朱莊煤礦Ⅲ633工作面突水水源識(shí)別

樊迎軍 王來斌 冷傲

摘 要：本文在收集朱莊礦井田及工作面地質(zhì)及水文地質(zhì)資料基礎(chǔ)上，分析了太灰和奧灰長觀測孔水位觀測數(shù)據(jù)及突水點(diǎn)與各含水層水的水質(zhì)分析數(shù)據(jù)，并利用灰色關(guān)聯(lián)度理論進(jìn)行了水質(zhì)關(guān)聯(lián)度分析。結(jié)果表明，Ⅲ633工作面突水水源主要來自Ⅲ632工作面的老空水，其次為Ⅲ631和Ⅲ6213工作面老空水，其補(bǔ)給水源為6煤層頂?shù)装迳皫r裂隙水，并非來源于煤層底板的太灰和奧灰的巖溶裂隙水。

關(guān)鍵詞：突水水源;Piper三線圖;灰色關(guān)聯(lián)

中圖分類號(hào)：TD745文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）08-0075-04

Identification of Water Inrush Source in Ⅲ633 Working

Face of Zhuzhuang Coal Mine

FAN Yingjun WANG Laibin LENG Ao

（School of Earth and Environment， Anhui University of Science and Technology，Huainan Anhui 232001）

Abstract： On the basis of collecting geological and hydrogeological data of Zhuzhuang mine field and working surface， this paper analyzed the water level observation data of Taihui limestone and Ordovician limestone long observation holed and the water quality analysis data of the sudden water points and aquifer water， and made the correlation analysis of water quality by using the grey correlation theory. The results showed that the water source of water inrush in the III633 working face mainly came from the goaf water in the III632 working face， followed by the goaf water in the III631 and III6213 working face， the recharge water source was 6 coal seam top plate sandstone crack water， not from the coal seam bottom plate of Taiyuan limestone and Ordovician limestone karst fissure water.

Keywords： water inrush source;Piper three-line map;grey correlation

礦井突水威脅著煤礦的安全生產(chǎn)，治理突水的重點(diǎn)在于準(zhǔn)確判別突水來源，減少水害事故的發(fā)生。判別突水水源常采用水位水溫法[1]、水化學(xué)分析法和基于數(shù)學(xué)理論的分析方法。宮鳳強(qiáng)等運(yùn)用距離判別法對突水水源進(jìn)行識(shí)別[2]，胡友彪等使用灰色關(guān)聯(lián)度法[3]，徐星等提出基于遺傳BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型法等[4]，均取得了較好的效果。本文針對朱莊礦Ⅲ633工作面突水特征，根據(jù)突水工作面附近長觀孔觀測數(shù)據(jù)和水常規(guī)離子，分析了水位動(dòng)態(tài)變化和水化學(xué)特征，并采用灰色關(guān)聯(lián)度法對突水水源進(jìn)行了判別[5]，進(jìn)一步提高判別的準(zhǔn)確性，對礦井防治水方案設(shè)計(jì)及工作面的安全開采具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

1.1 工作面地質(zhì)條件

朱莊煤礦位于淮北市以東約9 km，含煤地層為石炭—二疊系上下石盒子組和山西組，主采煤層6煤位于下二疊統(tǒng)山西組，厚度為2.6～3.2 m，傾角為14°～23°，煤層結(jié)構(gòu)簡單。井田呈現(xiàn)為寬緩褶曲構(gòu)造，褶曲右翼走向北北西—南南東，傾向南西西，巖層傾角為7°～25°，局部發(fā)育小斷層。

Ⅲ633工作面位于井田東南部的Ⅲ63采區(qū)右翼第二個(gè)工作面，如圖1所示，為單斜構(gòu)造，南東高北西低，工作面位于向斜軸部，軸向北西，共揭露斷層10條，落差為0.4～0.5 m。

