某地地質工程中薄基巖區域突水危險性研究

陳國榮

（廣東省有色金屬地質局水文地質隊，廣東 廣州 510800）

煤炭是我國能源的重要組成部分，對工業化發展有不可替代的意義[1]。隨著我國能源消耗缺口的增加，煤炭的開采越來越困難，深層基巖已經無法滿足煤炭開采量需求[2]，因此，在某些薄基巖中在逐漸開展煤炭開采工作。正常厚度的基巖指的是巖層厚度高于裂隙帶高度，而薄基巖主要有兩種類型[3]，一種是巖層高度小于冒落帶高度的超薄基巖，另一種是巖層高度小于裂隙帶高度，大于冒落帶高度的薄基巖[4]。受薄基巖的采煤特點影響，其容易出現區域突水潰砂問題，不僅會導致人員傷亡，還會導致煤柱塌陷，造成煤炭資源損耗。

針對薄基巖開采問題，相關研究人員從開采量、開采安全性等方面對其進行了深入研究[5]。20世紀末期，我國也開始針對薄基巖問題進行實地分析，確定突水區域的變形規律，為后續的開采提供參考。相關研究人員研究結果表明，在薄基巖區域[6]，巖石的裂縫分布密集，且裂縫發育遵循時空規律。針對該特點，部分地質學家將薄基巖開采劃分為若干個區域，并逐一確定了各個區域的裂縫發育條件[7]。還有部分地質學家使用地質勘察數據構建了薄基巖突水動態模型，確定其具體的失穩條件。本文結合薄基巖的突水運動規律，有效地分析了其區域突水危險性，為降低煤炭開采風險作出了一定的貢獻。

1 地質概況

某薄基巖井田位于某區域的東南部，整體開采規模較大，井田西側有一大型鐵路穿過，交通干線分布密集。該薄基巖井田整體地勢西高東低[8]，存在較大范圍的沙漠地貌，部分開采區域有地層裸露。受沙漠地貌影響，該薄基巖井田的地表水體匱乏，存在幾條小型溝谷，且僅在雨季形成地表水體，遇暴雨可能會生成洪流。研究區域屬于干旱沙漠大陸氣候[9]，冬冷夏熱，春季、冬季風沙強烈，早晚溫差較高，因此每年的10月份至次年的8月份均可出現風沙天氣，地表風沙圖如圖1所示。

圖1 地表風沙圖

由圖1 可知，受地表風沙影響，研究區域的年平均風速為3.6m/s，最大風速為25m/s。該區域的整體降雨量較少，平均濕度較低，僅在6、7、8、9 月會集中降雨。受氣候影響，該區域的夏季氣溫較高，最高可達38.4℃，冬季氣溫較低，最低為-29.8℃，因此整體凍土層較深，冰凍期超過150d。研究區域最常見的就是風積沙漠地形，沙丘隨處可見，流動性較強；還存在部分河流堆積地形，河漫灘抬高，生成側蝕沿岸。

首期開采區域位于研究區域西部，呈不規則四邊形，將其命名為234S01，該工作面的標高范圍為1125～1146m，首采區的采面分布示意圖如圖2所示。

圖2 首采區采面分布示意圖

結合圖2 的首采區采面分布對研究區域進行地質勘探，得到的地層性能如表1所示。

表1 地層性能表

由表1 可知，該研究區域含有10 種不同類型的地層，整體構造復雜，首采區內分布部分褶曲，井田中部分布大量正斷層，主要斷層如表2所示。

表2 主要斷層一覽

由表2 可知，研究區域的斷層控制程度較高，具有可靠性，符合薄基巖開采需求，因此可以研究該區域的薄基巖區域突水危險性。

2 薄基巖突水區域危險性分析

結合上述的工程概況可知，上述研究地區的突水危險性影響因素較多，分析難度較高，為了解決該問題，本文使用模糊層次分析法獲取了突水危險性影響因子，再使用ArcGIS軟件對研究區域進行危險性分區分析。根據上述的分析流程需要選取正確的危險性分析量化指標，基于此構建的危險性評價指標體系如圖3所示。

