五圖- 雙系數(shù)三級判別法在紫金煤礦底板突水評價中的應(yīng)用

穆金霞

（中國煤炭地質(zhì)總局第一水文地質(zhì)隊，河北 邯鄲 056004）

1 基本原理

為防止煤層底板突水事故發(fā)生，需對煤礦進(jìn)行底板突水危險性評價，目前評價底板突水的方法很多，如突水系數(shù)法、多源信息復(fù)合法、GIS與ANN 耦合技術(shù)法、脆弱性指數(shù)法等，由于以上方法需通過專門的勘探手段獲得，存在局限性，故選用“五圖—雙系數(shù)三級判別法”對煤層底板突水進(jìn)行評價。

五圖—雙系數(shù)三級判別法是一種帶壓開采工作面評價技術(shù)。帶壓開采技術(shù)用于采煤工作面評價時涉及許多細(xì)致的工作內(nèi)容，其中最重要的是圍繞“五圖”、“雙系數(shù)”和“三級判別”來進(jìn)行，如圖1 所示。

圖1“五圖雙系數(shù)三級判別法”流程Fig.1 Flowchart of"five-figure double-coefficient three-level discrimination"

“五圖”包括底板保護(hù)層破壞深度等值線圖（第一圖）、底板保護(hù)層厚度等值線圖（第二圖）、煤層底板上的水頭等值線圖（第三圖）、有效保護(hù)層厚度等值線圖（第四圖）、帶水壓開采評價圖（第五圖）。

“雙系數(shù)”為帶壓系數(shù)和突水系數(shù)，帶壓系數(shù)為《煤礦防治水細(xì)則》中T=P/M公式確定，評價臨界值取T=0.06 MPa/m，突水系數(shù)依據(jù)《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》 中Tt＝P/(M-Cp)公式計算，評價臨界值也取0.06 MPa/m。

“三級判別”的概念和意義是與雙系數(shù)配合用來判別突水與否，以及突水形式和突水量變化的3個指標(biāo)，Ⅰ級是判別工作面必然發(fā)生直通式突水的指標(biāo)；Ⅱ級是判別工作面發(fā)生非直通式突水可能性及其突水形式的指標(biāo)；Ⅲ級是判別已被Ⅱ級判別定為突水的工作面其突水量變化狀況的指標(biāo)。

2 應(yīng)用實例

現(xiàn)利用“五圖—雙系數(shù)三級判別法”對紫金煤礦15 號煤層進(jìn)行突水危險性評價。

2.1 礦井地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

研究區(qū)西部二疊系上石盒子組、下石盒子組和山西組地層出露，東部大面積被第四系覆蓋。區(qū)內(nèi)賦存地層由老到新依次為奧陶系上馬家溝組、峰峰組，石炭系本溪組、太原組，二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組、石千峰組，三疊系劉家溝組，新近系，第四系。主要可采煤層為山西組6 號煤層和太原組15 號煤層。

研究區(qū)總體為單斜構(gòu)造，地層走向東、傾向南，傾角5°～14°，共發(fā)現(xiàn)28 條正斷層，其中落差大于5 m 的斷層5 條，陷落柱13 個，區(qū)內(nèi)無巖漿巖侵入，地質(zhì)構(gòu)造簡單。

研究區(qū)位于山西娘子關(guān)泉域巖溶地下水系統(tǒng)西北部徑流區(qū)，含水層由上至下劃分為第四系松散孔隙含水層，二疊系砂巖裂隙含水層，石炭系砂巖夾灰?guī)r裂隙含水層，奧陶系巖溶裂隙含水層。其中主要含水層為山西組砂巖裂隙含水層，石炭系太原組砂巖夾灰?guī)r裂隙含水層，奧陶系巖溶裂隙含水層。

（1） 山西組砂巖裂隙含水層。山西組是主要的含煤地層，含水層以中- 粗粒砂巖為主，厚度0.5～48.14 m，平均厚度18.57 m。據(jù)BK2、ZK202號鉆孔抽水資料，單位涌水量0.0013～0.0096 L/s·m，據(jù)簡易水文資料，多數(shù)鉆孔山西組地層泥漿消耗量較小，一般小于0.50 m3/h。表明該組地層裂隙一般不發(fā)育，個別地段雖然節(jié)理裂隙較發(fā)育，但多為干裂隙或被充填，含水層富水性弱。

（2） 石炭系太原組砂巖夾灰?guī)r裂隙含水層。含水層巖性為中砂巖、細(xì)砂巖及灰?guī)r，厚度4.75～48.14 m，平均厚度26.03 m。該含水層包括K2、K3、K4 三層灰?guī)r，灰?guī)r總厚度平均為7.52 m，裂隙、溶隙較發(fā)育多被充填。據(jù)BK2、ZK202 號鉆孔抽水資料，單位涌水量0.0012～0.0027 L/s·m，含水層富水性弱。

