店坪煤礦9#煤層頂板含水層富水性分區(qū)及突水危險(xiǎn)評價(jià)

趙小軍

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司方山店坪煤礦，山西 呂梁 033100）

1 工程概況

霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司方山店坪煤礦9#煤層為礦井主采煤層，煤層厚度為2.7～3.4 m，平均厚度為3.1 m，煤層傾角為2°～8°，平均傾角為5°。煤層內(nèi)部含有1～3 層夾矸，夾矸層為砂質(zhì)泥巖，平均厚度為0.38 m。煤層頂板巖層為中粒砂巖和砂質(zhì)泥巖，底板巖層為砂質(zhì)泥巖和細(xì)砂巖，具體頂?shù)装鍘r層特征見表1。根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，9#煤層頂板的充水水源主要為頂板灰?guī)r含水層，該含水層為石炭系太原組巖溶裂隙含水層，主要由三層灰?guī)r及1～3 層中粗砂巖組成。三層灰?guī)r分別為L1、L4、L5，厚度分別為7.75 m、8.8 m、6.6 m，平均總厚度為23.15 m。9#煤層與L1 石灰?guī)r含水層的間距為14.7～28 m，石灰?guī)r巖層裂隙較發(fā)育，含水層單位涌水量在0.009～0.078 L/s?m 之間，滲透系數(shù)在0.054～0.271 3 m/d 之間，水位標(biāo)高在935.04～1 058.70 m之間，含水層富水不均勻，局部存在富水區(qū)。為保障9#煤層安全開采，特進(jìn)行9#煤層頂板含水層富水性及突水危險(xiǎn)性的評價(jià)分析。

表1 煤層頂?shù)装鍘r層特征表

2 頂板含水層富水性分區(qū)

根據(jù)國內(nèi)外眾多學(xué)者對富水性分區(qū)的研究成果[1-3]，結(jié)合9#煤層地質(zhì)條件，確定采用GIS 層次分析法、富水性指數(shù)進(jìn)行9#煤層頂板含水層富水性的評價(jià)分析。GIS 具有的強(qiáng)大空間信息處理能力，能夠?qū)Ω鱾€(gè)地質(zhì)要素的圖形進(jìn)行有效的量化處理；再結(jié)合層次分析法（AHP）進(jìn)行各定性地質(zhì)因素的定量化處理，進(jìn)而能夠得出各個(gè)影響因素對富水性的影響權(quán)重值；最后通過GIS 的空間復(fù)合疊加功能結(jié)合AHP 的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行富水性的評價(jià)分析，最終以直觀的圖元形式展示出含水層富水性的最終評價(jià)分區(qū)結(jié)果。通過層次分析法與富水性指數(shù)融合技術(shù)能夠處理大量繁雜的空間信息，采用定性和定量結(jié)合的思維進(jìn)行地學(xué)問題的分析，得出的評價(jià)結(jié)果更為直觀和準(zhǔn)確。

評價(jià)分析的工作流程如下：

（1）根據(jù)研究區(qū)域的水文地質(zhì)條件，確定含水層富水性的主控因素；

（2）采用圖形化和量化的方式對各種地質(zhì)要素的空間分布特征進(jìn)行表述；

（3）通過層次分析法確定各個(gè)控制因素間的相互影響關(guān)系，確定各個(gè)影響因素的富水性影響權(quán)重；

（4）對各地質(zhì)要素信息進(jìn)行矢量化和歸一化；

（5）建立富水性評價(jià)模型，采用多元信息融合的研究方法進(jìn)行含水層富水性的評價(jià)分析。

根據(jù)店坪煤礦礦井的地質(zhì)資料，確定本次9#煤層頂板含水層富水性分區(qū)研究主要分析的影響指標(biāo)為8 項(xiàng)，分別為：頂板含水層厚度、砂-泥組合特征、脆/塑性巖厚度比、單位涌水量、巖芯采取率、滲透系數(shù)、沉積微相和褶皺樞紐。

根據(jù)礦井水文及地質(zhì)資料，采用GIS 軟件對9#煤層頂板含水層富水性8 項(xiàng)主控因素進(jìn)行出圖表述，主控因素權(quán)重系數(shù)的確定采用現(xiàn)有地質(zhì)條件和專家評分相結(jié)合的方式進(jìn)行確定，確定各主控因素的權(quán)重系數(shù)見表2。

表2 9#煤層頂板含水層富水性分區(qū)影響因素權(quán)重表

根據(jù)頂板含水層各項(xiàng)主控因素的特征，建立頂板富水性分區(qū)評價(jià)結(jié)構(gòu)模型如圖1。

圖1 頂板含水層富水性分區(qū)評價(jià)模型圖

由于評價(jià)系統(tǒng)中各影響因素?cái)?shù)據(jù)量綱不同，在進(jìn)行信息融合時(shí)，首先需要對8 個(gè)評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行去量綱化處理，即歸一化處理，處理方式如下：

式中：x'ik為某影響因子的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果值；max{xik}為影響因子原始數(shù)據(jù)中的最大值，min{xik}為影響因子原始數(shù)據(jù)中的最小值，xik為某因子的原始數(shù)據(jù)。

