综放开采条件下煤层顶板涌(突)水危险性评价

孙 魁，夏玉成，李 成，陈建平，方 刚

(1.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054；2.陕西省地质环境监测总站 矿山地质灾害成灾机理与防控重点实验室，陕西 西安 710054；3.中国煤炭科工集团 西安研究院有限公司，陕西 西安 710054)

0 引 言

厚煤层综放开采条件下，顶板覆岩破坏强烈，如果对顶板含水层分布及发育特征认识不足，往往会造成严重的顶板水害事故和水资源渗漏[1-6]。由于顶板突水事故水源多样，征兆不明显，突水量大，危害严重，因此，有效地评价煤层顶板水害危险性，针对性地圈定顶板突水危险区，对煤矿顶板水害预测及防治具有十分重要的指导意义。

在顶板水害预测方面，不少学者采用数值模拟计算和统计分析等方法，研究和量化目标含水层富水性、导水裂隙带高度以及地下水渗流特征等矿井突水因素。武强等提出了基于AHP的“三图-双预测”方法，并借助三维数值模型，从顶板冒裂程度和含水层富水性2个方面对煤层顶板含水层突水危险性进行了评价[7-11]。李坤、张小明、杜伟升等在“三图”理论分析的基础上，建立了基于GIS与AHP综合分析法的煤层顶底板致灾含水层富水性指数模型[12-14]。任晓波等对传统的“三图-双预测法”进行了改进和修正，并在具体的矿井顶板涌(突)水危险性评价中，取得了较好的应用效果[15]。范立民等研究了突水溃砂机理，并采用基于GIS的多信息融合方法，对陕北神府矿区突水溃沙危险性进行了综合分区[16]。王生全等运用层次分析法，对青龙寺煤矿5-2煤层顶板含水层突水危险性进行了评价[17]。贺晓浪等采用层次分析、模糊聚类等方法，提出了陕北毛乌素沙漠区潜水含水层富水性评价模型[18]。马雄德等将煤层赋存特征和开采条件作为顶板突水危险性分区评价的2大因素[19]。代革联等从顶板砂岩物质组成、孔隙特征、渗流特征、富水性等方面对顶板含水层涌(突)水危险性进行评价[20]。张海荣等在缺少煤层顶板水文地质信息且无法判明突水规律的情况下，尝试采用GIS复合分析的方法对煤层顶板水害进行评价预测，并取得了良好的实际应用效果[21]。以上不同学者从不同角度研究了煤层顶板突水危险性的评价预测方法。笔者在前人研究成果的基础上，以陕西焦坪矿区某井田为例，在分析水文地质特征的基础上，对顶板水害致灾水源进行了判定，从含水层富水性、离层发育危险性和冒裂安全性3个方面进行综合分析，对煤层顶板涌(突)水危险性进行了分区评价，为煤矿顶板水害防治提供理论支持。

1 水文地质特征

井田位于陕西焦坪矿区南部，矿井主采4-2号煤层，厚度0～31.53 m.煤层顶板主要含水层自下而上分别为侏罗系中下统直罗-延安组砂岩裂隙含水层、白垩系下统洛河组下段砂岩裂隙潜水含水层、白垩系下统洛河组上段砂岩裂隙潜水含水层、白垩系下统华池-环河组砂岩裂隙潜水含水层、第四系含泥质砂卵石潜水含水层。

井田东部一盘区4-2煤层平均采厚约12 m，综采采煤工艺，全部垮落法管理顶板。在一盘区中部1412，1418工作面回采时，水害事故频发，共发生过9次突水(表1)，顶板水害已经严重威胁了矿井的安全生产。

1)突水量大，周期短。2010年12月至2013年5月发生过9次顶板突水突事故，最大矿井涌水量249～2 000 m3/h，涌水量较大。每次突水的时间间隔一般为60 d；

2)突水水源稳定。根据井下突水点所取水样的水质检测结果，致灾水源为洛河组下段砂岩裂隙潜水含水层和直罗-延安组砂岩裂隙潜水含水层；

3)突水点位置较为集中。1412，1418两工作面9次突水点的位置较为集中，距离间隔一般为160 m.