（3） 奧陶系巖溶裂隙含水層。峰峰組含水層巖性主要為石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，上馬家溝組含水層主要為石灰?guī)r、花斑灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r。據(jù)以往抽水資料知峰峰組與上馬家溝組富水性差異較大，峰峰組含水層單位涌水量0.000 1～0.002 2 L/s·m，富水性弱，上馬家溝組含水層單位涌水量0.001～0.201 6 L/s·m，富水性弱- 中等。研究區(qū)內(nèi)奧灰水位標(biāo)高為+748—+752 m，6 煤底板標(biāo)高為-20—+680 m；15 煤底板標(biāo)高為-120—+580 m。6、15號煤層均位于奧灰水位以下，屬帶壓開采。

2.2 參數(shù)選取

采用研究區(qū)內(nèi)以往施工的7 個鉆孔資料（表1），通過計算得出15 號煤層水頭壓力值3.73～6.36 MPa，由西北向東南逐漸增大（圖2）；15 號煤層底板保護(hù)層厚度值71.13～104.81 m，由東中部向兩側(cè)逐漸增大（圖3）；15 煤底板導(dǎo)水破壞帶深度為20.93～23.85 m，由西北向東南逐漸增大（圖4）；15 號煤層底板有效保護(hù)層厚度一般為49.61～83.88 m，由中部向兩側(cè)逐漸增大（圖5）。

表1 15 號煤層底板突水相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 1 Relevant data statistics of water inrush from No.15 coal seam floor

依據(jù)帶壓系數(shù)T＝P/M計算得出15 煤底板奧灰水帶壓系數(shù)0.036～0.072 MPa/m，依據(jù)“突水系數(shù)”Tt＝P/(M-Cp)計算得出15 煤底板奧灰水突水系數(shù)0.044～0.098 MPa/m，研究區(qū)內(nèi)帶壓系數(shù)和突水系數(shù)總體由西北向東南逐漸增大，如圖6、圖7 所示。

圖6 2 號煤層構(gòu)造對比Fig.6 Structural comparison of No.2 coal seam

2.3 評價結(jié)果

通過對破壞深度圖、保護(hù)層厚度圖、水頭分布圖、有效保護(hù)層圖綜合分析研究，結(jié)合帶壓系數(shù)圖及突水系數(shù)圖，再配合“三級判別”進(jìn)行帶壓分區(qū)，如圖8 所示。

圖8 15 號煤層底板奧灰水突水危險性評價分區(qū)Fig.8 Ordovician limestone water inrush risk evaluation zone of No.15 coal seam floor

（1） 15 號煤層全井田帶壓。井田北部“雙系數(shù)”均小于0.06 MPa/m 的地段，屬于Ⅲ級評價的范疇，底板“有效保護(hù)層”阻抗水頭壓力的能力較強，正常情況下工作面發(fā)生非直通式突水的可能性極小。

（2） 在井田中北部，帶壓系數(shù)小于0.06 MPa/m，突水系數(shù)大于0.06 MPa/m 的地段，屬于Ⅱ級評價的范疇，發(fā)生突水的可能性小，但“有效保護(hù)層”阻抗水頭壓力的能力較低，增加了發(fā)生突水的可能性，同時遇斷裂構(gòu)造時有發(fā)生突水的可能。

（3） 井田南部“雙系數(shù)”均大于0.06 MPa/m的地段，屬于Ⅰ級評價的范疇，“有效保護(hù)層”阻抗水頭壓力的能力低，在構(gòu)造地段工作面必然發(fā)生直通式突水。在帶壓區(qū)的斷層周圍屬Ⅰ級評價的范疇。

Ⅰ級評價的區(qū)域，15 號煤層帶壓開采安全性較差。Ⅱ、Ⅲ級評價的區(qū)域，總體上15 號煤層帶壓開采安全性較高，但是在Ⅱ、Ⅲ級評價的區(qū)域內(nèi)，應(yīng)加強對各類斷裂構(gòu)造的探查并采取必要的防治措施，以滿足帶壓開采的要求。

3 結(jié) 語

在紫金煤礦15 號煤層的突水預(yù)測分區(qū)中，全面考慮了導(dǎo)致15 號煤層底板突水的主要因素，用五圖- 雙系數(shù)三級判別法進(jìn)行了評價結(jié)果等級劃分。五圖采用煤礦開采中的基本地質(zhì)圖件surfer 生成，直觀方便實用，預(yù)測分區(qū)結(jié)果也更符合煤礦實際水文地質(zhì)條件。結(jié)果顯示，突水危險性較大的區(qū)域（Ⅰ級區(qū)） 分布在井田的南部，面積較大；井田中北部屬于突水危險性較小的區(qū)域（Ⅱ級區(qū)）；井田北部屬于基本安全區(qū)（Ⅲ級區(qū)）。