汾源煤業(yè)5-1022巷掘進工作面陷落柱突水危險性評價分析

秦曉悅

（霍州煤電集團 晉北能化有限責任公司，山西 靜樂035000）

1 概 況

山西焦煤霍州煤電集團汾源煤業(yè)5-1022巷位于一采區(qū)三條下山南翼，東部、南部、西部為未開采實體煤，東部距小煤窯警戒線最近距離為118 m，巷道沿5號煤層底板掘進，總設(shè)計長度780m。5號煤層平均厚度為10.4 m，平均傾角25°，煤層頂?shù)装鍘r層特征見表1。

表1 煤層頂?shù)装鍘r層特征Table 1 Strata characteristics of roof and floor of coal seam

根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，5-1022巷掘進工作面頂板主要含水層太原組石灰?guī)r巖溶裂隙水，含水層富水弱，對巷道掘進期間無危險影響，5號煤層底板距下覆奧灰頂面平均間距為65 m，奧灰單位涌水量為0.00 427～26.75 L/s·m，含水層的滲透系數(shù)為0.05～304 m/d，奧灰頂部水壓為6 MPa。巷道掘進工作面前方40 m的位置處存在X14巖溶陷落柱，陷落柱長軸和短軸寬度分別為30 m和11 m，陷落柱內(nèi)充填物矸石和黃泥。效評價巷道掘進工作面陷落柱區(qū)域時是否會導(dǎo)致奧灰水突水現(xiàn)，進行掘進工作面陷落柱區(qū)域突水危險性評價分析。

2 突水主要評價因素

采用單一指標進行陷落柱突水危險性評價的準確性低，因此基于模糊綜合評判方法理論，結(jié)合5-1022巷的具體地質(zhì)條件，選取5個主要因素，劃分為14項指標構(gòu)件相應(yīng)的評價等級，具體各類影響因素的影響機理及方式如下。

（1）巖溶地下水徑流條件。巖溶陷落柱內(nèi)地下水徑流條件是影響陷落柱導(dǎo)水能力的主要因素，地下水徑流會直接影響陷落柱是否發(fā)生突水。結(jié)合5-1022巷的地質(zhì)條件，選取奧陶系灰?guī)r含水層巖溶地下水徑流的4個影響因素，分別為含水層滲透系數(shù)、水力坡度、單位涌水量和頂板水壓，具體各項影響因素等級見表2。

表2 巖溶陷落柱突水主要影響因素等級Table 2 Main influencing factors of water inrush of Karst collapsed column

（2）陷落柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其導(dǎo)水性。巖溶陷落柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜多樣性，根據(jù)眾多理論研究，巖溶陷落柱內(nèi)的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 巖溶陷落柱內(nèi)部典型結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical structure inside karst collapse column

結(jié)合巷道X14陷落柱的具體條件，選取陷落柱柱體的比例、泥石漿壓實程度、泥石漿膠結(jié)程度及陷落柱柱壁裂隙發(fā)育程度這4個指標進行巖溶陷落柱導(dǎo)水性的評價分析，具體各項影響因素等級見表3。

表3 陷落柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其導(dǎo)水性因素等級Table 3 Internal structure of collapse column and its conductivity factor grade

（3）關(guān)鍵隔水層段。若采掘工作面與陷落柱間存在較厚的軟弱隔水層，則陷落柱區(qū)域不易發(fā)生突水事故；關(guān)鍵隔水層結(jié)構(gòu)在采掘動壓擾動下出現(xiàn)破斷，若此時巖層破斷裂隙區(qū)域內(nèi)能夠被有效充填，裂隙閉合，則結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層可形成復(fù)合關(guān)鍵隔水層。針對關(guān)鍵隔水層選取隔水總厚度、隔水層巖性組合的防突能力進行關(guān)鍵隔水層性能的判斷，隔水層總厚度采用Ⅰ～Ⅳ分別代表極厚、較厚、較薄和極薄；隔水層巖性組合防突能力采用Ⅰ～Ⅳ分別代表極強、較強、較強和極強。

