小回溝煤礦9#煤底板帶壓開采突水危險性評價

張 雷

（山西小回溝煤業(yè)有限公司，山西 清徐 030400）

0 引言

在近幾年煤礦逐漸向深部開采，而深部開采面臨的一個問題就是煤層底板的突水威脅性，近幾年國內(nèi)學者提出的“下三帶”與“下四帶”理論都指出工作面的開采導致了底板發(fā)生破壞，并最終導致裂隙帶的產(chǎn)生[1～2];而“關(guān)鍵層理論”指出含水層之上存在一隔水能力和承載能力較強的巖層起到關(guān)鍵防護作用[3],而煤礦中突水事故往往是由多因素造成的，這也就導致了其不確定性和復雜性，為此建立突水危險性評價體系是有其特殊意義的。

1 工程背景

小回溝井田屬太原西山煤田的一部分，地理位置在清徐縣，主采煤層為2號、6號、8號、9號，井田各可采煤層均存在奧陶系灰?guī)r水帶壓開采，其中9號煤位于太原組，9號煤層頂板導水裂縫帶發(fā)育高度為33.05～73.48m，帶壓高度大，底板隔水層變薄處、較大斷層和陷落柱等構(gòu)造地段存在潛在突水威脅，對煤礦安全開采影響較大。故重點圍繞奧灰?guī)r溶裂隙水對9號煤開采影響分析。

2 突水系數(shù)評價法

2.1 水位標高觀測

奧陶系地層在井田內(nèi)屬埋藏型，巖溶裂隙發(fā)育差，為此在9#煤層范圍內(nèi)布置了11個鉆孔，根據(jù)鉆孔所得到的數(shù)據(jù)得到了表1。

表1 抽水試驗觀測結(jié)果

已知9煤位于石炭系太原組含煤組，從上表可以看出該煤層下距奧陶系灰?guī)r頂板層約93.116～237.951m，平均140.756m，據(jù)本次抽水試驗成果推測井田內(nèi)奧陶系巖溶水水位標高為+902.06m～946.69m，平均在+929.035m。

2.2 突水系數(shù)計算

煤層底板涌（突）水危險性評價采用突水系數(shù)法評價，由于煤層底板突水的不確定性，其中底板隔水層厚度和水壓對其影響較大，為此將兩者作為主要考慮因素，為此將各個鉆孔得到的相關(guān)數(shù)據(jù)進行了整理得到了表2，并據(jù)此得到了9#煤層水壓等值線圖及煤層底板隔水層厚度等值線圖。根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》，突水系數(shù)計算公式為：

式中：T為突水系數(shù)(MPa/m)；P為隔水層承受的水壓（MPa）；M為底板隔水層厚度（m）。

表2 突水系數(shù)計算表

圖1 9#煤層水壓等值線圖

根據(jù)表2可以看出9#煤層隔水層厚度在48.36～76.00m之間，均值為61.56m，而底板水壓最小值為1.390MPa，最大值在2.824MPa，9煤底板奧陶系灰?guī)r巖溶水突水系數(shù)為0.024～0.056MPa/m；觀察圖1中水壓等值線圖可以發(fā)現(xiàn)水壓較大值位于井田西部，自西向東逐漸遞減，其中井田東北部水壓較小，但仍在1.35MPa左右；觀察圖2中隔水層厚度等值線圖可以發(fā)現(xiàn)隔水層厚度在井田西南及東北部都較小，隔水層厚度在井田北部中心區(qū)域最大。

圖2 9#煤層底板隔水層厚度等值線圖

2.3 煤層底板突水危險分區(qū)

根據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料以及上述結(jié)果得出了9#煤層底板突水危險區(qū)分圖，詳情見圖3。

圖3 9#煤層底板突水危險區(qū)分圖

由9號煤層底板突水危險性分區(qū)圖（圖3）可以看出，本次井田內(nèi)多數(shù)區(qū)域突水系數(shù)小于0.06MPa/m，突水危險性都較低，相對安全；在井田東北部區(qū)域斷層、陷落柱等構(gòu)造較多，且上部2、6號煤層開采時的多次擾動，容易增大斷層陷落柱導水可能，但由于奧灰富水性弱，9煤開采至此范圍附近時雖然存在突水的可能，但水量不大，威脅也不大，因此小回溝井田東北部斷層、陷落柱發(fā)育范圍內(nèi)為突水威脅區(qū)。

