基于三維地震勘探技術(shù)對(duì)煤層底板高承壓水突水危險(xiǎn)性的研究

韓 磊,陳彥昭,王 禮,劉曉攀,陳江峰

(1.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,河南 焦作 454003;2.河南神火煤電股份公司, 河南 永城 476600)

突水系數(shù)法和脆弱性指數(shù)法是煤層底板突水常用的研究方法,突水系數(shù)指的是一定厚度的隔水層所承受的水壓值,脆弱性指數(shù)法則是通過(guò)對(duì)礦井水文地質(zhì)資料與礦井地質(zhì)資料進(jìn)行收集整理,借助數(shù)學(xué)模型對(duì)信息進(jìn)行融合分析來(lái)判別研究區(qū)域煤層底板抵抗含水層能力大小的一種方法[1-4]。

實(shí)踐證明,兩種方法在預(yù)判煤層底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方面具有較為可靠的價(jià)值,但兩種方法對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)、水文地質(zhì)以及其它礦井現(xiàn)實(shí)資料具有很強(qiáng)的依賴(lài)性,但深部資料的缺乏使得評(píng)價(jià)結(jié)果精度大大降低。本文在收集梁北礦32采區(qū)三維地震勘探資料的基礎(chǔ)上,結(jié)合已有的少量深部鉆孔資料進(jìn)行標(biāo)定,利用三維地震資料反演獲取的寒灰頂界面等高線(xiàn)并耦合煤層底板等高線(xiàn),獲得了煤層底板隔水層的準(zhǔn)確厚度及其分布規(guī)律,進(jìn)而對(duì)該研究區(qū)煤層底板突水危險(xiǎn)性進(jìn)行精準(zhǔn)評(píng)價(jià)。

1 研究區(qū)背景

1.1 礦井概況

1.2 礦井水文地質(zhì)

礦井在區(qū)域上屬巖溶-裂隙徑流區(qū)的弱徑流亞區(qū)中部,中部的虎頭山正斷層(F1)自西向東貫穿全礦井,向西延伸至寒武系灰?guī)r露頭區(qū),該斷層為礦井地下水徑流的主要通道之一。煤層底板灰?guī)r含水層包括寒武系白云質(zhì)灰?guī)r、太原組下段灰?guī)r和太原組上段灰?guī)r。其中寒武系灰?guī)r含水層為礦井主要充水水源;太原組下段灰?guī)r含水層富水程度不一,且部分區(qū)域水量被疏干;太原組上段灰?guī)r巖溶裂隙不發(fā)育、富水性較弱[5-6]。

1.3 采區(qū)地質(zhì)概況

本文研究區(qū)為梁北礦32采區(qū),采區(qū)內(nèi)地層整體為一傾向南南西、傾角7°～20°的單斜構(gòu)造,產(chǎn)狀變化不大,次級(jí)褶皺不甚發(fā)育,區(qū)內(nèi)斷層較發(fā)育。全區(qū)地震勘探資料共解釋斷層45條,其中正斷層44條,逆斷層1條,其中貫穿二1煤層并延伸至寒武系地層的有22條,區(qū)內(nèi)無(wú)陷落柱及巖漿巖侵入。

2 突水系數(shù)法

2.1 煤層底板隔水層厚度

太原組下段灰?guī)r含水層和太原組上段灰?guī)r含水層富水性較弱,且存在被疏干的情況,可視為隔水層。煤層底板隔水層的計(jì)算采用三維地震勘探得到的寒武系灰?guī)r頂板等高線(xiàn)圖與二1煤層底板等高線(xiàn)圖進(jìn)行疊加,統(tǒng)計(jì)兩圖等值線(xiàn)之間的高差,即寒灰與二1煤層底板之間的隔水層厚度,以及交點(diǎn)坐標(biāo)。煤層底板含水層位置關(guān)系見(jiàn)圖1.考慮到受采動(dòng)影響,底板最大擾動(dòng)破壞深度為32.80 m,將疊加后的隔水層厚度減去32.80 m作為32采區(qū)內(nèi)的有效隔水層厚度,通過(guò)Surfer軟件的插值功能將統(tǒng)計(jì)的資料生成有效隔水層厚度等值線(xiàn)圖(圖2)。由圖2可知,32采區(qū)隔水層厚度主要表現(xiàn)為緩變形態(tài),整體厚度在50 m以上,呈現(xiàn)出東西厚中部薄的特點(diǎn)。

圖2 煤層底板隔水層厚度等值線(xiàn)圖

2.2 含水層水壓

采區(qū)內(nèi)寒武系灰?guī)r溶裂隙水位標(biāo)高在-200～-350 m,水位標(biāo)高自西向東不斷降低,最西部水位標(biāo)高為-200 m,東南部標(biāo)高下降至-350 m.通過(guò)對(duì)32采區(qū)巖溶裂隙水位和灰?guī)r頂界面標(biāo)高聯(lián)合分析得到寒武系巖溶裂隙水壓等值線(xiàn)圖(圖3),區(qū)內(nèi)寒灰水壓在0～4.6 MPa,總體上西高東低,高水壓區(qū)主要集中在西南部,緊鄰虎頭山正斷層,最小水壓處于采區(qū)的東南角。