（4）采掘工程擾動。針對采掘工程擾動方面選取采掘工程的類型、工作面尺度和采掘工程與陷落柱位置三個因素進行采掘工程擾動特征的衡量；其中工作面尺度方面，采用Ⅰ～Ⅳ分別代表極小、較小、較大和極大；與陷落柱的位置關(guān)系方面，采用Ⅰ～Ⅳ分別代表極遠、較遠、較近和極近。

（5）巖溶陷落柱周邊地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況。選取構(gòu)造發(fā)育密度和構(gòu)造性質(zhì)進行陷落柱周邊地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況的評價，構(gòu)造發(fā)育密度采用Ⅰ～Ⅳ分別代表極疏、較疏、較密和極密；構(gòu)造性質(zhì)采用Ⅰ～Ⅳ分別代表極安全、較安全、較危險和極危險。

3 突水危險性評價

選取模糊綜合評判法作為評價X14陷落柱是否具有突水危險性的評價方法。Ⅰ～Ⅳ相應(yīng)指標分別賦予1～4的邊界值，通過線性插值法確定隸屬函數(shù)：

（1）陷落柱所處區(qū)域水文情況。根據(jù)礦井地質(zhì)可知，X14陷落柱處于地面河流強徑流帶上，陷落柱上部夾有少量角礫泥灰?guī)r，下部夾角礫狀灰?guī)r，厚度為218.4～229.74 m，中部富水性較強，奧灰水的滲透系數(shù)為0.05～304 m/d，單位涌水量0.00 427～26.75 L/s·m，奧灰頂部水壓為6 MPa。

（2）陷落柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)及周邊構(gòu)造。對巖溶陷落柱進行地震勘探、綜合物探和鉆探后，得出陷落柱柱壁裂隙無明顯發(fā)育特征，工作面內(nèi)共計發(fā)育4條斷層，斷層落差0.4～1.8 m，根據(jù)鄰近巷道揭露情況可知，斷層均為小斷層。

（3）關(guān)鍵隔水層特征。5號煤層與砂巖巖溶裂隙含水層間的平均間距為45.77 m，隔水巖層主要由粉砂巖和粘土巖組成，該類巖層具有較好的隔水性能。

（4）采掘工作面特征。5號煤層平均厚度為10.4 m，平均傾角25°，5-1022巷道距陷落柱邊緣為5 m。

（5）因素權(quán)重的確定。采用AHP法進行決策，通過建立層次分析模型、分層次構(gòu)造判斷矩陣、采用層次單排序及一致性檢驗，最后進行層次總排序及一致性檢驗，得出陷落柱各影響因素的權(quán)重值，見表4。

表4 影響因素指標權(quán)重Table 4 Index weights of influencing factors

基于上文中提出的隸屬函數(shù)，求出模糊關(guān)系的矩陣：

進行一級模糊評判，得出：

二級模糊關(guān)系矩陣R為：

二級模糊評判：

基于最大隸屬度原則，得出評價值B=0.399，據(jù)此評價得出X14陷落柱具有極大的突水危險性，在5-1022巷掘進通過該陷落柱時，需采取有效的堵水和降水措施，保障巷道安全掘進。

4 結(jié) 語

根據(jù)汾源煤業(yè)5-1022巷道及X14陷落柱的具體特征，分析得出影響陷落柱突水的主要影響因素分別為巖溶地下水徑流條件、陷落柱所處區(qū)域水文情況、關(guān)鍵隔水層段、采掘工程的擾動、巖溶陷落柱周邊地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況，通過模糊綜合評判法建立隸屬函數(shù)，劃分各影響因素權(quán)重，根據(jù)二級模糊評判結(jié)果得出X14具有極大的突水危險性，為巷道掘進工作面通過X14陷落柱區(qū)域提供參考。