1.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)地下水賦存介質(zhì)特征，含水層可劃分為：松散層孔隙含水層、煤系地層砂巖裂隙含水層、灰?guī)r巖溶裂隙含水層。

1.2.1 松散層孔隙含水層。兩極厚度為50.45～96.3 m，平均厚度為69.75 m。上部為粉砂，中部以黏土類礫石為主，局部隔水具承壓性質(zhì)，水位埋深為1.5～3.0 m，單位涌水量為1.8 L/（s·m），滲透系數(shù)為7.64 m/d，礦化度為0.4 g/L，富水性強(qiáng)。

1.2.2 煤系地層砂巖裂隙含水層。其主要分為三層。

1.2.2.1 上石盒子組底部（K3）砂巖裂隙含水層。砂巖厚度為7.24～83.83 m。巖性以細(xì)、中粗粒砂巖為主，裂隙較發(fā)育。單位涌水量為0.002 4～0.590 0 L/（s·m），滲透系數(shù)為0.008～1.510 m/d，富水性弱～中等。

1.2.2.2 下石盒子組3～5煤層間砂巖裂隙含水層。砂巖厚度為1.4～37.1 m。巖性以中、細(xì)粒砂巖為主，局部裂隙較發(fā)育。單位涌水量為0.000 87～0.078 00 L/（s·m），滲透系數(shù)為0.02～0.21 m/d，礦化度為0.63 g/L，富水性弱。

1.2.2.3 山西組6煤層頂?shù)装迳皫r裂隙含水層。砂巖厚度為2.29～50.22m。巖性以中、細(xì)粒砂巖為主，局部砂巖裂隙較發(fā)育。單位涌水量為0.007 4～0.038 0 L/（s·m），滲透系數(shù)為0.038～0.045 m/d，礦化度為0.44～0.58 g/L，富水性弱。

1.2.3 灰?guī)r巖溶裂隙含水層。其主要分為兩層。

1.2.3.1 石炭系太原組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層。平均厚度為158 m，含水層含灰?guī)r14層，其中，對礦井突水影響較大的1～4灰累計(jì)平均厚度為24.98 m，第3、4灰厚度較大，單位涌水量為0.016～2.34 L/（s·m），滲透系數(shù)為0.13～97.16 m/d，礦化度為0.35～0.40 g/L，富水性弱～強(qiáng)。

1.2.3.2 奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層。該層總厚度大于500 m，主要為厚層狀石灰?guī)r。單位涌水量為0.000 98～1.950 00 L/（s·m），滲透系數(shù)為0.002 3～18.330 0 m/d，礦化度為0.34 g/L，富水性弱～強(qiáng)。

2 工作面突水特征及含水層水位變化

2.1 工作面突水特征

2018年7月1日早班，Ⅲ633風(fēng)巷至54.7 m處停止掘進(jìn)，探放Ⅲ631機(jī)巷出現(xiàn)老空水;4日17：00，鉆孔開始出水，水量逐漸增大，水量至80 m3/h時(shí)撤出所有人員;6日09：20左右，水量突然增大，達(dá)240 m3/h，持續(xù)2 min左右，造成Ⅲ63采區(qū)水倉被淹;6日22：00，出水量衰減至30 m3/h;9日10：00，減至24 m3/h。突水特征表明：老空區(qū)集聚了一定的水量，但老空區(qū)水補(bǔ)給條件較差。

2.2 含水層水位動(dòng)態(tài)變化

工作面周邊布置有1個(gè)太灰（90太灰觀1）、3個(gè)奧灰觀測孔（90奧灰觀3、2013奧灰觀1、2014奧灰觀1），位置如圖1所示。選取7月6日突水發(fā)生前后一周的觀測孔水位數(shù)據(jù)，繪制水位變化曲線，如圖2所示。

