煤层气开采后成庄矿15号煤层底板突水危险性评价

李建林，赵帅鹏，崔延华

（1.河南理工大学 资源环境学院，河南 焦作 454000；2.煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心，河南 焦作 454000；3.广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司，广西 南宁 530000）

0 引言

煤和煤层气都是重要能源。在我国，八大成煤期中有四个成煤期形成的煤层是煤层气富集的重要储层［1］。目前，国内外常用的煤层气增产技术为水力压裂技术［2］。如果煤层与含水层之间距离较小，煤层气钻井和水力压裂会增加煤层底板发生突水的可能性，因此，煤层气开采后，煤炭开采突水机制研究和危险性评价对于煤炭安全开采具有重要的理论和实际意义。在我国，由于相关实测资料较少，相较于奥陶系灰岩岩溶发育、富水规律及影响因素研究［3-6］，针对煤层气开采后煤炭开采底板突水规律研究起步晚、成果少。孟召平等［7-8］分析了地下水运移逸散和水力封闭控气对煤层气的作用，并以成庄矿为例，对煤层气开采后煤层底板突水危险性进行了评价；宋志敏等［9］探讨了沁水盆地煤层气开采压裂裂缝对煤层顶底板的影响；雷波等［10］模拟了寺河矿煤层气井水力压裂对煤炭安全生产的影响；杨海亮［11］从钻孔和排采过程入手，探讨了煤层气地面开发对地下水的影响。

煤层底板突水评价方法有多种，其中常见的有五图-双系数法、突水系数法和脆弱性指数法。其中脆弱性指数法是通过GIS软件进行数据分析、处理和绘图，并在此基础上结合现代数学方法建立预测、预报和评价的煤层底板突水模型［12］。该方法全面分析突水因素，体现了突水的复杂性。因此，笔者以山西沁水盆地南部的山西晋煤集团成庄煤矿为研究区，对煤层气开采后的煤层底板突水机理进行分析，采用分形-脆弱性指数法对研究区15号煤层底板奥陶系含水层突水危险性进行评价，以期为煤层气开采后煤炭安全开采提供参考。

1 煤层气开发对煤层底板突水影响的力学分析

水力压裂对煤层顶底板整体性破坏主要表现为潮解膨胀破坏和拉断破坏。煤层底板岩石破裂压力（Pf）反映了岩石抗水压（Pw）的能力，即

式中：σhmax和σhmin分别为最大和最小水平主应力；T为岩石抗拉强度；P0为初始空隙压力。

（1）Pw＜Pf时，煤层底板岩石可以承受水压的冲击，从岩体强度角度考虑，煤层底板不会发生突水，其突水危险性主要取决于含水层、隔水层和地层构造的性质。

（2）Pw＞Pf时，底板岩石不能承受水压的冲击，可能发生突水，是否突水主要由最小水平主应力（σhmin）决定：若Pw＞σhmin，则煤层底板发生突水；若Pw＜σhmin，则煤层底板不会发生突水。其突水危险性主要取决于含水层、隔水层和地层构造的性质。

（4）建立评价模型

各主控因素的合理选择是建立AHP模型的关键。影响煤层底板突水的因素有多种，本研究区在承压含水层、底板隔水层和地质构造等因素的基础上增加了煤层气开发影响因素。

由表1可知，随着含水层水压不断增大，底板发生突水的可能性也在增加。Pw＞σhmin时，底板被贯通，发生突水（序号4）；Pw＞Pf，且Pw＞σhmin时，无论底板是否被贯通，都会发生突水（序号7，8）。其他条件下（序号1～6）煤层底板虽然没有突水，但是都存在突水危险性，只是影响因素存在差异。

2.2.1 锡伯民族博物院。锡伯民族博物院位于察布查尔县孙扎齐乡境内，是国家4A级景区，博物馆以靖远寺为中心，距县城5 km，占地面积49 460 m2，是集锡伯民族历史文化展示、观光旅游、休闲度假等于一体的多功能综合旅游区。锡伯族悠久的历史文化和民族风情在这里形成独具风格的旅游特色，为游客呈现出“世界唯一，唯我独有”的魅力。

表1 煤层气开发条件下煤层底板特征和突水判别条件分析表Tab.1 Analysis of water inrush conditions in coal seam floor after CBM development

