木瓜煤礦工作面頂板含水層突水危險性評價

胡雪墩

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司方山木瓜煤礦，山西 方山033100）

1 工程概況

方山木瓜煤礦10-201工作面井下位于+940 m水平二盤區準備巷道南翼，工作面上部為實體煤，以北緊鄰二盤區三條準備大巷，以南靠近礦井井田邊界，以西為實體煤，以東緊鄰風氧化帶，靠近礦井井田邊界。工作面傾斜長度245 m，走向長度1 081 m，開采9#+10#煤層，煤層平均厚度為5.3 m，平均傾角8.5°，平均含有兩層夾矸，煤層頂底板巖層特征見表1。工作面采用綜合機械化放頂煤采煤方法，全部垮落法管理頂板。

表1 工作面頂底板巖層特征

10-201工作面9#、10#煤層上部主要含水層為石炭系上統太原組砂巖、灰巖含水層及下石盒子組砂巖含水層，煤層上方2.3 m 為太原組砂巖裂隙含水層，上方78.2 m 為灰巖含水層，上方137.9 m 為下石盒子組砂巖含水層，具體煤層與含水巖層間層位關系見圖1。根據工作面周邊南5、ZK3 鉆孔綜合分析，工作面范圍內太原組中普遍含有L1+K2、L4、L5三層石灰巖及3 層中細粒砂巖組成，巖層總體平均總厚14.29 m。石灰巖含水層裂隙較發育，單位涌水量在0.037 6～0.078 L/s·m之間，灰巖含水層賦水不均勻，局部存在富水區，二疊系砂巖含水層對工作面影響較小。

圖1 頂板含水層與煤層結構柱狀

2 含水層富水性影響因素分析

為有效掌握10-201工作面頂板含水層的富水性，采用多源地學信息復合疊加技術進行充水含水層富水性分區。根據工作面的地質條件，確定頂板影響含水層富水性的因素主要有含水層厚度、沖洗液消耗量、巖芯采取率、滲透系數及單位涌水量等因素，依據礦井水文地質試驗及相關資料，采用多元地學信息系統，分別對影響頂板含水層穩定性的影響因素進行分析。

1）充水含水層厚度：根據眾多理論和工程實踐結果表明［1-3］，頂板含水層的厚度與含水層的富水性成正比例關系。根據10-201工作面地質條件和工作面區域鉆孔數據得出煤層上部主要太原組砂巖、灰巖及二疊系砂巖含水層的厚度見表2。根據工作面區域鉆孔資料，采用Surfer插值功能分別進行太原組砂巖含水層、灰巖含水層和二疊系砂巖含水層厚度的統計分析，具體各含水層厚度分布見圖2。分析圖2 可知，10-201工作面區域內頂板三個含水層在南部的厚度均大于北部，產生這種現象的主要原因為工作面區域地層走向大致為東南方向，向西北傾斜，進而導致出現此現象。

表2 頂板各含水層厚度統計

圖2 頂板各含水層厚度分布

2）巖芯采取率：巖芯的采取率為地質鉆孔中巖芯長度與鉆孔進尺長度間的比值，用百分數表示。該指標為反應巖體裂隙發育程度的指標，當巖芯采取率低時，說明含水層的富水性較好［4］。根據工作面范圍內鉆孔數據得出煤層上部太原組砂巖、灰巖及二疊系砂巖含水層的巖芯采取率見表3、圖3。分析圖3 可知，10-201工作面頂板太原組灰巖含水層的巖芯采取率相對較低，巖芯相對較為破碎，在工作面中部巖性相對較為破碎，這與工作面剖面圖中的褶皺和斷層區域相吻合，即其與突水點的位置相一致。

圖3 頂板各含水層鉆孔巖芯采取率分布

表3 含水層鉆孔巖芯采取率統計

3）沖洗液消耗量：鉆孔沖洗量能夠反映出各個巖層內巖溶裂隙的發育程度，且能夠反映出各個巖層的巖性及透水性。當沖洗液消耗量大時，說明該段巖層段內巖溶及裂隙較為發育，巖層內滲透性強、導水和儲水性能好［5］。根據工作面內鉆孔地質資料，得出各個含水層沖洗液消耗量見表4、圖4。