從圖2可知，Ⅲ633工作面發(fā)生突水后，3個(gè)奧灰觀測孔水位變化不大，變幅僅在0.6 m以內(nèi);太灰觀測孔水位出現(xiàn)上升現(xiàn)象，從7月5日至7日上升了2.5 m，之后水位下降到-6 m，并恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。推測太原組灰?guī)r含水層是接受了大氣降水或其他水源補(bǔ)給[6]，導(dǎo)致含水層水位出現(xiàn)了短暫上升。因此，可以排除突水水源為太灰水及奧灰水的可能。

3 水化學(xué)特征

在分析水文地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，收集整理了礦井16個(gè)不同含水層及突水點(diǎn)的水質(zhì)資料，選取8個(gè)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行突水水源識(shí)別，如表1所示。然后采用AqQA軟件繪制Piper三線圖，如圖3所示。

從圖3可以看出，突水點(diǎn)水樣與編號(hào)7～12水樣的水質(zhì)較為接近，均為HCO3-Na型水，而與地表水及水泥凝結(jié)水水樣的水質(zhì)差別大。這表明突水水源主要來自6煤頂?shù)装搴?～5煤層間砂巖裂隙水。但是，這2個(gè)含水層弱富水性的水文地質(zhì)條件，使得短時(shí)間內(nèi)匯聚大量水的可能性較小。Ⅲ5422工作面內(nèi)7號(hào)水樣距突水點(diǎn)約2.5 km;Ⅲ631工作面內(nèi)8、9號(hào)水樣距突水點(diǎn)約220 m;Ⅲ6213工作面內(nèi)10號(hào)水樣距突水點(diǎn)約790 m;Ⅲ632工作面內(nèi)11號(hào)與12號(hào)水樣距突水點(diǎn)約800 m。發(fā)生突水的Ⅲ633工作面開采標(biāo)高為-540～-445 m，其采掘標(biāo)高均低于上述已采工作面，所以可初步判定突水的補(bǔ)給水源可能為6煤層頂?shù)装迳皫r裂隙含水層水。

4 灰色關(guān)聯(lián)分析

灰色關(guān)聯(lián)分析是將研究對象及影響因素的因子值視為一條線上的點(diǎn)，與待識(shí)別對象及影響因素的因子值所繪制的曲線進(jìn)行比較，通過比較各關(guān)聯(lián)度的大小來判斷待識(shí)別對象與研究對象的影響程度[7]。

4.1 計(jì)算

定義水樣，[X0]為母序列，即出水點(diǎn)的水化學(xué)數(shù)據(jù)列，[Xj]為子序列，代表其他含水層水樣的水化學(xué)數(shù)據(jù)列。對所有水化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行均值化處理，計(jì)算公式為：

[x'jk=xjk/18k=18xjk]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：[x'jk][為]標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值;[k]為比較因子;[j]為子序列個(gè)數(shù);[xjk]為第[j]列的第[k]個(gè)數(shù)據(jù)，[j=1，2…，N]，[N] =15，[k=1，2，…，n]，[n]為水質(zhì)指標(biāo)數(shù)量，[n]=8。

求取數(shù)列的絕差數(shù)列，并確定數(shù)列兩級(jí)差，計(jì)算公式為：

[Δ0jkmin=minjminkx0k-xjkΔ0jkmax=maxjmaxkx0k-xjkΔ0jk=x0k-xjk]? ? ? ? ?（2）

式中：[Δ0jk]為絕差數(shù)列，表示第[j]列子序列與母序列第[k]個(gè)數(shù)據(jù)的絕對差值;[Δ0jkmin]為兩級(jí)最小差，找出[x0]序列與[xj]序列對應(yīng)各點(diǎn)的列最小差，形成按[j=1，2，…，N]排列的最小差列，在此基礎(chǔ)上找出序列中的最小差;[Δ0jkmax]為兩級(jí)最大差。

計(jì)算參考數(shù)列與被比較數(shù)列的關(guān)聯(lián)系數(shù)，計(jì)算公式為：

[ξ0j=Δ0j（k）min+ρΔ0j（k）maxx0（k）-xj（k）+ρΔ0j（k）max]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中：[ξ0j]為第[j]個(gè)子序列[xj]與母序列[x0]第[k]個(gè)元素的關(guān)聯(lián)系數(shù);[ρ]為分辨系數(shù)，一般取0.5。

