上社煤矿9#煤层底板突水危险性评价与应用

刘爱军

（晋能集团阳泉公司上社煤矿，山西 盂县 045100）

1 工程概况

山西阳泉市上社煤炭有限责任公司位于太行山西翼，系舟山南侧，属低山丘陵地貌，为剥蚀型山岳地貌。井田范围内稳定可采煤层主要为9#和15#煤层，局部可采煤层为6#、8#和19#煤层。9#煤层平均厚度为3.6 m，煤层顶板岩层为泥岩、砂质泥岩和粉砂岩，底板为泥岩、细砂岩和粗砂岩。

9#煤层主要充水含水层为山西组碎屑岩裂隙含水层，山西组及以上砂岩裂隙含水层厚度为25.68 m，平均静止水位标高为+490 m。由于底板含水层的水位标高大于9#煤层底板标高，故在9#煤层回采时，属于带压开采。为防止9#煤层回采过程中产生底板突水，具体分析山西组碎屑岩裂隙含水层的突水危险性。

2 评价模型理论与主控因素

2.1 基于GIS的AHP型脆性指数法评价理论

脆性指数法理论主要是采用多源信息复合技术进行叠加，评价方法中以环套理论作为基本理论。基于GIS的AHP型脆性指数法在进行评价时，首先采用GIS软件进行采集，数据转换，编辑及概化和计算，以此建立GIS空间和属性数据库；随后基于数据库，建立层次结构模型，确定主要影响因素的数量，通过构造判断矩阵，确定各个影响因素目标层的权重； 最后通过GIS软件的显示及制图功能进行分析结果的直观表达［1-2］。

2.2 主控因素确定

根据上社煤矿井田范围内的地质及钻孔资料可知，底板的主要隔水岩层为9#煤层至底板山西组碎屑岩裂隙含水层间的隔水岩层。井田范围内发育有3 个褶曲、9 个陷落柱、17 条断层（落差大于5 m），上述地质构造形成的弱结构为底板承压水的主要突水通道。基于上述9#煤层的地质条件，确定本次评价模型的主控因素见表1。

表1 9#煤层底板突水评价主控因素

2.3 主控因素专题图建立

根据上述确定的各项主控因素，分别进行相应图件表述，具体如下：

（1）含水层水压： 根据井田范围内的地质钻孔资料，得出含水层顶界面的标高，再结合钻孔对含水层水位的监测数据，得出含水层水位标高的变化情况，通过含水层水位标高减去含水层顶界面标高，计算得出含水层的水压值。9#煤层底板含水层水位标高数据见表2，采用GIS软件获得含水层水压专题见图1（a）。

表2 9#煤层底板含水层水位标高数据

（2）含水层富水性：根据煤矿防治水细则中的“大井法”的计算公式如下［3-4］：

基于上式，将地质钻孔统一换算直径为91 mm，抽水降深为10 m时的单位涌水量。底板含水层单位涌水量见表3，专题见图1（b）。

表3 底板含水层单位涌水量数据

（3）矿压破坏带下脆性岩的厚度：采动影响下钻孔的破坏深度的计算表达式为：

式中：H为工作面埋深；a为煤层倾角，L为工作面斜长。本次9#煤层开采的区L为200 m，煤层倾角在5°～12°之间，取12°，工作面的埋深根据钻孔取值。根据井田内钻孔数据，通过GIS软件处理得出矿压破坏带下脆性岩厚度专题，见图2（c）。

图1 含水层及脆性岩、有效隔水层厚度专题

（4）有效隔水层厚度：有效隔水层厚度等于隔水层的厚度减去底板破坏带的深度。现将不同岩性的岩层采用等效系数折算成等效厚度，在通过累加计算生成隔水层等效厚度专题，见图1（d）。

（5）断层与褶皱的分布：根据矿井地质资料，通过软件处理，得出断层与褶皱分布的专题，见图2（a）。

（6）断层与褶皱交点和端点分布：煤岩体在断层或褶皱的作用下，会在平面和空间上形成有一定发育规律的交叉点和尖灭点，工作面回采至在该处，导水可能性增大。断层与褶皱交点和端点的局部放大专题见图2（b）。

（7）断层规模：通过对井田内断层落差和走向长度统计分析，计算得出井田范围内的断层指数规模，建立250 m×250 m的单元网格，软件处理得出断层规模指数等值线见图2（c）。

图2 构造分布专题

（8）陷落柱分布：井田范围内岩溶相对较为发育，岩溶发育区域具有较高的突水危险性。将突水量化为1，将缓冲裂隙区相对发育量化为0.8，通过软件处理生成陷落柱分布专题，见图2（d）。

3 底板突水危险性评价

3.1 评价模型设计

依据9#煤层底板的特征，对底板山西组碎屑岩裂隙含水层的突水危险性进行分析。采用层次分析法，具体建立三个层次，其中A层次为目标层，B层次为准则层，C层次为决策层。具体评价模型见图3。

图3 碎屑岩裂隙水脆弱性指数法评价模型

模型建立后，基于底板的各项突水因素，通过专家打分的方式进行突水因素的评价，再基于评价结果构造判断矩阵，最后决策各项因素对目标层的各项权重数据见表4。

表4 影响底板山西组碎屑岩裂隙含水层含水层

3.2 评价流程与结果

脆弱性指标指数法评价流程主要为：数据归一化→单因素归一化专题图→专题叠加模型建立→评价区划分成果。其中评价流程中的数据归一化处理主要为消除不同量纲数据对结果的影响，专题叠加能够通过复合叠加将各影响因素放置于一个存储层内。模型建立时采用如下公式进行表述：

将表4 中的数据代入式（3）中能够计算得出：

根据计算结果，设置山西组碎屑岩裂隙含水层突水危险性评价分区四级阀值，分别为0.24、0.30、0.35 和0.44。根据四种阀值将研究区域划分为五个区域：具体划分标准如下：

根据上述划分标准，得出山西组碎屑岩裂隙含水层含水层的评价分区见图4。

图4 山西组碎屑岩裂隙含水层突水脆弱性评价分区

由图4 可知，井田范围内9#煤层底板山西组碎屑岩裂隙含水层的突水危险性从北部向南部逐渐递减。井田北部含水层的突水危险性相对较大，且在地质构造区域处，基本均处于脆弱和较脆弱区域；井田南部相对安全区较为集中；井田中南部较安全区域较为集中，且呈现为东西条状分布；井田东部及中部偏北过渡区域较为集中。

4 结语

通过分析9#煤层底板碎屑岩裂隙含水层的主要特征，基于GIS的AHP型脆性指数法评价理论进行突水危险性评价；通过分析确定主控因素和绘制主控因素专题图，采用脆弱性指数法进行评价，得出山西组碎屑岩裂隙含水层脆性和较脆弱区域主要分布在井田北部，过渡区域主要分布在井田东部和中部偏北，其余区域为较安全区和相对安全区。