综上分析可知，矿井突水量大小、突水次数、突水水源稳定性和突水点位置分布等，均具有典型离层突水的特点。

表1 1412，1418工作面突水情况

2 矿井涌(突)水水源

为了更加准确的判别顶板水害致灾水源，笔者从水质化验结果和导水裂隙带发育高度2个方面分别进行分析。

2.1 水质分析

根据井下采集水样的水质化验结果，绘制水质Piper三线图(图1)，根据主要阴阳离子分布位置的差异，可以直观的反映出各水样点水化学类型的差异。

图1 地下水水质Piper三线Fig.1 Piper diagram of groundwater quality

由图1可知，5个水样点均位于菱形右下方，矿井涌(突)水水源的水质类型相似，为HCO3Na+K型，此类水质一般为深层封闭滞流型的砂岩裂隙水，说明突水水源单一且相对稳定。

表2 地下水化学特征

2.2 导水裂隙带

通过上述水质分析结果，可以明确的判定出顶板突水的水源稳定，为上部砂岩裂隙含水层水。为了更加准确具体的判别致灾水源的层位，要对导水裂隙带的发育高度进行分析。根据文献[22-23]中的计算机数值模拟结果和矿方实际的探测资料，导水裂隙带高度与煤层采厚的比值约为19.5，导通至白垩系下统洛河组下段砂岩裂隙潜水含水层。由此可知，矿井致灾含水层为侏罗系中下统直罗-延安组砂岩裂隙潜水含水层和白垩系下统洛河组下段砂岩裂隙潜水含水层。由于前者直罗-延安组含水层厚度相对较小，富水性较弱，水量有限，对矿井涌水量的影响不大。而后者洛河砂岩潜水含水层为河流相沉积，富水性好，存在局部富水区，且以净储量为主，是矿井突水的主要充水水源。

通过上述水质分析和导水裂隙带导通层位的分析结果可知，矿井突水水源稳定，主要来自白垩系下统洛河组下段砂岩裂隙潜水含水层。

3 涌(突)水危险性评价

充水水源和充水通道是煤矿顶板涌(突)水的2大必要条件。由前述分析可知，充水水源主要是白垩系下统洛河组下段砂岩裂隙潜水含水层，同时，根据一盘区工作面突水特征分析结果和文献[22-23]的研究成果，该矿井还存在明显的离层突水特征。能够引起矿井较大涌水，甚至导致离层水害事故的可致灾离层空间主要发育在宜君组粗砾岩和下位直罗组顶部泥岩之间(图2)。

对于充水通道，该矿井地质构造相对简单，未发现大型的导水构造，因此可以判定采动引起的导水裂隙带是煤层顶板涌(突)水的主要充水通道。文中通过对洛河组下段砂岩裂隙含水层富水性、离层发育危险性、冒裂安全性分别进行评价分区，并将3个分区结果进行叠加分析，对顶板涌(突)水危险性进行综合性评价。

图2 4-2煤层顶板之上地层柱状Fig.2 Columnar strata above the roof of 4-2 coal seam

3.1 主控因素富水性

文中选取洛河组下段砂岩裂隙潜水含水层的厚度、岩芯采取率、冲洗液漏失量、单位涌水量和渗透系数5个主控因素，根据井田勘探时期钻孔数据，分别做出专题图。采用G1-变异系数法对各主控因素进行赋权，构建评价目标含水层富水性大小的综合指数，即富水性指数，然后进行综合性评价分区。

3.1.1 主控因素的建立

1)含水层厚度。通常情况下，若其它因素一定，含水层越厚，则含水量越大，富水性就越好。根据井田内洛河组下段砂岩裂隙含水层厚度统计数据绘制出含水层厚度等值线图(图3(a))；