2 底板突水危险性评价方法和步骤

脆弱性指数法的核心是确定底板突水多种主控指标的权重，利用ArcGIS强大的空间信息分析处理功能合成评价图［13］。断层分维作为一个主控指标的脆弱性指数法（简称分形-脆弱性指数法），将多种主控因素合为一个［14］，减少评价指标个数，进一步量化断层状态，提高突水评价的可靠程度。其评价步骤如下。

文中涉及数据利用统计学软件SPSS 14.0进行处理，计数资料利用百分数表示、x2检验，检验标准为α=0.05。

求出网格剖分下各断层的分形维数Ds，其中N（r）为不同等级断层与网格边界交叉点的数量。利用网格剖分和移动窗口法分别求解和绘制断层分维等值线图。

此外，根据潜变量与可测变量间的路径系表可以看出所有的量表和因子之间的负载系数在0.01的显著性水平上具有统计属性。且负载系数介于0.862到0.938之间。因此原测量模型有效。

1954年天津市在华威钟厂（天津钟表厂前身）组织成立了由孙文俊、江正银、王慈民、张书文四位钟表技师组成的手表试制小组，开始试制手表。1955年3月24日天津手表试制小组仿照瑞士“生达克”（sindaco）粗码手表，使用小车床、小立铣等简陋设备，以半手工方式试制成功“中国第一只手表”，并将该表命名为“五星牌”（图04）。

（3）绘制突水脆弱性评价分区图。采用极值归一化法对数据进行归一化处理［16］，并作出各主控因素的归一化专题图。归一化公式为

式中：Ni为评价值；xi为实际值；m inxi为最小实际值；maxxi为最大实际值。

考虑底板隔水岩层厚度M与底板破坏深度h之间的关系，设h1为采动破坏深度，h2为水压破坏深度，h3为煤层气井煤层底板完井深度，则

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；x，y为地理坐标；n为影响因素个数。

（5）进行分区评价。利用自然分级法对所有区块内脆弱性指数进行划分，在此基础上进行突水危险性评价。

乔十二郎道：“不是火药，只在喷射时用火药。是高粱酒，不掺一点水的高粱酒，蘸在棉花上，点燃就是绿色的。”

3 研究区煤层底板力学特征

3.1 研究区概况

成庄煤矿位于山西沁水盆地南部，现主采3号煤层。沁水盆地南部煤层气资源储量丰富，是我国煤层气勘探开发示范区［17］。井田内地层平缓，多发育小落差、高角度的正断层，断层落差均未超过20 m，走向多为北东向，倾向多为北西向。

在煤层开采前进行地面煤层气抽采，根据钻孔资料计算煤层气钻井进入奥陶系灰岩的深度，结果显示，煤层气直井开发时，除一个钻孔外，研究区内煤层气钻井都会进入奥陶系灰岩层，深度为6.71～42.9 m，所以该区域15号煤层煤层气的开发将沟通煤层底板和奥陶系灰岩水的水力联系，但是否突水还需综合考虑地质构造、水压、富水性和底板岩层力学性质等因素。

3.2 煤层底板岩层应力和破裂压力特征

在煤层气开发中，采用水力压裂法测量研究区主要煤层的原岩应力。根据沁水盆地煤层气产能机制和分布研究，基于煤层底板埋深和含水层水位，分析最小水平主应力和破裂压力，计算并绘制15号煤层底板岩层最小水平主应力和破裂压力的等值线图（图1）。由图1可以看出，15号煤层底板最小水平主应力为6.80～7.64 MPa，破裂压力为8.75～9.59 MPa。最小水平主应力和岩石破裂压力分布特征相似，即东部大，西部较小。

图1 研究区15号煤层底板岩层最小水平主应力和破裂压力等值线图Fig.1 Contourmaps ofminimum horizontalmajor stress and rock breakdown pressure of the No.15 coal floor

4 基于AHP的煤层底板突水危险性评价

4.1 底板突水影响因素确定及量化

综合式（1）和（2），可以得到煤层气开发条件下煤层底板特征和突水判别条件分析表（表1）。

4.1.1 承压含水层

在煤层底板地质条件基本相同的情况下，承压水压力越大，发生底板突水的概率越大。另外，单位涌水量从侧面反映了含水层涌出水量的多少，可作为衡量含水层富水性的定性判断指标。因此，选取奥陶系灰岩含水层的水压和单位涌水量作为衡量底板含水层的主控因素，绘制研究区奥陶系灰岩含水层的水压和单位涌水量专题图（图2（a）和（b））。15号煤层底板水压为0.21～3.26 MPa，从东北向西南逐步增大，含水层的单位涌水量为0.001 2～1.955 0 L／（s·m），中部偏小，西北和西南偏大。