圖3 危險性評價指標體系

由圖3 可知，影響突水危險性的最主要因素有三種，即開采活動、隔水層、覆巖結構，其中，隔水層受底部粘土層厚度的影響，存在一定的阻水作用，會抑制突水發生，因此隔水層性能越好，出現開采突水的風險就越低。在煤層開采前，薄基巖往往處于穩態，開采后部分覆巖變形破壞，容易導致突水，針對設置的危險性評價指標體系可以由北向南統計研究區域的煤層厚度，如表3所示。

表3 研究區域煤層厚度

由表3可知，孔號ZK5708～ZK6307代表研究區域由北至南的煤層厚度，即由北向南，研究區域的開采煤層越來越薄。對研究區域覆巖進行荷載試驗發現，當薄基巖較薄時受承載力影響，上方的導水層會被折斷，產生突水危險，危險程度主要由基采比決定，基采比的計算式C如式（1）所示：

式中：W——基層厚度；

D——開采厚度。

基采比越大證明巖層更穩定，反之基采比越小證明區域導高大。覆巖穩定性差，突水危險性較高，本文根據上述公式計算了孔號ZK5708～ZK6307的基采比，如表4所示。

表4 孔號ZK5708～ZK6307基采比

由表4可知，孔號ZK5708～ZK6307的基采比越來越低，覆巖穩定性越來越大，突水危險性也越來越高。當發生嚴重的突水事故時，隔水層往往受到了損傷，研究表明，隔水層對抑制薄基巖突水有重要作用，其可以阻隔開采工作面，避免裂隙過度發育，因此本文進一步分析了孔號ZK5708～ZK6307的隔水層厚度，如表5所示。

表5 ZK5708～ZK6307隔水層厚度

由表5可知，孔號ZK5708～ZK6307的隔水層厚度越來越低，工作面與含水層之間的水力聯系越來越強，在隔水層厚度最低區域一旦開始進行開采會立即造成土體彌合，產生突水潰砂現象。開采過程中會不斷釋放能量，容易產生較高的突水風險，可用硬巖比例對其進行分析，計算式Y如式（2）所示：

式中：Y——砂巖累計厚度；q——基巖總厚度。

此時可以利用模糊層次分析法計算孔號ZK5708～ZK6307的硬巖比例，如表6所示。

表6 ZK5708～ZK6307的硬巖比例

由表6可知，孔號ZK5708～ZK6307的硬巖比例越來越高，證明其覆巖越來越厚，斷裂時釋放的能量也越來越大，容易導致滲透風險激增，出現嚴重的突水潰砂風險。本文根據上述表3～表6輸出數據構建了薄基巖區域危險性判斷矩陣，獲取了危險性判斷權重wi，如式（3）所示：

式中：aij——危險性模糊判斷矩陣；

n——突水危險性指標系數。

可以根據上述權重計算出的危險性一致指標確定各個數據的危險性分析結果，繪制相關的研究結果圖。

3 薄基巖突水區域危險性研究結果

結合上述的薄基巖突水區域危險性分析數據，可以使用ArcGIS軟件進行自然分級，處理相關的危險性指標，得到研究區域的突水危險結果圖，如圖4所示。

圖4 研究結果圖

由圖4 可知，安全區域主要位于研究地區的北部，由北至南依次為安全區域、相對安全區域、過渡區域、相對危險區域、危險區域，與實際薄基巖厚度、區域煤層厚度、基采比、隔水層厚度呈反向相關，與硬巖比例呈正向相關。且相對安全區域及安全區域的占比較高，研究地區由北向南危險性逐漸增加。

4 結束語

綜上所述，隨著工業化發展，我國的煤炭資源越來越匱乏，開采也越來越困難，目前我國煤炭開采已經不再局限于常規的地層，在部分薄基巖中也開始進行開采活動。受薄基巖地層特征影響，其在開采的過程中容易出現較高的區域突水危險性，影響實際的開采效果，因此本文針對某地區進行分析，深入研究了薄基巖突水危險性，研究結果表明，薄基巖突水危險性與實際薄基巖區域指標均存在正反向關系，為降低后續的煤礦開采風險做出了一定的貢獻。