城郊煤矿二水平煤层底板突水危险性综合评价研究

段李宏，张金陵

(河南能源化工集团永城煤电控股集团有限公司，河南 永城 476600)

煤层底板高承压含水层在采掘扰动下诱发突水事故，是煤层开采过程中的一种严重地质灾害，常造成严重的人员伤亡与财产损失，严重威胁煤炭资源的安全高效开采[1，2]。而且，采掘诱发煤层底板突水是一项具有高承压性、突发性、破坏性强特点的复杂动力地质灾害，具有很高的不确定性，且难以准确预测和有效控制。随着我国浅部煤炭资源的日益枯竭，开采深部煤炭资源必将是我国今后主要的资源来源，而深部煤炭资源开采必将面临煤层底板突水灾害的严重威胁[3，4]。煤层底板高承压水突水灾害的诱发机理十分复杂，突水水源主要是煤层底板奥灰岩溶水、太灰岩溶水、老空水等，导水通道多为底板裂缝带、隐伏陷落柱、导水断层等。例如，1988年10月24日淮北杨庄煤矿Ⅱ617综采工作面底板突发特大型突水灾害，实测瞬时最大突水量达3153m3/h，导致4个采区被淹，直接经济损失高达1.50亿元，原因主要是煤层底板隐伏构造断裂带沟通底板太原群灰岩高承压含水层，同时奥灰水侧向补给导致突水[5]。2010年3月1日，骆驼山煤矿16号煤+870m水平回风大巷掘进工作面发生突水，涌水量65000m3/h，造成全矿井淹没，32人遇难，其诱发机理就是煤层底板隐伏陷落柱导通底板高承压奥灰水[6]。2017年5月22日，东于煤矿井下三采区03304巷底板发生老空水突水事故，造成6人死亡，直接经济损失505.50万元[7]。由此可见，煤层底板高承压水突水事故已经成为制约我国煤炭资源安全、高效开采的重要威胁之一。

目前，开展煤层底板突水危险性评价主要采用的是“突水系数法”，此种方法是基于大量的突水实例分析得出的一种经验规律性方法，被广泛应用于各种地质条件的煤矿开采实践中[8]。但是，由于各类煤层底板地质构造差异巨大，“突水系数法”具有一定的局限性，无法考虑到煤层底板地质构造的复杂程度，而这些地质构造又往往是造成煤矿底板突水的重要导水通道，其中最主要的就是导水断层构造，而通过预留安全煤柱的方法又会造成大量可采资源的浪费[9]。本文就在充分分析城郊煤矿二水平煤层底板断层构造复杂程度的基础上，采用“突水系数法”和“分形分维理论”对底板突水危险性进行了综合分区评价，为指导城郊煤矿二水平煤炭资源的安全开采提供了必要的理论支撑。

1 城郊煤矿概况

1.1 矿山基本情况

城郊煤矿位于河南省永城市境内，矿井采用立井多水平开拓方式，一水平标高-495m，二水平标高-800m，矿井设计生产能力2.40Mt/a。采用分区上行开采的开采方式，目前主采一水平东翼采区二2煤层。随着矿井生产能力的提高，一水平服务年限逐渐减少，矿井开采水平将逐步转入二水平，主采煤层埋深最大即将达到1000m。城郊煤矿二水平二2煤层分布相对稳定，资源储量大，是矿井接续资源开采的重要方向。

但是城郊煤矿二水平二2煤层受到太原组灰岩含水层的威胁较大，预计太原组灰岩含水层水压高达6～7MPa，突水系数均超过《煤矿防治水细则》的正常地段0.1MPa/m的推荐值。二水平二2煤层处于“三高一扰动”的复杂地质与力学环境中，为保证其安全开采，对其进行更加合理的突水危险性评价十分重要。

1.2 井田地层条件

根据矿区钻孔揭露的地层自下而上分别为奥陶系中统马家沟组(O2m)灰岩、石炭系中统本溪组(C2b)铝质泥岩、上石炭统太原组(C2t)灰岩与泥岩互层、二叠系下统山西组(P1s)泥岩砂岩互层、下统下石盒子组(P1x)泥岩、上统上石盒子组(P2s)灰岩、上统石千峰组(P2sh)砂岩。其中主要含煤地层自下而上为上石炭统太原组，下二叠统山系组、下石盒子组，上二叠统上石盒子组地层。城郊煤矿二水平二2煤层主要受太原组群灰岩含水层和奥陶系灰岩含水层威胁，局部煤层底板距太原组灰岩含水层仅有13.50m，平均50.36m，厚度差异巨大。