2)岩芯采取率。通常情况下，岩芯采取率越低，说明岩层较为破碎，裂隙较发育，储水能力和导水能力越好，富水性越强。根据岩芯采取率绘制等值线图(图3(b))；

3)冲洗液漏失量。一般情况下，冲洗液漏失量越大，说明岩层的孔隙性越好，富水性越强。根据冲洗液漏失量绘制等值线图(图3(c))；

4)单位涌水量。是直观反映含水层富水性的重要参数，单位涌水量越大，含水层富水性及其与其他含水层的相互补给关系就越好。根据井田内水文钻孔的抽水实验结果，绘制等值线图(图3(d))；

5)渗透系数。是反映岩土体渗透能力的重要参数。渗透系数越大，说明岩土体的渗透能力越强，富水性也越强。根据井田内水文钻孔的抽水试验结果，绘制等值线图(图3(e))。

图3 各主控因素等值线Fig.3 Contours of main control factors

3.1.2 权重确定

1)GI法确定权重。GI法是一种通过确定评价指标的序关系和相邻指标之间的重要程度来进行赋权的方法。其步骤如下

第一步：确定各指标的顺序关系。

(1)

表3 rk取值及说明

(2)

(3)

2)变异系数法确定权重。变异系数法是一种客观性赋权法。具体的计算步骤如下

第一步：计算变异系数

利用式(4)算出各指标的变异系数。

(4)

第二步：计算权重系数

利用式(5)即可算出各项指标的权重系数。

(5)

式中vk为第k项指标的变异系数；wk为第k项指标的权重系数；m为指标个数。

3)综合权重的确定。利用式(6)将GI法、变异系数法所得到的权重值进行融合，即可得出基于GI-变异系数法的综合权重系数。

wk=βwkg+(1-β)wkb

(6)

式中wk为第k项指标的综合权重系数；wkg为第k项指标的G1权重系数；wkb为第k项指标的变异系数法权重系数；β为偏好系数，取0.5.

即wk=0.5wkg+0.5wkb

(7)

3.1.3 权重计算

选取前述5个主控因素，构建洛河组下段砂岩裂隙含水层富水性评价指标体系(表4)。

表4 富水性的指标体系

1)权重计算。根据前述方法介绍，采用G1法权重计算结果见表5，变异系数法权重计算结果见表6，综合权重的计算结果见表7.

表5 基于G1法的各指标权重值

表6 基于变异系数法的各指标权重值

表7 基于G1-变异系数法的各指标权重值

2)无量纲化处理。对富水性具有正相关影响的指标数据，采用公式(8)进行无量纲化处理，对富水性具有负相关影响的指标数据，采用公式(9)进行无量纲化处理。

(8)

(9)

式中 maxx为x指标的最大值；minx为x指标的最小值；xi为x指标中第i个指标的具体数值；Xi，Yi分别为归一化后的属性值。

3.1.4 富水性评价分区

对影响含水层富水性的各主控因素，进行无量纲化处理后，利用G1法-变异系数法综合确定的各主控因素权重系数，将反映洛河组下段砂岩裂隙含水层富水性的5个指标，利用式(10)进行组合后，作为评价含水层富水性的综合指数，得到基于综合赋权的富水性评价分区图(图4)，其中富水性指数0.05～0.15为弱富水区，0.15～0.35为中等富水区，0.35～0.55为较强富水区，0.55～0.83为强富水区。

(10)

D=0.216 4f1(x,y)+0.284 4f2(x,y)+0.270 6f3(x,y)+0.146 3f4(x,y)+0.082 4f5(x,y)

