五圖- 雙系數三級判別法在紫金煤礦底板突水評價中的應用

穆金霞

（中國煤炭地質總局第一水文地質隊，河北 邯鄲 056004）

1 基本原理

為防止煤層底板突水事故發生，需對煤礦進行底板突水危險性評價，目前評價底板突水的方法很多，如突水系數法、多源信息復合法、GIS與ANN 耦合技術法、脆弱性指數法等，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—雙系數三級判別法”對煤層底板突水進行評價。

五圖—雙系數三級判別法是一種帶壓開采工作面評價技術。帶壓開采技術用于采煤工作面評價時涉及許多細致的工作內容，其中最重要的是圍繞“五圖”、“雙系數”和“三級判別”來進行，如圖1 所示。

圖1“五圖雙系數三級判別法”流程Fig.1 Flowchart of"five-figure double-coefficient three-level discrimination"

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

“雙系數”為帶壓系數和突水系數，帶壓系數為《煤礦防治水細則》中T=P/M公式確定，評價臨界值取T=0.06 MPa/m，突水系數依據《礦區水文地質工程地質勘探規范》 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，Ⅰ級是判別工作面必然發生直通式突水的指標；Ⅱ級是判別工作面發生非直通式突水可能性及其突水形式的指標；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。

2 應用實例

現利用“五圖—雙系數三級判別法”對紫金煤礦15 號煤層進行突水危險性評價。

2.1 礦井地質及水文地質條件

研究區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。區內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。

研究區總體為單斜構造，地層走向東、傾向南，傾角5°～14°，共發現28 條正斷層，其中落差大于5 m 的斷層5 條，陷落柱13 個，區內無巖漿巖侵入，地質構造簡單。

研究區位于山西娘子關泉域巖溶地下水系統西北部徑流區，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，石炭系砂巖夾灰巖裂隙含水層，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巖裂隙含水層，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BK2、ZK202號鉆孔抽水資料，單位涌水量0.0013～0.0096 L/s·m，據簡易水文資料，多數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育，個別地段雖然節理裂隙較發育，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巖裂隙含水層。含水層巖性為中砂巖、細砂巖及灰巖，厚度4.75～48.14 m，平均厚度26.03 m。該含水層包括K2、K3、K4 三層灰巖，灰巖總厚度平均為7.52 m，裂隙、溶隙較發育多被充填。據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巖、白云質灰巖，上馬家溝組含水層主要為石灰巖、花斑灰巖、白云質灰巖。據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。研究區內奧灰水位標高為+748—+752 m，6 煤底板標高為-20—+680 m；15 煤底板標高為-120—+580 m。6、15號煤層均位于奧灰水位以下，屬帶壓開采。

2.2 參數選取

采用研究區內以往施工的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 號煤層底板保護層厚度值71.13～104.81 m，由東中部向兩側逐漸增大（圖3）；15 煤底板導水破壞帶深度為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層厚度一般為49.61～83.88 m，由中部向兩側逐漸增大（圖5）。

表1 15 號煤層底板突水相關數據統計Table 1 Relevant data statistics of water inrush from No.15 coal seam floor

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

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

2.3 評價結果

通過對破壞深度圖、保護層厚度圖、水頭分布圖、有效保護層圖綜合分析研究，結合帶壓系數圖及突水系數圖，再配合“三級判別”進行帶壓分區，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”均小于0.06 MPa/m 的地段，屬于Ⅲ級評價的范疇，底板“有效保護層”阻抗水頭壓力的能力較強，正常情況下工作面發生非直通式突水的可能性極小。

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

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

Ⅰ級評價的區域，15 號煤層帶壓開采安全性較差。Ⅱ、Ⅲ級評價的區域，總體上15 號煤層帶壓開采安全性較高，但是在Ⅱ、Ⅲ級評價的區域內，應加強對各類斷裂構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 語

在紫金煤礦15 號煤層的突水預測分區中，全面考慮了導致15 號煤層底板突水的主要因素，用五圖- 雙系數三級判別法進行了評價結果等級劃分。五圖采用煤礦開采中的基本地質圖件surfer 生成，直觀方便實用，預測分區結果也更符合煤礦實際水文地質條件。結果顯示，突水危險性較大的區域（Ⅰ級區） 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域（Ⅱ級區）；井田北部屬于基本安全區（Ⅲ級區）。