小回沟煤矿9#煤底板带压开采突水危险性评价

张 雷

（山西小回沟煤业有限公司，山西 清徐 030400）

0 引言

在近几年煤矿逐渐向深部开采，而深部开采面临的一个问题就是煤层底板的突水威胁性，近几年国内学者提出的“下三带”与“下四带”理论都指出工作面的开采导致了底板发生破坏，并最终导致裂隙带的产生[1～2];而“关键层理论”指出含水层之上存在一隔水能力和承载能力较强的岩层起到关键防护作用[3],而煤矿中突水事故往往是由多因素造成的，这也就导致了其不确定性和复杂性，为此建立突水危险性评价体系是有其特殊意义的。

1 工程背景

小回沟井田属太原西山煤田的一部分，地理位置在清徐县，主采煤层为2号、6号、8号、9号，井田各可采煤层均存在奥陶系灰岩水带压开采，其中9号煤位于太原组，9号煤层顶板导水裂缝带发育高度为33.05～73.48m，带压高度大，底板隔水层变薄处、较大断层和陷落柱等构造地段存在潜在突水威胁，对煤矿安全开采影响较大。故重点围绕奥灰岩溶裂隙水对9号煤开采影响分析。

2 突水系数评价法

2.1 水位标高观测

奥陶系地层在井田内属埋藏型，岩溶裂隙发育差，为此在9#煤层范围内布置了11个钻孔，根据钻孔所得到的数据得到了表1。

表1 抽水试验观测结果

已知9煤位于石炭系太原组含煤组，从上表可以看出该煤层下距奥陶系灰岩顶板层约93.116～237.951m，平均140.756m，据本次抽水试验成果推测井田内奥陶系岩溶水水位标高为+902.06m～946.69m，平均在+929.035m。

2.2 突水系数计算

煤层底板涌（突）水危险性评价采用突水系数法评价，由于煤层底板突水的不确定性，其中底板隔水层厚度和水压对其影响较大，为此将两者作为主要考虑因素，为此将各个钻孔得到的相关数据进行了整理得到了表2，并据此得到了9#煤层水压等值线图及煤层底板隔水层厚度等值线图。根据《煤矿防治水规定》，突水系数计算公式为：

式中：T为突水系数(MPa/m)；P为隔水层承受的水压（MPa）；M为底板隔水层厚度（m）。

表2 突水系数计算表

图1 9#煤层水压等值线图

根据表2可以看出9#煤层隔水层厚度在48.36～76.00m之间，均值为61.56m，而底板水压最小值为1.390MPa，最大值在2.824MPa，9煤底板奥陶系灰岩岩溶水突水系数为0.024～0.056MPa/m；观察图1中水压等值线图可以发现水压较大值位于井田西部，自西向东逐渐递减，其中井田东北部水压较小，但仍在1.35MPa左右；观察图2中隔水层厚度等值线图可以发现隔水层厚度在井田西南及东北部都较小，隔水层厚度在井田北部中心区域最大。

图2 9#煤层底板隔水层厚度等值线图

2.3 煤层底板突水危险分区

根据相关地质资料以及上述结果得出了9#煤层底板突水危险区分图，详情见图3。

图3 9#煤层底板突水危险区分图

由9号煤层底板突水危险性分区图（图3）可以看出，本次井田内多数区域突水系数小于0.06MPa/m，突水危险性都较低，相对安全；在井田东北部区域断层、陷落柱等构造较多，且上部2、6号煤层开采时的多次扰动，容易增大断层陷落柱导水可能，但由于奥灰富水性弱，9煤开采至此范围附近时虽然存在突水的可能，但水量不大，威胁也不大，因此小回沟井田东北部断层、陷落柱发育范围内为突水威胁区。

3 脆性指数评价法

3.1 关键因素确定

脆弱性指数评价法[4]是一种层次分析法模型，而确定模型主控因素是其中关键，为此根据小回沟煤矿地质资料及过往经验，将模型分为A、B、C三个层次，分别代表模型目标、准则层、决策层，其中决策层为主控因素，具体包括奥陶系灰岩含水层的水压、奥陶系灰岩含水层富水性、构造线规模指数、断层交点与端点分布、陷落柱密度、有效隔水层等效厚度、隔水层脆塑性岩比值，并分别作出各个因素的专题图，由于篇幅所限，此处仅列出水压及隔水层厚度专题图见图1、图2。综上所述建立模型结构图见图4。

图4 模型结构图

3.2 各因素权重值的确定

已知模型结构，继而对各个因素进行判断，并进一步求出各个因素权重值，本次使用AHP判断矩阵[5]求取权重值，主要利用T.L.SAATY创立的1～9标度方法对各个因素进行量化打分，并将各个影响因素所得总分进行评比，由此构建该区9煤的底板突水AHP评价的判断矩阵（略），运用matlab求出各因素权重值见表3。

表3 影响底板突水各主控因素的权重

3.3 模型建立

已知各个因素权重值，引入单一函数fk（x，y），其中x，y为地理坐标，脆性指数就是通过各个因素对某一位置产生的叠加影响总和，由此可以得出小回沟煤矿9煤煤层底板突水脆弱性评价模型为：

式中：VI为脆弱性指数；Wk为影响因素权重；fk（x，y）为单因素影响值函数，具体就是第k个主控因素量化值的归一化后的值；（x，y）为地理坐标；n=7为影响因素的个数。

3.4 煤层底板突水脆弱性评价分区

根据突水系数法计算处不同位置的脆性指数，指数范围都在0～1之间，指数越高，表明突水危险性越高，通过对各项数据进行统计分析后得出分区阈值。并据此将井田区域进行了划分，其中煤层底板突水脆弱区在 0.449～1之间，较脆弱区在0.311～0.449之间，突水过渡区在0.207～0.311之间，较安全区在0.035～0.207之间，安全区在0～0.035之间，其中区域划分详情见图5。

图5 9#煤层底板突水危险性评价分区图

由图5可以看出，井田西部区域发生底板奥灰水突水危险的概率最高，为危险区，因为西部水压值大，隔水层等效厚度小，所以该区域底板隔水层抵抗水压的能力相对较差，底板存在一定的涌（突）水危险性。而井田中西及南部为较危险区，该区域水压值相对危险区小一点，隔水层厚度比危险区高一些，但相差不大，富水性相对中等，所以该区域奥灰水对9#煤层开采存在一定的危险可能性。井田中部向东北部过度期间，底板奥灰水突水危险性伴随着水压的降低而递减，依次划分为过渡区、较安全区、安全区，富水性整体较弱，奥灰水对9#煤层开采影响也越来越小。

4 结论

1）通过采用突水系数计算法得出因此小回沟井田多数区域为安全区域，但在东北部断层、陷落柱发育范围内为突水威胁区。

2）通过采用脆弱性指数评价法分别对9#煤层进行了突水评价，得出小回沟井田9#煤层底板奥灰水涌（突）水危险区主要分布于井田西部，较危险区主要分布于井田中西及南部，井田中部向东北部首采区过渡区域，9#煤层底板奥灰水涌（突）水危险性依次划分为过渡区、较安全区、安全区。