1.3 主要隔水层特征

矿区主要隔水层为山西组底部泥岩、砂质泥岩隔水层，山西组可采煤层为二水平二2煤，该煤层与太原组L11灰间距32.14～72.58m，平均51m左右，层位稳定。泥岩与砂质泥岩互层隔水层累计平均厚度26.5m，形成了较好的隔水层，在无构造破坏条件下，可以避免发生太原组灰岩突水事故。但是，城郊煤矿自建井以来发生过多次底板断层突水事故，最大突水量达300m3/h，钻孔资料也证实了煤层底板断层构造极为发育，且多为小型断层，成为制约二水平二2煤层安全开采的巨大威胁。

2 二水平煤层底板断层构造特征分析

2.1 断层特征

城郊煤矿二水平底板断层构造极为发育，大中型断层数量较少，小型断层占大多数，大部分为正断层，断层构造发育简图如图1所示。断层走向在0°～360°区间基本上呈现均匀分布，且走向以NE、NW为主，近SN方向较少，断层走向玫瑰花图，如图2所示。断层倾角主要集中在41°～70°之间，约占断层总数的95%左右，可见二水平底板以高角度断层发育为主，且断层落差以小于5m的最多。由于小断层数量多，勘探精度较低，多数是在采掘过程中被揭露的，因此是矿井水害防治的重点对象。

图1 城郊煤矿二水平底板断层分布与网格划分

图2 底板断层走向玫瑰花图

2.2 断层密度分布

在城郊煤矿二水平二2煤层底板断层分布图的基础上，以500m×500m的正方形将其总共划分为160个块段，依次编号为K1～K160，如图1所示。然后对每个块段的断层数量进行统计，依次得出各个块段的断层密度，将得到的断层密度统计数据，通过ArcGIS空间插值克里金法进行数据处理，得到了断层密度等值面平面图，如图3所示。

图3 底板断层密度等值面

由图3中可以看出，该区断层密度东西部大多在15条/km2以上，表明二水平总体断层构造格局复杂，从井田的断层密度分布可以看出，中部地段的密度相对较小，分布区间主要8条/km2以下。

2.3 断层强度分布

对每个块段的断层落差和延伸长度分别进行统计，断层强度可以采用式(1)进行计算：

式中，Li为单元内第i条断层的水平延伸长度，m；Hi为第i条断层的落差，m；S为统计面积，104m2。

根据依次算出每个段块的断层强度，将得到的断层强度统计数据通过ArcGIS空间插值克里金法进行数据处理，得到了研究区断层强度等值面平面图，如图4所示。

图4 底板断层强度等值面

由图4中可以看出，该区断层强度大多在500以上，表明井田的总体断层构造格局复杂，从井田的断层强度分布可以看出，中部地段的强度相对较小，分布区间主要500以下。根据断层强度等值面图可以看出，强度高的地区，一般是大中型断层延伸长度较长的区域；强度低的区域，一般是小型断层所在区域。

3 二水平底板突水系数法危险性分区

2018年9月实施的《煤矿防治水细则》中的突水系数计算公式如式(2)：

T=P/M

(2)

式中，T为突水系数，MPa/m；P为含水层水压，MPa；M为隔水层厚度，m。

突水系数值来衡量承压开采所导致的煤层底板突水危险性，即单位隔水层厚度所能承受的极限水压，突水系数越大，表明突水的危险性也就越大。

城郊煤矿二水平二2煤层底板距离最近的含水层为L11太灰含水层，且通过矿山长期的水文地质观测资料可以确定该含水层的水压为4.6MPa。L11太灰含水层与二水平二2煤层底板之间的直接隔水层为山西组底部泥岩、砂质泥岩隔水层。通过矿山历年的地质钻孔资料，可以对该隔水层的厚度进行统计分析，从而计算得到在L11太灰含水层直接威胁下，二水平二2煤层底板的突水系数。结合钻孔孔位信息，便可以绘制出突水系数等值线，如图5所示。