式中D为富水性指数；Wk为各控制因素的权重值；fk(x，y)为单因素影响值函数；x，y为坐标；n为影响因素的个数。

图4 含水层富水性分区Fig.4 Zoning of aquifer water yield capacity

3.2 离层发育危险性

该矿煤层综放开采条件下覆岩存在离层发育特征，离层水是矿井突水的重要水源。研究表明煤层上部岩层中可致灾的“空腔型”离层空间发育在宜君组粗砾岩和直罗组顶部泥岩之间，而直罗组地层与上覆宜君组不整合接触，直罗组顶部砂泥岩分布存在不均一性(图5)。当直罗组顶板岩性为泥岩时，与上覆较硬的宜君组粗砾岩发生不均匀沉降，容易产生较大离层空间，且该层泥岩平均厚度12 m，在离层空间接受上覆洛河组含水层补给后，遇水膨胀，裂缝弥合，容易形成封闭含水空间，发生离层突水危险性大。而砂岩分布区，砂岩硬度大，与上位宜君组粗砾岩之间不容易形成体积较大的离层空间，且砂岩扰动后裂隙难以自动弥合，因此不具备形成封闭离层空间的基本条件，可视为安全区(图6)。

图5 直罗组顶板砂泥岩分布图Fig.5 Distribution of sand and mudstone in roof of Zhiluo Formation

图6 离层发育危险性分区Fig.6 Risk zoning of separation layer development

3.3 冒裂安全性

导水裂隙带作为导水通道，其发育高度是决定能否突水的关键因素[24-25]。用导水裂隙带突破洛河组底界高度作为评价顶板冒裂安全性的定量指标，对井田冒裂安全性进行分区。

通过导水裂隙带发育高度的数值模拟计算结果和矿井实测结果，裂采比约19.5.根据裂采比对全井田导水裂隙带高度进行预测，圈定突破白垩系下统洛河组下段含水层范围(图7)。其中，突破区域视为冒裂危险区，未突破区域视为安全区(图8)。

图7 导水裂隙带突破洛河组底界高度分区Fig.7 Zoning of water breakthrough zone breaking through the bottom boundary of Luohe Formation

图8 顶板冒裂安全性分区Fig.8 Safety zoning of roof crack

3.4 评价结果

将得到的含水层富水性、离层发育危险性和冒裂安全性的分区图进行融合，对整个井田的煤层顶板涌(突)水危险性进行评价。不同评价区划分标准不同，文中根据该矿实际情况，采用表8分区标准进行评价分区。根据叠加分析结果，煤层顶板涌(突)水危险性可分为8个区。分别为：相对安全区、离层突水较安全区、离层突水中等危险区、离层突水危险区、顶板含水层突水较安全区、顶板含水层突水中等危险区、顶板含水层突水较危险区、顶板含水层突水危险区(图9)。

表8 涌(突)水危险性分区标准

从图9可以看出，存在顶板突水危险的区域主要分布在井田的中部和西部，其中一、二盘区由于煤层采厚大，导水裂隙带突破洛河组底界的区域大，顶板涌(突)水危险性最大，且局部存在离层强突水区，对矿井安全生产威胁较大，该情况在一盘区实际回采过程中也得到了证实。井田三、四盘区主要为涌(突)水中等危险区，对矿井安全生产威胁相对较小。位于井田东北部的五盘区，大部分区域为相对安全区，局部存在含水层突水中等危险区，对矿井安全生产威胁不大。

图9 煤层底板涌(突)水危险性分区Fig.9 Zoning of roof water inflow(inrush)risk of coal seam

4 结 论

1)采用水质分析与导水裂隙带发育高度分析相结合的方法，判定煤层顶板涌(突)水的主要致灾水源为白垩系下统洛河组下段砂岩裂隙潜水含水层。煤层顶板可致灾离层空间发育在宜君组粗砾岩和直罗组顶部泥岩之间。

2)通过含水层富水性分区图、离层发育危险性分区图和顶板冒裂安全性分区图的复合叠加分析结果，矿井涌(突)水危险区主要分布在井田中部和西部，其中，中部一、二盘区矿井涌(突)水危险性最大，且存在局部强离层突水区。井田东北部和西南部矿井涌(突)水危险性小，大部分为相对安全区。