圖4 頂板各含水層鉆孔沖洗液消耗量分布

表4 含水層鉆孔沖洗液消耗量統計

4）單位涌水量：根據我國2018年9月1日施行的《煤礦防治水細則》附錄一中對單位涌水量的計算公式如下：

式中：Q91、R91、r91為孔徑為91 mm 的鉆孔的涌水量、影響半徑和鉆孔半徑；Q、R、r為擬換算鉆孔的涌水量、影響半徑和鉆孔半徑。

通過對工作面區域內鉆孔地質條件的鉆孔數據，計算得出各個鉆孔的單位涌水量數據見表5、圖5。

表5 各含水層鉆孔單位涌水量統計

圖5 頂板各含水層鉆孔單位涌水量分布

5）滲水系數：通過對工作面區域內充水含水層滲透系數的統計分析，能夠得出頂板各含水層滲透系數見表6、圖6。

圖6 頂板各含水層滲透系數分布

表6 各含水層滲透系數統計

3 突水危險性綜合評價

在進行10-201工作面頂板各含水層突水危險性評價時，采用富水性指數法進行評價分析。采用該方法時首先建立AHP層次結構分析模型，隨后構造判斷矩陣，最后通過富水性指數模型進行突水危險性的綜合評價。

本次頂板含水層突水危險性評價分析中建立A、B、C三個分析層次，判斷矩陣A～Bi及各主控因素的權重見表7。

表7 判斷矩陣A～Bi(i=1～3)及各主控因素權重

在通過富水性指數模型進行評價時，需要將多元地學信息數據進行集成，歸一化處理公式如下：

式中：Ai為歸一化處理后的數據；a，b分別為歸一化范圍的極小值和極大值，分別取為0 和1；xi為歸一化前的數據；min（xi）和max（xi）分別為主控因素量化值的最小和最大值。

根據層次分析法得到的不同層次值，將其與歸一化多元地學信息數據進行疊加即可得到可反應富水性相對大小的指數，計算公式如下：

式中：CI為富水性指數；n為多元信息的個數，根據含水層取為3；k為因素序號，Wk為第k個地學信息的權重；fk（x，y）為第k個地學信息量化值歸一化后的數值，其中x，y為地理坐標。

根據上述富水性評價法的模型，在考慮地質構造的情況下，得出10-201工作面頂板3 個含水層突水危險性的綜合分區圖，見圖7。

圖7 頂板各含水層突水危險性綜合分區

采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》 中主要依據巖層的堅硬程度及煤層厚度具體進行導水裂隙帶發育規律的劃分，基于9+10#煤層頂板為軟弱，10#煤層的厚度為5.3 m，選取計算垮落帶和導水裂隙帶高度的公式如下：

式中：H導為頂板導水裂隙帶的發育高度；M為開采煤層厚度。

通過計算得出10-201工作面開采后導水裂隙帶的發育高度為42.49～58.91 m。

分析圖7 可知，工作面導水裂隙帶導通了太原組砂巖含水層，因此該含水層在工作面區域的富水性分區一致；從圖中能夠看出工作面大部分處于該含水層導水裂隙帶導通區。10-201工作面南部導水裂隙帶未導通太原組灰巖含水層，所以該區域除構造部位外均為相對安全；工作面整個太原組砂巖含水層從南向北危險性漸增，突水危險區主要位于工作面北部區域；二疊系砂巖含水層基本無突出危險性，僅在構造區域處存在小部分的危險區。

4 結論

1）根據10-201工作面地質條件，采用多元地學信息系統，對含水層富水性的主要影響因素分析，建立含水層厚度、沖洗液消耗量、巖芯采取率、滲透系數及單位涌水量專題分布圖。

2）通過富水性指數法進行頂板各含水層突水危險性分析，得出太原組砂巖含水層突水危險區主要位于10-201工作面北部區域，太原組灰巖含水層和二疊系砂巖含水層基本無突水危險性，僅局部構造區域存在一定的危險。