图5 底板突水系数等值线

从图5中可以主直观的看出，二水平二2煤层底板东西两侧的突水系数明显大于中间位置，这是因为两侧的隔水层厚度较薄，且变化较大所致。

4 基于分形分维理论的底板突水危险性分区

分形分维理论是法国数学家Manderbrot于1975年率先提出的，在具有相似性的曲线与图形及自反射分形集等方面有较多研究与应用[10，11]。分形理论作为研究不规则形体的自相似性与复杂性的理论，为定量化研究地质构造的复杂性提供了一种新方法[12]。分形分维理论作为评价断层复杂程度的优越性十分明显，可以将断层的数量、水平延伸长度、断层分布范围和分布的不均匀性等关键信息综合涵盖，可以作为矿井地质构造复杂程度的综合性指标。故本文采用基于矿区二水平断层构造迹线的分形分维评价方法对其底板断层发育的复杂程度进行定量评价[13]。

4.1 分形分维基本理论

目前研究断层构造主要应用较多的是具有自相似性的分形，即线性分形。可以采用网格覆盖法在断层网格上计算分维值，即用尺寸为r的网格去覆盖断层构造迹线，记录下含有断层迹线的网格数N(r)，再用按一定比例缩小后的尺寸ri的网格继续覆盖，再得到相应的网格数N(ri)，绘制一条以ln(r)-lnN(r)为横竖坐标轴的双对数曲线，经过线性拟合后其直线斜率就是分形维数[14，15]。

根据二水平划分的160个网格块段，可得到每种网格间距下块段内的断层迹线的网格数。采用双对数坐标系，以K1块段为例，计算结果如图6所示，由图6可知，K1块段的分形维数为0.903，相关系数R2为0.967，按此方法依次计算出剩余块段的分形维数。

图6 块段K1分维值计算

4.2 二水平底板构造复杂程度分区

通过双对数线性回归分析表明，断层网络分布的单元数据相关系数较大，绝大多数相关性好，拟合直线的斜率即为该单元的断层相似维值。单元网格中心的分维值即相似维值，反映断层的复杂程度。然后将网格单元的中心经纬度和断层相似维值绘制断层的分维等值线平面图，得到底板二水平断层分维平面分布，如图7所示。从图7中还可以看出，分维值高的地区，属于断裂构造复杂区域，往往就是断裂构造非常发育的区域，一般断裂交叉点多，断裂的规模也比较大；分维值低的区域，属于断裂构造简单区域，实际条件断裂构造一般较为稀疏，断裂出现交叉的情况也较少，断裂的规模一般也不大，对开采较为有利。

图7 城郊煤矿断层复杂程度分维值平面分区分布

4.3 与突水系数法的对比分析

综合断层复杂程度分形分维值与突水系数值，将两种危险性评价方法拟合在一起，整体观察该研究区的突水危险性，得到突水危险性综合评价图，如图8所示。由图8还可以看出，在二水平底板突水不安全区或安全区同时也是断层构造复杂区或简单区，二者在一定程度上存在关联对应关系。由两种危险性评价方法综合得出城郊煤矿二水平底板的东西部开采突水危险性大，开采不安全；而在二水平矿区的中部，则是比较安全，但也不是绝对的，因为从图8可看出在该区的北部也出现构造复杂地区它的突水系数值却不大，或者突水系数值较大的地区构造复杂程度比较简单，这也与构造分布程度有一定的关系。

图8 突水危险性综合对比分区评价

5 结 论

1)运用突水系数法绘制的城郊煤矿二水平二2煤层底板突水系数等值线和运用分形分维理论计算得到的底板断层构造复杂程度分布，均可以直观的得出二水平底板东西部突水危险性较中部位置较大。

2)结合突水系数法和分形分维发对二水平底板突水危险性进行了量化与综合对比分析评价。表明两种方法的评价结果具有较好的一致性。断裂构造复杂程度分维值与突水系数值存在明显的正相关性，断裂构造复杂区域则对应的突水系数值明显偏大，综合对比得到了二水平煤层底板在东部和西部突水危险性均较大，中间区域偏安全。