體厚度基本大于14m，南部砂體厚度基本小于6m。

在煤層之上80m（約為導水裂隙帶）范圍內，3下煤頂板巖性一般以粉、細粒砂巖為主，北西部為中、粗粒砂巖。采用十二采區內及附近14個鉆孔的3下煤頂板砂巖厚度繪制厚度等值線圖，由圖可知道在采區范圍內，3下煤頂板砂巖厚度呈現西厚東薄、北厚南薄的趨勢特征，采區西北部的砂體厚度最大，為72.48m；東南部砂體厚度最小，為4.75m。

2.2 砂泥巖組合及砂巖含量

十二采區3煤層頂板巖性由中粗砂巖、細砂巖、粉砂巖、粉細互層、泥巖和粘土巖構成；巖性組合方式主要考慮砂巖和泥巖的相對比例。本報告采用3煤頂板砂巖含量百分比來分析。3煤頂板砂巖含量為最大裂高范圍內3煤頂板砂巖厚度所占的比例，即有：

S=m/Hli（1）

式中：S為砂巖含量，用小數來表示；

m為砂巖厚度；

Hli為最大裂高。

根據十二采區內及附近14個鉆孔的3上煤頂板砂巖百分比繪制砂巖含量等值線統計圖，從3上煤頂板砂巖含量等值線圖上可以看出在采區范圍內砂巖含量變化很大，砂巖含量高的部位在采區北部，低的部位即泥巖含量高的部位在采區的南部。變化趨勢與3上煤層頂板砂巖變化一致?？傮w上，由南向北，砂巖巖含量增加，泥巖含量減少。

統計十二采區內及附近14個鉆孔的3下煤頂板砂巖百分比并繪制了砂巖含量等值線統計圖，從3下煤頂板砂巖含量等值線圖上可以看出在采區范圍內砂巖含量變化很大，砂巖含量最高的部位在采區西北部，低的部位即泥巖含量高的部位在采區的東南部?？傮w上，由東南向西北，砂巖含量逐漸增加。

2.3 構造復雜程度

一般用分維值來定量表述斷裂構造的復雜程度。斷裂的分維值越大，斷裂越發育；斷裂分維值越小，斷裂越不發育。斷裂發育時，砂巖的富水性強；反之，砂巖的富水性弱。依據十二采區構造綱要圖繪制斷裂構造分維等值線圖，從圖可以看出在采區范圍內：斷層密集的部位，分維值較大；斷層稀疏的部位，分維值低；采區內中部南北條帶構造較為簡單，分維值低，向采區東西兩側變大。

3 頂板富水性預測

3.1 3上煤層富水性預測

采用十二采區內及附近14個鉆孔的砂巖厚度、砂巖百分比及斷層分維數數據進行聚類分析。所使用原始及標準化后再標定、聚類，最后得到的聚類數據是一個14×14矩陣，將矩陣輸入Matlab中得到聚類圖（圖1）。

圖1 3上煤層聚類圖

結合聚類圖，考慮各鉆孔分布的空間位置及富水性分區的均衡性，獲得聚類結果（見表1）。進一步綜合砂巖厚度、砂巖百分比含量及斷層分維數等各因素（主要考慮斷層分維數），將聚類結果加以修正，得出聚類后各鉆孔的富水性強弱等級（見表2）。然后繪制得富水性分區圖2。由3上煤層頂板富水性分區聚類圖可以看出，采區東北部及西部和南部小部分區域為富水性強區域；采區西南部及中部小部分區域為富水性弱區域；其余區域為富水性中等區域。

表1 3上煤層頂板富水性聚類結果表

注：1類為富水性弱鉆孔，2類為富水性中等鉆孔，3類為富水性強鉆孔。

表2 3上煤層頂板富水性強弱聚類評價表

圖2 3上煤層頂板富水性分區聚類圖

3.2 3下煤層富水性預測

采用采區內及附近16個鉆孔的砂巖厚度、砂巖百分比及斷層分維數數據進行聚類分析。數據標準化后，再標定、聚類，最后得到的聚類數據是一個16×16矩陣，將矩陣輸入Matlab中得到聚類圖（圖3）。

圖3 3下煤層聚類圖

同樣的方法獲得聚類結果（表3）和修正后的各鉆孔富水性強弱等級（表4），進而繪制聚類富水性分區圖（圖4）。

由3下煤層頂板富水性分區聚類圖可以看出，采區東北部及西部小部分區域為富水性強區域；采區中部和西南部區域為富水性弱區域，其余區域為富水性中等區域。

5 結論

運用模糊聚類法進行頂板富水性預測，可以綜合考慮多方面因素，較全面準確的得到頂板富水情況。本文以頂板砂巖厚度、砂泥巖組合及砂巖含量、構造復雜程度三個因素為研究對象，運用模糊聚類分析法對采區的富水性進行分級分區，并得到以下結論：

1）在3上煤層采區東北部及西部和南部小部分區域為富水性強區域；采區西南部及中部小部分區域為富水性弱區域；其余部分為富水性中等區域。

2）3下煤層采區東北部及西部小部分區域為富水性強區域；采區中部和西南部區域為富水性弱區域，其余區域為富水性中等區域。

表3 3下煤層頂板富水性聚類結果表

注：1類為富水性弱鉆孔，2類為富水性中等鉆孔，3類為富水性強鉆孔。

表4 3下煤層頂板富水性強弱聚類評價表

圖4 3下煤層頂板富水性分區聚類圖

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[責任編輯：朱麗娜]