圖3 寒灰水壓等值線(xiàn)圖

2.3 斷層帶附近隔水層厚度

32采區(qū)落差大于100 m的斷層有3條,其中虎頭山正斷層(F1)最大落差達(dá)到335 m;落差在51～100 m的斷層4條,落差在30～50 m的斷層有2條。根據(jù)《煤炭礦井防治水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 51070-2014)附錄B.2.2中的相關(guān)規(guī)定,斷層帶附近的采動(dòng)導(dǎo)水破壞帶深度為底板采動(dòng)導(dǎo)水破壞帶深度計(jì)算結(jié)果的1.5～2.0倍。本文將虎頭山正斷層附近的采動(dòng)導(dǎo)水破壞帶深度乘以2.0的系數(shù)處理,落差在30～150 m的斷層帶附近的采動(dòng)導(dǎo)水破壞帶深度乘以1.5的系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)Surfer軟件繪制出斷層帶附近的隔水層厚度等值線(xiàn)圖(圖4)。

圖4 斷層帶附近隔水層厚度等值線(xiàn)圖

2.4 突水危險(xiǎn)性分析

突水系數(shù)法表征了隔水層所承受的水壓值[3-4]。其計(jì)算公式為:

T=p/M

(1)

式中:T為突水系數(shù),MPa/m;p為底板隔水層承受的水壓,MPa;M為底板有效隔水層厚度,m.

4.5 出院指導(dǎo) 在患者出院前，仔細(xì)講解出院后隨訪(fǎng)的重要性，并建立隨訪(fǎng)檔案，積極監(jiān)督、督促患者定期完成隨訪(fǎng)，放療結(jié)束后1個(gè)月復(fù)查1次，以后3個(gè)月1次，1年后每半年復(fù)查1次。口腔要保持清潔，3年內(nèi)不能拔牙，避免誘發(fā)頜骨骨髓炎，堅(jiān)持張口鍛煉，防止咀嚼肌及周?chē)M織纖維化，以防止張口困難。

將采區(qū)內(nèi)寒灰水壓等值線(xiàn)圖與有效隔水層厚度等值線(xiàn)圖進(jìn)行疊加后得出采區(qū)內(nèi)突水危險(xiǎn)性等值線(xiàn)圖(圖5)。

圖5 突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)成果圖

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》,構(gòu)造復(fù)雜區(qū)突水系數(shù)>0.06 MPa/m的區(qū)域?yàn)橥凰ｋU(xiǎn)區(qū)。采區(qū)內(nèi)具有突水危險(xiǎn)性的區(qū)域主要集中在斷層帶附近,其中虎頭山正斷層(F1)和F2-2斷層帶存在突水危險(xiǎn)區(qū)。虎頭山正斷層帶的西部存在兩處突水危險(xiǎn)區(qū),突水系數(shù)最大值為0.16 MPa/m,F2-2斷層西部發(fā)育帶端點(diǎn)處存在一處突水危險(xiǎn)點(diǎn)。其余斷層帶的突水系數(shù)都小于0.06 MPa/m,表示這些斷層帶突水可能性相對(duì)較小。

3 脆弱性指數(shù)法

脆弱性指數(shù)法由武強(qiáng)院士提出,將影響煤層底板突水的多種主控因素通過(guò)賦權(quán)的方式綜合分析,以判別礦井各個(gè)區(qū)域在多種因素影響下可能發(fā)生煤層底板突水的情況[1-2]。本文以采區(qū)三維地震勘探資料為基礎(chǔ),采用層次分析法(AHP)-脆弱性指數(shù)法,通過(guò)信息疊加融合對(duì)采區(qū)寒灰水進(jìn)行脆弱性評(píng)價(jià)。

3.1 主控因素的選取

根據(jù)32采區(qū)水文地質(zhì)條件,本文選取了4個(gè)影響二1煤層底板突水的主控因素:①寒灰含水層水壓;②寒灰含水層富水性;③采區(qū)內(nèi)有效隔水層厚度;④采區(qū)內(nèi)斷層規(guī)模指數(shù)。

3.2 各主控因素的量化及專(zhuān)題圖的建立

1) 寒灰含水層富水性。將寒灰含水層抽水試驗(yàn)資料中的數(shù)據(jù)統(tǒng)一換算為鉆孔直徑為91 mm的標(biāo)準(zhǔn)單位涌水量,用Surfer軟件的插值功能獲取32采區(qū)寒灰含水層的富水性。寒灰水含水層鉆孔抽水試驗(yàn)見(jiàn)表1.