3 脆性指數(shù)評價法

3.1 關(guān)鍵因素確定

脆弱性指數(shù)評價法[4]是一種層次分析法模型，而確定模型主控因素是其中關(guān)鍵，為此根據(jù)小回溝煤礦地質(zhì)資料及過往經(jīng)驗，將模型分為A、B、C三個層次，分別代表模型目標、準則層、決策層，其中決策層為主控因素，具體包括奧陶系灰?guī)r含水層的水壓、奧陶系灰?guī)r含水層富水性、構(gòu)造線規(guī)模指數(shù)、斷層交點與端點分布、陷落柱密度、有效隔水層等效厚度、隔水層脆塑性巖比值，并分別作出各個因素的專題圖，由于篇幅所限，此處僅列出水壓及隔水層厚度專題圖見圖1、圖2。綜上所述建立模型結(jié)構(gòu)圖見圖4。

圖4 模型結(jié)構(gòu)圖

3.2 各因素權(quán)重值的確定

已知模型結(jié)構(gòu)，繼而對各個因素進行判斷，并進一步求出各個因素權(quán)重值，本次使用AHP判斷矩陣[5]求取權(quán)重值，主要利用T.L.SAATY創(chuàng)立的1～9標度方法對各個因素進行量化打分，并將各個影響因素所得總分進行評比，由此構(gòu)建該區(qū)9煤的底板突水AHP評價的判斷矩陣（略），運用matlab求出各因素權(quán)重值見表3。

表3 影響底板突水各主控因素的權(quán)重

3.3 模型建立

已知各個因素權(quán)重值，引入單一函數(shù)fk（x，y），其中x，y為地理坐標，脆性指數(shù)就是通過各個因素對某一位置產(chǎn)生的疊加影響總和，由此可以得出小回溝煤礦9煤煤層底板突水脆弱性評價模型為：

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)，具體就是第k個主控因素量化值的歸一化后的值；（x，y）為地理坐標；n=7為影響因素的個數(shù)。

3.4 煤層底板突水脆弱性評價分區(qū)

根據(jù)突水系數(shù)法計算處不同位置的脆性指數(shù)，指數(shù)范圍都在0～1之間，指數(shù)越高，表明突水危險性越高，通過對各項數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析后得出分區(qū)閾值。并據(jù)此將井田區(qū)域進行了劃分，其中煤層底板突水脆弱區(qū)在 0.449～1之間，較脆弱區(qū)在0.311～0.449之間，突水過渡區(qū)在0.207～0.311之間，較安全區(qū)在0.035～0.207之間，安全區(qū)在0～0.035之間，其中區(qū)域劃分詳情見圖5。

圖5 9#煤層底板突水危險性評價分區(qū)圖

由圖5可以看出，井田西部區(qū)域發(fā)生底板奧灰水突水危險的概率最高，為危險區(qū)，因為西部水壓值大，隔水層等效厚度小，所以該區(qū)域底板隔水層抵抗水壓的能力相對較差，底板存在一定的涌（突）水危險性。而井田中西及南部為較危險區(qū)，該區(qū)域水壓值相對危險區(qū)小一點，隔水層厚度比危險區(qū)高一些，但相差不大，富水性相對中等，所以該區(qū)域奧灰水對9#煤層開采存在一定的危險可能性。井田中部向東北部過度期間，底板奧灰水突水危險性伴隨著水壓的降低而遞減，依次劃分為過渡區(qū)、較安全區(qū)、安全區(qū)，富水性整體較弱，奧灰水對9#煤層開采影響也越來越小。

4 結(jié)論

1）通過采用突水系數(shù)計算法得出因此小回溝井田多數(shù)區(qū)域為安全區(qū)域，但在東北部斷層、陷落柱發(fā)育范圍內(nèi)為突水威脅區(qū)。

2）通過采用脆弱性指數(shù)評價法分別對9#煤層進行了突水評價，得出小回溝井田9#煤層底板奧灰水涌（突）水危險區(qū)主要分布于井田西部，較危險區(qū)主要分布于井田中西及南部，井田中部向東北部首采區(qū)過渡區(qū)域，9#煤層底板奧灰水涌（突）水危險性依次劃分為過渡區(qū)、較安全區(qū)、安全區(qū)。