城郊煤礦二水平煤層底板突水危險性綜合評價研究

段李宏，張金陵

(河南能源化工集團永城煤電控股集團有限公司，河南 永城 476600)

煤層底板高承壓含水層在采掘擾動下誘發突水事故，是煤層開采過程中的一種嚴重地質災害，常造成嚴重的人員傷亡與財產損失，嚴重威脅煤炭資源的安全高效開采[1，2]。而且，采掘誘發煤層底板突水是一項具有高承壓性、突發性、破壞性強特點的復雜動力地質災害，具有很高的不確定性，且難以準確預測和有效控制。隨著我國淺部煤炭資源的日益枯竭，開采深部煤炭資源必將是我國今后主要的資源來源，而深部煤炭資源開采必將面臨煤層底板突水災害的嚴重威脅[3，4]。煤層底板高承壓水突水災害的誘發機理十分復雜，突水水源主要是煤層底板奧灰巖溶水、太灰巖溶水、老空水等，導水通道多為底板裂縫帶、隱伏陷落柱、導水斷層等。例如，1988年10月24日淮北楊莊煤礦Ⅱ617綜采工作面底板突發特大型突水災害，實測瞬時最大突水量達3153m3/h，導致4個采區被淹，直接經濟損失高達1.50億元，原因主要是煤層底板隱伏構造斷裂帶溝通底板太原群灰巖高承壓含水層，同時奧灰水側向補給導致突水[5]。2010年3月1日，駱駝山煤礦16號煤+870m水平回風大巷掘進工作面發生突水，涌水量65000m3/h，造成全礦井淹沒，32人遇難，其誘發機理就是煤層底板隱伏陷落柱導通底板高承壓奧灰水[6]。2017年5月22日，東于煤礦井下三采區03304巷底板發生老空水突水事故，造成6人死亡，直接經濟損失505.50萬元[7]。由此可見，煤層底板高承壓水突水事故已經成為制約我國煤炭資源安全、高效開采的重要威脅之一。

目前，開展煤層底板突水危險性評價主要采用的是“突水系數法”，此種方法是基于大量的突水實例分析得出的一種經驗規律性方法，被廣泛應用于各種地質條件的煤礦開采實踐中[8]。但是，由于各類煤層底板地質構造差異巨大，“突水系數法”具有一定的局限性，無法考慮到煤層底板地質構造的復雜程度，而這些地質構造又往往是造成煤礦底板突水的重要導水通道，其中最主要的就是導水斷層構造，而通過預留安全煤柱的方法又會造成大量可采資源的浪費[9]。本文就在充分分析城郊煤礦二水平煤層底板斷層構造復雜程度的基礎上，采用“突水系數法”和“分形分維理論”對底板突水危險性進行了綜合分區評價，為指導城郊煤礦二水平煤炭資源的安全開采提供了必要的理論支撐。

1 城郊煤礦概況

1.1 礦山基本情況

城郊煤礦位于河南省永城市境內，礦井采用立井多水平開拓方式，一水平標高-495m，二水平標高-800m，礦井設計生產能力2.40Mt/a。采用分區上行開采的開采方式，目前主采一水平東翼采區二2煤層。隨著礦井生產能力的提高，一水平服務年限逐漸減少，礦井開采水平將逐步轉入二水平，主采煤層埋深最大即將達到1000m。城郊煤礦二水平二2煤層分布相對穩定，資源儲量大，是礦井接續資源開采的重要方向。

但是城郊煤礦二水平二2煤層受到太原組灰巖含水層的威脅較大，預計太原組灰巖含水層水壓高達6～7MPa，突水系數均超過《煤礦防治水細則》的正常地段0.1MPa/m的推薦值。二水平二2煤層處于“三高一擾動”的復雜地質與力學環境中，為保證其安全開采，對其進行更加合理的突水危險性評價十分重要。

1.2 井田地層條件

根據礦區鉆孔揭露的地層自下而上分別為奧陶系中統馬家溝組(O2m)灰巖、石炭系中統本溪組(C2b)鋁質泥巖、上石炭統太原組(C2t)灰巖與泥巖互層、二疊系下統山西組(P1s)泥巖砂巖互層、下統下石盒子組(P1x)泥巖、上統上石盒子組(P2s)灰巖、上統石千峰組(P2sh)砂巖。其中主要含煤地層自下而上為上石炭統太原組，下二疊統山系組、下石盒子組，上二疊統上石盒子組地層。城郊煤礦二水平二2煤層主要受太原組群灰巖含水層和奧陶系灰巖含水層威脅，局部煤層底板距太原組灰巖含水層僅有13.50m，平均50.36m，厚度差異巨大。