表1 寒灰水含水層鉆孔抽水試驗(yàn)

2) 斷層規(guī)模指數(shù)。斷層規(guī)模指數(shù)以二1煤層底板等值線(xiàn)圖為基礎(chǔ)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),按照500 m×500 m的間距在圖上建立單元網(wǎng)格,統(tǒng)計(jì)單元網(wǎng)格內(nèi)各斷層的落差與對(duì)應(yīng)走向長(zhǎng)度,計(jì)算其斷層規(guī)模指數(shù),通過(guò)提取各單元格的中心點(diǎn)坐標(biāo),最后將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行整理制圖。各主控因素專(zhuān)題圖如圖6所示。

圖6 各主控因素歸一化專(zhuān)題圖

3.3 結(jié)構(gòu)模型的建立

根據(jù)對(duì)影響突水各主控因素的分析,將結(jié)構(gòu)模型建立3個(gè)層次,二1煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)作為模型的目標(biāo)層(A層次),將承壓含水層、底板隔水層和地質(zhì)構(gòu)造作為模型的準(zhǔn)則層(B層次),各個(gè)主控因素則為本模型的決策層(C層次)。二1煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)模型見(jiàn)圖7.

圖7 二1煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)模型

3.4 判斷矩陣的構(gòu)建及權(quán)重計(jì)算

通過(guò)分析各主控因素對(duì)煤層底板突水的影響,結(jié)合專(zhuān)家意見(jiàn)對(duì)各主控因素進(jìn)行兩兩比較并評(píng)分,建立判斷矩陣并計(jì)算決策層變量(Ci)對(duì)目標(biāo)層的權(quán)重(見(jiàn)表2～表4)。

表2 判斷矩陣A～Bi(i=1～3)

表3 判斷矩陣B1～Ci(i=1～2)

表4 影響二1煤層底板寒灰水突水各主控因素權(quán)重

3.5 數(shù)據(jù)歸一化及脆弱性評(píng)價(jià)

3.5.1 數(shù)據(jù)歸一化

為消除各個(gè)主控因素不同量綱對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果產(chǎn)生的影響,需要對(duì)各主控因素的量化值進(jìn)行歸一化處理。本文采用的歸一化處理公式為:

(2)

式中:Yi為歸一化后的數(shù)據(jù);Ss、Sx為歸一化范圍的上限、下限(本文上下限分別采用1和0);min(Xi)、max(Xi)分別為各主控因素量化值的最小值、最大值。

按照以上歸一化方法對(duì)各主控因素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,建立相應(yīng)的主控因素歸一化專(zhuān)題圖(圖6)。

3.5.2 評(píng)價(jià)模型的建立

根據(jù)前文得到的各主控因素建立脆弱性評(píng)價(jià)模型,利用Surfer軟件的數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)疊加耦合分析功能對(duì)采區(qū)二1煤層底板突水脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)分區(qū)。32采區(qū)脆弱性評(píng)價(jià)模型如下:

(3)

式中:VI為脆弱性指數(shù);Wk為各影響因素權(quán)重;fk(x,y)為單因素影響值函數(shù);x,y為坐標(biāo)值;n為影響因素個(gè)數(shù)。

3.5.3 煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)分區(qū)

根據(jù)脆弱性評(píng)價(jià)模型(表5),統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)結(jié)果相關(guān)數(shù)據(jù)并繪制采區(qū)內(nèi)脆弱性指數(shù)頻率分布直方圖(圖7),采用自然分級(jí)法確定分區(qū)閾值0.11、0.16、0.21、0.35,根據(jù)所得閾值將采區(qū)劃分為5個(gè)區(qū)域(圖8,圖9):

表5 脆弱性指數(shù)分區(qū)

圖8 脆弱性指數(shù)頻率分布直方圖

圖9 二1煤層底板寒灰含水層突水脆弱性分區(qū)圖

根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果分區(qū)圖可以看出,脆弱區(qū)集中在采區(qū)內(nèi)虎頭山正斷層的西部,與突水系數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果所處區(qū)域基本一致。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過(guò)對(duì)以鉆探為主獲得的二1煤層底板等高線(xiàn)圖與三維地震勘探為主獲得的寒灰頂界面等高線(xiàn)圖進(jìn)行疊加分析,能夠精細(xì)刻畫(huà)底板隔水層厚度及其分布規(guī)律,進(jìn)而為二1煤底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)提供更為可靠的數(shù)據(jù)源。

2) 斷層帶由于受兩盤(pán)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響,使得有效隔水層厚度發(fā)生變化,因此考慮斷層帶與底板破壞深度的綜合影響因素,可以更精細(xì)地評(píng)價(jià)斷層帶附近有效隔水層厚度和發(fā)育規(guī)律,進(jìn)一步提高了突水系數(shù)和脆弱性指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果的精度。

3) 采用突水系數(shù)法和脆弱性指數(shù)法對(duì)煤層底板寒灰高承壓水突水危險(xiǎn)性的對(duì)比,基于三維地震資料對(duì)深部高承壓含水層的突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果具有較強(qiáng)的可靠性,其評(píng)價(jià)結(jié)果與采區(qū)內(nèi)寒灰水壓、有效隔水層厚度以及斷層發(fā)育情況表現(xiàn)出較高的契合度。