計(jì)算參考數(shù)列與比較數(shù)列的灰色關(guān)聯(lián)度，計(jì)算公式為：

[r0j=1kk=18ξ0j（k）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

式中：[r0j]未灰色關(guān)聯(lián)度，其大小反映了母序列與子序列之間的關(guān)聯(lián)程度。

4.2 結(jié)果與討論

按照如上步驟對水樣數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，具體結(jié)果如表2所示。

通過分析，Ⅲ5422和Ⅲ632工作面水樣關(guān)聯(lián)度最高，其次是Ⅲ6213和Ⅲ631工作面。這表明這些工作面老空水均有可能為突水水源，它們的補(bǔ)給水源為6煤頂?shù)装搴?～5煤層間的砂巖裂隙水。

根據(jù)位置關(guān)系，Ⅲ5422工作面距突水點(diǎn)最遠(yuǎn)，且工作面之間沒有較大的斷裂構(gòu)造，不具備良好的導(dǎo)水通道，可以排除突水水源為Ⅲ5422老空水。Ⅲ631工作面與Ⅲ633工作面較近，但只有距突水點(diǎn)近的8號(hào)水樣關(guān)聯(lián)度較高，而較9號(hào)水樣相對較低，表明突水水源只與突水點(diǎn)近的老空水有關(guān)。Ⅲ632工作面與突水點(diǎn)近，且與水樣關(guān)聯(lián)度高，共揭露25條小斷層，具備良好的導(dǎo)水通道，表明該工作面老空水是突水的主要水源。Ⅲ6213工作面揭露小斷層8條，與Ⅲ632工作面通過巷道相連通，其內(nèi)老空水為次要突水水源。

綜上可知，Ⅲ633工作面突水水源主要為Ⅲ632老空水，其次為Ⅲ631和Ⅲ6213工作面老空水，老空水的補(bǔ)給水源為6煤頂?shù)装迳皫r裂隙水。

5 結(jié)論

朱莊礦Ⅲ633工作面突水量急劇增大，快速衰減，表明突水水源為采空區(qū)老空水;從突水點(diǎn)附近觀測孔水位變化和突水水樣與其他各含水層水質(zhì)分析資料可知，突水的補(bǔ)給水源為6煤頂?shù)装迳皫r裂隙水，并不是來自煤層底板灰?guī)r巖溶裂隙水;通過突水水源的灰色關(guān)聯(lián)分析，并結(jié)合水文地質(zhì)條件可知，突水水源主要為Ⅲ632工作面老空水，其次為Ⅲ631和Ⅲ6213工作面老空水。

參考文獻(xiàn)：

[1]王來斌，朱傳峰，王大設(shè).孫疃煤礦1028工作面底板突水特征與水源識(shí)別[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009（4）：13-16.

[2]宮鳳強(qiáng)，魯金濤.基于主成分分析與距離判別分析法的突水水源識(shí)別方法[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2014（2）：236-242.

[3]胡友彪，鄭世書.灰色關(guān)聯(lián)度法在新河煤礦礦井水源判別中的應(yīng)用[J].中國煤田地質(zhì)，1996（4）：50-51.

[4]徐星，田坤云，鄭吉玉.基于遺傳BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的礦井突水水源判別[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2017（11）：21-24.

[5]張淑瑩，胡友彪，琚棋定.基于水化學(xué)特征分析判別朱集礦礦井突水水源[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2018（6）：53-56.

[6]翟加文.朝川礦一井21070工作面突水原因分析[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2011（2）：57-59.

[7]郝彬彬，李沖，王春紅.灰色關(guān)聯(lián)度在礦井突水水源判別中的應(yīng)用[J].中國煤炭，2010（6）：20-22.