1.3 主要隔水層特征

礦區主要隔水層為山西組底部泥巖、砂質泥巖隔水層，山西組可采煤層為二水平二2煤，該煤層與太原組L11灰間距32.14～72.58m，平均51m左右，層位穩定。泥巖與砂質泥巖互層隔水層累計平均厚度26.5m，形成了較好的隔水層，在無構造破壞條件下，可以避免發生太原組灰巖突水事故。但是，城郊煤礦自建井以來發生過多次底板斷層突水事故，最大突水量達300m3/h，鉆孔資料也證實了煤層底板斷層構造極為發育，且多為小型斷層，成為制約二水平二2煤層安全開采的巨大威脅。

2 二水平煤層底板斷層構造特征分析

2.1 斷層特征

城郊煤礦二水平底板斷層構造極為發育，大中型斷層數量較少，小型斷層占大多數，大部分為正斷層，斷層構造發育簡圖如圖1所示。斷層走向在0°～360°區間基本上呈現均勻分布，且走向以NE、NW為主，近SN方向較少，斷層走向玫瑰花圖，如圖2所示。斷層傾角主要集中在41°～70°之間，約占斷層總數的95%左右，可見二水平底板以高角度斷層發育為主，且斷層落差以小于5m的最多。由于小斷層數量多，勘探精度較低，多數是在采掘過程中被揭露的，因此是礦井水害防治的重點對象。

圖1 城郊煤礦二水平底板斷層分布與網格劃分

圖2 底板斷層走向玫瑰花圖

2.2 斷層密度分布

在城郊煤礦二水平二2煤層底板斷層分布圖的基礎上，以500m×500m的正方形將其總共劃分為160個塊段，依次編號為K1～K160，如圖1所示。然后對每個塊段的斷層數量進行統計，依次得出各個塊段的斷層密度，將得到的斷層密度統計數據，通過ArcGIS空間插值克里金法進行數據處理，得到了斷層密度等值面平面圖，如圖3所示。

圖3 底板斷層密度等值面

由圖3中可以看出，該區斷層密度東西部大多在15條/km2以上，表明二水平總體斷層構造格局復雜，從井田的斷層密度分布可以看出，中部地段的密度相對較小，分布區間主要8條/km2以下。

2.3 斷層強度分布

對每個塊段的斷層落差和延伸長度分別進行統計，斷層強度可以采用式(1)進行計算：

式中，Li為單元內第i條斷層的水平延伸長度，m；Hi為第i條斷層的落差，m；S為統計面積，104m2。

根據依次算出每個段塊的斷層強度，將得到的斷層強度統計數據通過ArcGIS空間插值克里金法進行數據處理，得到了研究區斷層強度等值面平面圖，如圖4所示。

圖4 底板斷層強度等值面

由圖4中可以看出，該區斷層強度大多在500以上，表明井田的總體斷層構造格局復雜，從井田的斷層強度分布可以看出，中部地段的強度相對較小，分布區間主要500以下。根據斷層強度等值面圖可以看出，強度高的地區，一般是大中型斷層延伸長度較長的區域；強度低的區域，一般是小型斷層所在區域。

3 二水平底板突水系數法危險性分區

2018年9月實施的《煤礦防治水細則》中的突水系數計算公式如式(2)：

T=P/M

(2)

式中，T為突水系數，MPa/m；P為含水層水壓，MPa；M為隔水層厚度，m。

突水系數值來衡量承壓開采所導致的煤層底板突水危險性，即單位隔水層厚度所能承受的極限水壓，突水系數越大，表明突水的危險性也就越大。

城郊煤礦二水平二2煤層底板距離最近的含水層為L11太灰含水層，且通過礦山長期的水文地質觀測資料可以確定該含水層的水壓為4.6MPa。L11太灰含水層與二水平二2煤層底板之間的直接隔水層為山西組底部泥巖、砂質泥巖隔水層。通過礦山歷年的地質鉆孔資料，可以對該隔水層的厚度進行統計分析，從而計算得到在L11太灰含水層直接威脅下，二水平二2煤層底板的突水系數。結合鉆孔孔位信息，便可以繪制出突水系數等值線，如圖5所示。

