杨柳煤矿太原组灰岩含水层突水危险性评价

杨华泽，郭 琳，王腾辉

(1.安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001;2.江西地矿局赣西地质调查大队，江西 南昌 330030)

煤炭是我国的主体能源，即使随着新能源的应用和发展，煤炭依旧占据一次能源生产和消费结构中的70%以上。由于浅部煤炭资源开采的日益枯竭，深部开采已成为我国煤炭生产的必然趋势。随着开采深度和强度的增加，地质条件越来越复杂，地压、水压、地温亦将不断增加，导致煤层开采过程中受底板高承压裂隙岩溶水的危害频率愈加增多。淮北煤田处于华北聚煤期南部，是典型的华北型煤田。在其主要含煤地层石炭—二叠系中的下组煤开采过程中，煤层底板广泛遭到太原组灰岩水和奥陶系灰岩水的威胁，发生突水事故。譬如，杨庄矿的Ⅱ617工作面发生了突水，造成矿区内的的4个生产采区被淹没;桃园煤矿二采区的四个工作面和南三采区的1035工作面等发生了重大突水事故，造成巨大的经济损失和人员伤亡。可见，对矿井水害的预测和防治已经是煤矿开采过程中的重中之重，其中，灰岩岩溶类突水是矿井水害防治的重点[1]。

1 采区概况

杨柳煤矿位于安徽省淮北市孙疃镇杨柳村，距宿州市23 km，面积约为60.4 km2。杨柳煤矿太原群灰岩含水层为 10煤底板直接充水含水层，该含水层厚度大，水量丰富，水压高，若与矿井形成直接沟通，后果将会很严重。

根据钻孔数据统计结果可知，井田内共有44个见太灰的孔，其中，仅揭露一灰的钻孔达到31个;揭露到四灰的孔有7个;打穿太原组并揭露奧灰的孔有4个。其主要是由深灰～灰色的石灰岩、泥岩、粉砂岩和薄煤层组成。

2 底板突水影响因素分析

影响底板突水的因素可归纳为两点:承压水压力和有效隔水层厚度及其阻水性能[2]。10煤层是杨柳煤矿的主采煤层，其承压水上开采的成功与否直接关系的整个煤矿的开采安全，意义重大。本次采用灰色模糊综合评价法对煤层底板的突水危险性进行分区和评价，为10煤层的安全开采提供有利的地质依据。

2.1 岩溶裂隙

灰岩岩溶裂隙的评价方法有很多，如直接统计钻孔岩心中太灰段裂隙发育的数量;通过钻孔在钻进过程中的浆液消耗量;通过钻孔的太灰段的岩心采取率。其中，岩心的采取率是指钻孔中的某一孔段的岩心的长度与此段的实际进尺的比值，它能够直接的反映出岩层的完整性。一般来说，岩心采取率低，岩层较破碎，裂隙的发育程度高，富水性好，底板突水的可能性高;反之，若岩心的采取率高，则岩层的裂隙发育程度低且富水性弱，底板突水可能性比较低。由于杨柳煤矿中见灰的47个钻孔中有35个孔仅打到一灰，因此选取一灰的岩心采取率作为岩溶裂隙发育程度的指标来评价底板的突水性，利用插值法并根据一灰的岩心采取率的等值线图来得出每个块段的岩心采取率的值。

2.2 断裂构造

断裂构造是决定煤层底板突水地点的主要因素之一，因为在断裂构造较发育、断层的密度较大的地方，其富水性较强，突水的可能性也比较大。断裂分维值恰好能综合的反映出断裂构造的发育程度，它包括断裂的长度、密度以及裂隙相互交叉关系等信息。一般来说，分维值越大，则表示断裂的长度越长、密度越大、分支越多，其对岩体的切割越严重，富水性越强，易发生底板突水;分维值越小，则表示断裂的长度比较小、分布比较稀疏、分支也比较少，对岩体的切割也比较轻微，富水性越弱，不易发生底板突水。因此，选取断裂分维值作为断裂构造发育程度的指标来评价底板的突水性。由钻孔资料的统计知，本矿区10煤底板的断裂构造分维值为0.831 7～1.549 1，利用插值法并根据断裂构造分维值的等值线图来得出每个块段的断裂构造分维值。