基于相關(guān)學(xué)者的研究成果[4-5]，采用信息融合理論進(jìn)行店坪煤礦9#煤層頂板含水層富水性評價(jià)模型的分析，評價(jià)模型公式如下：

式中：Wt為某點(diǎn)的富水性指數(shù)；Wi為各評價(jià)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)；xi為各評價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值。

根據(jù)建立的評價(jià)模型及各影響因素的權(quán)重值，結(jié)合井田范圍內(nèi)地質(zhì)鉆孔資料，采用上述分析流程能夠計(jì)算得出各個(gè)鉆孔的富水性綜合指數(shù)。根據(jù)富水性指數(shù)的計(jì)算結(jié)果，結(jié)合9#煤層特征，確定將煤層根據(jù)富水性的不同劃分為5 個(gè)區(qū)域，具體分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 頂板含水層富水性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)表

根據(jù)井田范圍內(nèi)各個(gè)鉆孔富水性指數(shù)的計(jì)算結(jié)果，結(jié)合9#煤層開采區(qū)域特征及富水性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，采用GIS 軟件得出9#煤層頂板含水層富水性分區(qū)圖如圖2。

圖2 9#煤層頂板含水層富水性分區(qū)圖

3 頂板含水層突水危險(xiǎn)性評價(jià)

根據(jù)9#煤層開采過程中導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度實(shí)測鉆孔數(shù)據(jù)，結(jié)合鄰近礦井開采9#煤層時(shí)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的分析結(jié)果[6]，確定9#煤層開采時(shí)頂板導(dǎo)水裂隙帶的最大高度為119.28 m，結(jié)合工作面地質(zhì)鉆孔資料獲取導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，進(jìn)而分析得出導(dǎo)水裂隙帶對頂板含水層的破壞程度。基于上述分析確定導(dǎo)水裂隙帶破壞嚴(yán)重程度的劃分標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 導(dǎo)水裂隙帶破壞嚴(yán)重程度劃分標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)表4 中的劃分標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合井田范圍內(nèi)55個(gè)地質(zhì)鉆孔的數(shù)據(jù)，計(jì)算得出9#煤層頂板冒裂程度分區(qū)專題圖如圖3。

分析圖3 可知，9#煤層開采范圍內(nèi)，頂板導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度對含水層的破壞程度不同，其中頂板含水層破壞嚴(yán)重的區(qū)域?yàn)榫镂鞅辈浚敯搴畬悠茐囊话銍?yán)重的區(qū)域?yàn)榫飽|南部，其余區(qū)域?yàn)榻橛趦煞N破壞程度間的關(guān)系。

圖3 9#煤層頂板冒裂程度分區(qū)圖

根據(jù)9#煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶破壞含水層嚴(yán)重程度的分析結(jié)果，基于層次分析法的計(jì)算模型，結(jié)合頂板含水層富水性強(qiáng)度進(jìn)行突水涌水危險(xiǎn)性的評價(jià)分析，確定9#煤層頂板突水危險(xiǎn)性分區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)見表5。

表5 9#煤層頂板突水危險(xiǎn)性劃分標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)9#煤層頂板突水危險(xiǎn)性劃分標(biāo)準(zhǔn)，采用GIS 軟件中的Union 工具對頂板采動(dòng)冒裂分區(qū)和頂板含水層富水性分區(qū)進(jìn)行疊加分析，基于疊加結(jié)果，對比劃分標(biāo)準(zhǔn)，能夠得出9#煤層開采區(qū)域頂板含水層突水危險(xiǎn)性分區(qū)結(jié)果如圖4。

分析圖4 可知，9#煤層頂板灰?guī)r含水層突水危險(xiǎn)區(qū)域主要位于井田的西北部，該區(qū)域內(nèi)含水層的富水性較強(qiáng)，且煤層回采后導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度較大；井田西部含水層富水性較強(qiáng)，但導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育程度中等，故該區(qū)域?yàn)檩^危險(xiǎn)區(qū)域；井田范圍內(nèi)的其余區(qū)域頂板含水層突水危險(xiǎn)性相對較低。

圖4 9#煤層頂板突水危險(xiǎn)性分區(qū)圖

4 結(jié)論

（1）根據(jù)9#煤層的地質(zhì)水文條件，結(jié)合頂板灰?guī)r含水層的具體賦存情況，通過GIS 層次分析法得出了頂板含水層富水性分區(qū)結(jié)果。基于礦井開采經(jīng)驗(yàn)及井田內(nèi)鉆孔數(shù)據(jù)資料，通過計(jì)算分析繪制出頂板冒裂分區(qū)圖；基于富水性分區(qū)及頂板冒裂分區(qū)圖的疊加分析，具體給出頂板突水危險(xiǎn)性分區(qū)圖，得出突水相對危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)榫镂鞅辈浚^危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)榫镂鞑俊?/p>

（2）本次9#煤層頂板灰?guī)r含水層突水危險(xiǎn)性的分析結(jié)果，為9#煤層的安全開采提供了基礎(chǔ)保障。9#煤層在開采井田西北部和西部煤層時(shí)應(yīng)采取有效的防治水措施，確保頂板含水層無突水危險(xiǎn)性后方可進(jìn)行采掘作業(yè)。