圖5 底板突水系數等值線

從圖5中可以主直觀的看出，二水平二2煤層底板東西兩側的突水系數明顯大于中間位置，這是因為兩側的隔水層厚度較薄，且變化較大所致。

4 基于分形分維理論的底板突水危險性分區

分形分維理論是法國數學家Manderbrot于1975年率先提出的，在具有相似性的曲線與圖形及自反射分形集等方面有較多研究與應用[10，11]。分形理論作為研究不規則形體的自相似性與復雜性的理論，為定量化研究地質構造的復雜性提供了一種新方法[12]。分形分維理論作為評價斷層復雜程度的優越性十分明顯，可以將斷層的數量、水平延伸長度、斷層分布范圍和分布的不均勻性等關鍵信息綜合涵蓋，可以作為礦井地質構造復雜程度的綜合性指標。故本文采用基于礦區二水平斷層構造跡線的分形分維評價方法對其底板斷層發育的復雜程度進行定量評價[13]。

4.1 分形分維基本理論

目前研究斷層構造主要應用較多的是具有自相似性的分形，即線性分形。可以采用網格覆蓋法在斷層網格上計算分維值，即用尺寸為r的網格去覆蓋斷層構造跡線，記錄下含有斷層跡線的網格數N(r)，再用按一定比例縮小后的尺寸ri的網格繼續覆蓋，再得到相應的網格數N(ri)，繪制一條以ln(r)-lnN(r)為橫豎坐標軸的雙對數曲線，經過線性擬合后其直線斜率就是分形維數[14，15]。

根據二水平劃分的160個網格塊段，可得到每種網格間距下塊段內的斷層跡線的網格數。采用雙對數坐標系，以K1塊段為例，計算結果如圖6所示，由圖6可知，K1塊段的分形維數為0.903，相關系數R2為0.967，按此方法依次計算出剩余塊段的分形維數。

圖6 塊段K1分維值計算

4.2 二水平底板構造復雜程度分區

通過雙對數線性回歸分析表明，斷層網絡分布的單元數據相關系數較大，絕大多數相關性好，擬合直線的斜率即為該單元的斷層相似維值。單元網格中心的分維值即相似維值，反映斷層的復雜程度。然后將網格單元的中心經緯度和斷層相似維值繪制斷層的分維等值線平面圖，得到底板二水平斷層分維平面分布，如圖7所示。從圖7中還可以看出，分維值高的地區，屬于斷裂構造復雜區域，往往就是斷裂構造非常發育的區域，一般斷裂交叉點多，斷裂的規模也比較大；分維值低的區域，屬于斷裂構造簡單區域，實際條件斷裂構造一般較為稀疏，斷裂出現交叉的情況也較少，斷裂的規模一般也不大，對開采較為有利。

圖7 城郊煤礦斷層復雜程度分維值平面分區分布

4.3 與突水系數法的對比分析

綜合斷層復雜程度分形分維值與突水系數值，將兩種危險性評價方法擬合在一起，整體觀察該研究區的突水危險性，得到突水危險性綜合評價圖，如圖8所示。由圖8還可以看出，在二水平底板突水不安全區或安全區同時也是斷層構造復雜區或簡單區，二者在一定程度上存在關聯對應關系。由兩種危險性評價方法綜合得出城郊煤礦二水平底板的東西部開采突水危險性大，開采不安全；而在二水平礦區的中部，則是比較安全，但也不是絕對的，因為從圖8可看出在該區的北部也出現構造復雜地區它的突水系數值卻不大，或者突水系數值較大的地區構造復雜程度比較簡單，這也與構造分布程度有一定的關系。

圖8 突水危險性綜合對比分區評價

5 結 論

1)運用突水系數法繪制的城郊煤礦二水平二2煤層底板突水系數等值線和運用分形分維理論計算得到的底板斷層構造復雜程度分布，均可以直觀的得出二水平底板東西部突水危險性較中部位置較大。

2)結合突水系數法和分形分維發對二水平底板突水危險性進行了量化與綜合對比分析評價。表明兩種方法的評價結果具有較好的一致性。斷裂構造復雜程度分維值與突水系數值存在明顯的正相關性，斷裂構造復雜區域則對應的突水系數值明顯偏大，綜合對比得到了二水平煤層底板在東部和西部突水危險性均較大，中間區域偏安全。