2.3 砂岩率

底板砂岩率是指煤层底板岩层段中砂岩层的厚度占总体岩层厚度的比值，它是决定岩层富水性的前提，是影响地下水的赋存和岩层隔水性能的主要因素。一般来说，砂岩率高，岩层的储水量大，富水性好，隔水性能弱，底板的突水可能性大;砂岩率低，岩层的储水量小，富水性弱 ，隔水性能强，底板的突水可能性小。因此，选取煤层底板隔水层的砂岩率作为指标来评价底板的突水性。由钻孔资料的统计知，本矿区10煤底板至一灰顶隔水层段主要由粉砂岩和泥岩构成，砂岩率的值为0.556 5～1，利用插值法并根据10煤层底板至一灰顶岩层段的砂岩率等值线图来得出每个块段的砂岩率，如图 1。

图1 杨柳煤矿10煤至一灰顶砂岩率图

2.4 底板隔水层厚度

隔水层厚度是指开采煤层的底板与下伏的含水层的顶面之间的隔水岩层的厚度，其值的大小会直接影响到煤层底板是否突水。一般来说，隔水层的厚度越大，底板的阻隔水能力越强，突水的可能性越小;反之，隔水层的厚度越小，底板的阻隔水能力越弱，突水可能性就越大。

据该矿区钻孔资料得知，在正常情况下，10煤底板至一灰顶的间距为 33.90～69.68 m，平均值为 59.16 m，但由于煤层开采会造成底板岩层发生破坏，产生裂隙，使部分隔水层失去隔水能力甚至变成导水层。由底板破坏深度经验公式计算法和FLAC3D数值模拟结果的值，综合得出底板破坏深度为13.15 m。因此，杨柳煤矿的10煤底板有效隔水层厚度为 20.75～56.53 m，平均厚度约为 46.01 m。由于煤层底板的有效隔水层厚度更能准确的表示出煤层底板隔水层的隔水性能，因此选取10煤底板的有效隔水层厚度指标来评价底板的突水性，利用插值法并根据10煤底板有效隔水层厚度的等值线图来得出每个块段的有效隔水层厚度，如图2。

3 底板突水危险性预测

影响底板突水的因素可归纳为两点:承压水压力和有效隔水层厚度及其阻水性能[2]。10煤层是杨柳煤矿的主采煤层，其承压水上开采的成功与否直接关系的整个煤矿的开采安全，意义重大。本次采用灰色模糊综合评价法对煤层底板的突水危险性进行分区和评价，为10煤层的安全开采提供有利的地质依据。

3.1 灰色模糊综合评价法

模糊数学是将模糊信息用数学方法来描述的工具，揭露出模糊信息的本质和规律。灰色理论是用数学方法处理复杂系统，了解到系统内部的变化趋势以及相互关系等。若只用模糊数学法易使信息丢失;若只用灰色理论则不能体现评价规则的模糊性，两种结果均会造成结果的偏差。因此，将这两种方法结合运用进行综合评判，即灰色模糊综合评判法。本次选取含水层厚度、岩溶裂隙发育、断裂构造、10煤至一灰的砂岩率以及底板隔水层的有效厚度作为评价指标，建立数学模型，对底板的突水危险性进行评价。

图2 杨柳煤矿10煤底板至一灰顶厚度等值线图

3.2 底板突水危险性评价

在建模前需将各影响因素进行量化转变为定量因素，以便建立模型，量化值如表1所示。在模型中，选取断裂分维值作为主序列(X0≡ X0(1)，X0(2)，…，X0(n

{}))，含水层厚度(X1)、岩心采取率(X2)、砂岩率(X3)、底板隔水层厚度(X4)作为子序列。首先对量化后的数据进行归一化处理，再根据子序列(Xi)与主系列(X0)在k点时的关联度计算公式，即:

其中，Δi(k)=|X0(k)－Xi(k)|，ρ为分辨率系数，其值可以决定最大差对因素数据转化的影响程度，本次选取ρ=0.5。则子序列对主系列的关联度系数 γi为:

其中，n为样本的个数，在本次模拟中划分为56个块段，因此n=56。在计算出关联度系数后，对结果进行单位化处理，得出因素权重[3](αi)。再选取含水层厚度、岩心采取率、断裂分维值、砂岩率和底板隔水层厚度五个因素为底板突水危险性的评价指标，则因素集可表示为 U={u1，u2，u3，u4，u5}。在模型的评价过程中，由于岩心采取率以及底板隔水层厚度两个因素与其余的因素为负相关，因此为了便于计算，取其相对于的正值。对评价指标的数据进行统计分析，确定出突水危险性等级的评价标准，如表1所示。设评语集为 V={v1，v2，v3，v4}，其中，v1为安全区;v2为相对安全区;v3为威胁区;v4为危险区。

表1 评价指标等级划分标准

因素集U与评语集V之间的模糊关系可以用矩阵R来表示:

其中，rij表示第i种因素可以被划分为第 j级标准的可能性，即i对j的隶属度。运用聚类权重的计算公式:

其中，n指所选取的评价因素的个数，在此n=5;Wi是其中的第i个评价因素的聚类权重值;xi是因素归一化处理后的数值;Si1是第i个因素的评语集所相应的1类和2类的分界值。

白化权函数可以对某对象随评价指标数据的大小而变化的过程进行定量描述，能直观反映出此评价对象隶属与划分的某个灰类的程度。白化函数的确定可以说是在评价过程中由定性分析到定量建模的关键。

基于模糊数学理论和表2中的评价指标等级划分标准，把底板突水危险性评价划分为“安全区”、“相对安全区”、“威胁区”和“危险区”四个灰类等级。以底板的砂岩率为例，其四类白化权函数为:

3.3 灰色模糊计算

由上述白化权函数[4]，把各块段内的参数的值带入函数得出其分别对于四个等级的白化权函数值。由得出的白化权函数值和之前计算的双权重值，根据公式:

得出在第i个块段中，第 j个因素属于级别 k的聚类系数。其中，n为选取的评价因素的个数，在此 n=5;fij[k](xij)指第i个块段中，第j个因素属于级别 k的白化权函数值，ηij为其相应的双权重值。

以第一个块段的突水危险性评价为例，根据上述计算公式分别求出其相对于四类等级的聚类系数值 σ1[1]、σ1[2]、σ1[3]、σ1[4]，如:σ1[1]= η11f11[1](x11)+ η12f12[1](x12)+ …，+η15 f15[1](x15)

同理，得出 σ1[2]、σ1[3]、σ1[4]的值。选取其中最大值所对应的等级作为该块段的突水危险性等级，结果如表2所示。

表2 杨柳煤矿10煤层底板突水危险性等级评价值及评价结果

Ⅱ

根据灰色模糊计算中得出的聚类系数值，得出危险性分区的预测结果，如表2所示。再根据之前矿区所划分块段的中心点坐标，结合预测结果作出矿区底板突水危险性预测的分区图，如图3所示。

图3 杨柳矿10煤层底板突水危险性分区图

由评价结果显示，本矿区的突水危险性等级主要为危险区、威胁区和相对安全区，其中相对安全区和威胁区约占到整个矿区面积的85%左右。在煤层的开采过程中，需重点对危险和威胁区进行重点的勘探和预防。

4 结语

(1)通过对杨柳煤矿 10煤层隔水底板稳定性分析，将煤层底板突水危险性影响因素统一无量纲化后进行灰色关联度比较，不仅提高数据使用的准确性，而且确定影响该煤层底板突水的主要因素含水层厚度、岩溶裂隙发育、断裂构造、10煤至一灰的砂岩率以及底板隔水层的有效厚度。

(2)以杨柳煤矿10煤层为例，选用灰色关联分析法得出的“因素权重”和模糊聚类分析法得出的“程度权重”相结合的双权重思想，不仅能够给出突水主要控制因素，而且增加底板突水危险性评价的客观性与准确性。

[1]施龙青，韩进.底板突水机理及预测预报[M].徐州:中国矿业大学出版社.2004.

[2]李忠建，等.运用突水系数法和模糊聚类法综合评价煤层底板突水危险性[J].矿业安全与环保.2010，(37):24 －26.

[3]孙芳芳.浅议灰色关联度分析方法及其应用[J].科技信息.2010，(17):880 －882.

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[5]严大思 ，奚砚涛 ，潘玲玲.基于突水系数的煤矿底板突水危险性评价系统－以山西太原西山煤田古交矿区为例[J].中国煤炭地质.2010，22(1):31 －34.