慈林山9號煤層頂板含水層富水性分區分析與研究

張楠

（潞安化工集團慈林山煤業有限公司慈林山煤礦，山西 長子046605）

1 概 況

山西潞安集團慈林山煤礦9號煤層為礦井主采煤層，煤層平均厚度為1.12 m，平均傾角3°，局部含有一層夾矸，煤層結構簡單，煤層頂板巖層為石灰巖、泥巖，底板巖層為泥巖、細粒砂巖，具體煤層頂底板巖層特征見表1。根據煤層地質資料可知，9號煤的直接充水含水層為頂板砂巖裂隙含水層及巖溶裂隙含水層，9號煤層回采工作面開采時形成的導水裂隙，可能溝通K5石灰巖含水層及上覆其他它各含水層，現為確保9107工作面順利開采，需掌握9號煤層頂板含水層的富水特征。

表1 煤層頂底板巖層特征Table 1 Strata features of coal seam floor

2 富水性評價方法

根據工作面頂板砂巖裂隙含水層、巖溶裂隙含水層和K5石灰巖含水層的地質條件，從含水層組成要素出發，通過具體分析頂板含水層的補給條件和儲存空間，進行含水層空間分布特征分析，以此對頂板各含水層的富水性進行評價。富水性評價的基本步驟主要為5步，分別為構建富水性評價指標體系、量化指標體系、確定指標權重、計算單層含水層富水性、確定復合含水層綜合富水性驗證富水性分區結果，如圖1所示。

圖1 富水性評價思路Fig.1 Water richness evaluation process

（1）評價指標體系的構建。頂板含水層構成的三要素分別為隔水性能良好的巖層、儲存空間及補給源，其中決定含水層富水性強弱的主要因素為含水層的補水源及儲存空間。現根據慈林山礦井地質鉆孔資料，依據含水層的補給性質、導水系數、含水層厚度、砂地比及含水巖層等參數建立指標體系，如圖2所示。

圖2 頂板含水層富水性分區評價體系Fig.2 Water richness division evaluation system of roof aquifer

（2）評價指標的量化。含水層補給性質直接決定含水層的富水性，根據慈林山礦井地質資料可知，頂板砂巖裂隙水含水層水量衰減快、補給條件相對較差，且含水層區域內斷層發育較少，結合《煤礦防治水細則》中對于含水層補給條件的分類，確定砂巖裂隙含水層的富水性為弱-極弱富水性，巖溶裂隙含水層和K5灰巖含水層的整體富水性也表現為弱-極弱。根據礦井沉積規律及劃分地層結果，通過對礦井范圍內鉆孔數據的統計分析，能夠得出頂板砂巖裂隙含水層、巖溶裂隙含水層和K5石灰巖含水層富水性分散點圖，如圖3所示。

圖3 頂板含水層導水系數富水性散點Fig.3 Water richness scattered points of roof aquifer conductivity coefficient

（3）權重確定。根據國內外眾多理論研究結論，結合9號煤層的地質條件，采用層次分析法進行含水層各項影響指標權重的計算。首先分析各指標間的關系，建立指標體系遞階層次結構，隨后根據同一層次的各項指標的重要性進行比較分析，構造出相應的判斷矩陣計算各項指標的相對權重，最后得出各項指標的合成權重。具體9號煤層頂板含水層各級指標權重確定時層次結構模型如圖4所示。

圖4 頂板含水層富水性評價層次結構模型

根據礦井地質條件及9號煤層具體特征，基于井田范圍內地層沉積相及導水裂隙帶范圍內含水層厚度等參數，通過層次分析法計算得出各含水層一級權重判斷矩陣及權重，結果見表2。

在進行二級指標權重確定時，只考慮含水層的補給性質、導水系數、含水層厚度、砂地比和含水層層數5項影響因素，見表3。

綜合表2和表3中的數據，計算得出一級權重的最大特征值為3.0649，CI=0.0324，CR=0.0624<0.1；二級權重最大特征值為5.2317，CI=0.0579，CR=0.0517<0.1。一級判斷矩陣和二級判斷矩陣均在合理范圍內，權重劃分合理。

表2 9號煤層頂板含水層一級權重判斷矩陣和結果Table 2 The first level weight judgment matrix and results of No.9 coal seam roof aquifer

表3 9號煤層頂板含水層二級權重判斷矩陣和結果Table 3 The second level weight judgment matrix and results of No.9 coal seam roof aquifer

綜合一級權重和二級權重的劃分表格得出9號煤層區域內各項指標權重數據，見表4。

表4 9號煤層頂板含水層各指標權重結果Table 4 Matrix and results of No.9 coal seam roof aquifer

3 富水性分布與驗證

3.1 含水層富水性分區

基于上述富水性評價方法及各項指標權重數據，通過進行各單層含水層富水性的疊加計算，采用多元地學信息數據進行疊加，得出富水性指標大小，具體計算公式如下：

式中：Fi為單層含水層富水性指數；k為指標個數；Wk（i）為二級指標的權重。結合工作面地質條件及表4中的數據，得出單層評價模型如下：

頂板含水層的富水性大致劃分為極弱、弱、中等、強和極強，劃分的界限F值分別為2、4、6、8和10。

基于一級指標權重，通過對單層含水層富水性的疊加計算得出9號煤層頂板含水層富水性的綜合指標，計算公式如下：

式中：F為含水層富水性的綜合指數；Wi(j)為一級權重指數。

結合上述單層含水層的富水性指數結果，得出9號煤層頂板含水層富水性綜合評價模型如下：

9號煤層頂板含水層富水性為弱-中等型，弱富水區域、中等富水區域分別占72%和28%，頂板含水層的富水性主要受到補給條件和沉積特性的共同控制，具體頂板含水層富水性的分布如圖5所示。

圖5 煤層頂板含水層綜合富水性分區Fig.5 Water richness division of coal seam roof aquifer

3.2 評價結果驗證

在慈林山9107工作面回采作業前，分別通過鉆孔驗證及瞬變電磁驗證的方式進行頂板含水層富水性的驗證分析，共計布置3個水文驗證鉆孔，3個水文觀測孔的單位涌水量分別為0.031、0.027和0.034 L/（s·m），富水性特征均為弱富水性，對比富水性評價分區圖可知，打設的3個水文鉆孔均分布在劃定的弱富水性區域。

另外在9107工作面回采前進行瞬變電磁探測，基于探測結果分別對工作面頂板40、60及80 m的位置進行切片，得出工作面頂板瞬變電磁圖，如圖6所示。

從圖6中能夠看出，9107工作面開切眼前600 m的范圍屬于富水性較弱的區域，該區域內鉆孔終孔水量為20 m3/h，富水性相對較強區域位于距切眼1 300～2 400 m的位置處，對比富水性評價分區圖可知，9107工作面富水性較強區域和較弱區域均與9號煤層頂板含水層富水性分區結果相一致。

圖6 頂板含水層瞬變電磁切片Fig.6 Transient lectromagnetic slice of roof aquifer

4 結 語

根據慈林山9號煤層賦存條件及頂板含水層特征，通過富水性評價方法及步驟，確定出9號煤層區域內各項指標權重，結合煤層特征，得出9號煤層頂板綜合富水性屬于中-弱性，其中弱富水區域、中等富水區域分別占到72%和28%，并通過9107工作面驗證了9號煤層富水性劃分結果的準確性。