图2 15号煤层底板突水主控因素专题图Fig.2 Thematic maps ofmain factors of water inrush of No.15 coal floor

4.1.2 底板隔水层

（2）确定底板突水主控因素及权重。煤层气开发后，底板突水主要取决于煤层底板岩层破裂压力（Pf）、最小水平主应力（σhmin）、底板含水层、隔水层和地质构造等因素。利用层次分析法（analytic hierarchy process，AHP）构建底板突水模型确定底板突水主控因素权重，并对其判断矩阵进行层次分级和验证，最终求得各主控因素的权重。

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在其他条件相同的情况下，底板隔水层厚度越大，越能有效抑制底板突水。选取底板隔水层厚度作为衡量底板隔水层的主控因素，绘制底板隔水层厚度专题图（图2（c））。15号煤层底板隔水层厚度为2.2～52 m。煤层气直井开采时，除东南部一小部分区域外，钻井会进入奥陶系灰岩层。

4.1.3 地质构造

地质构造主要包括断层、陷落柱和褶皱，其中断层和陷落柱对煤层底板突水起关键作用。研究区共有断层117条，众多断层不仅减小了底板隔水层的强度，缩短了煤层与隔水层的距离，还为底板突水提供了通道。另外，由于研究区已揭露陷落柱不导水，对底板突水的影响较小，因此将断层作为衡量地质构造的主控因素，绘制研究区断层分维图（图2（d））。

（1）断层分维计算。断层分形维数包含诸多方面信息，可以客观反映断层的复杂变化。根据公式［15］

根据JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》的规定，土钉墙适用于基坑深度≯12 m的基坑侧壁安全等级宜为二、三级的非软土场地。但是，对于土质条件较好的深基坑，可对规范限定有所突破，例如在大同市承建的武定东西桥梁工程中，最大挖深18.91 m的深基坑采用土钉墙支护，取得了较好的效果。

4.1.4 煤层气开发

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15号煤层底板岩层的最小水平主应力为6.80～7.64 MPa，破裂压力为8.75～9.59 MPa，两个应力值均较大，从应力角度考虑，当其大于承压含水层水压时，不会突水，反之，则会突水。显然煤层底板突水与否受地应力和破裂压力大小的影响，因此将底板岩层的最小水平主应力和破裂压力作为衡量煤层气开采影响的主控因素（图1）。综合以上分析，煤层气开发后底板突水的主控因素为6个（图3）。

4.2 突水主控因素权重的确定

4.2.1 建立层次分析模型

根据影响煤层气开发后底板突水主控因素的分析结果，对研究对象进行分层处理（图3）。

图3 底板突水评价的层次结构模型Fig.3 AHP model of inrush assessment of floor

4.2.2 影响因子权重确定

构造判断矩阵

将12个因子适宜性评价评分值X1,X2,X3……X12,带入综合适宜性评价计算公式,求得Mβ=4.21,适宜性评价等级为II级(良)。说明溧阳南山片区乡村旅游公路总体选线适宜性水平处于良好水平。

进行一致性检验，确定煤层气开发后底板突水主控因素权重。经计算，含水层水压、含水层单位涌水量、隔水层有效厚度、断层分维、底板岩层最小主应力和岩石破裂压力的权重分别为0.31，0.15，0.26，0.14，0.07，0.07。

4.3 分形-脆弱性指数法突水评价

4.3.1 数据归一化

数据归一化处理可以消除指标间量纲的影响，以解决数据指标间可比性差的问题。含水层水压、单位涌水量和断层分维，其值越大突水危险性越高，故采用式（4）进行归一化；隔水层厚度、煤层底板最小主应力和岩石破裂压力等值越大越不易突出，故采用式（5）进行归一化。

4.3.2 评价模型建立

大都市区的整体规划是以生态恢复与建设为基础、城市与自然和谐统一为核心、以区域层级分化为重要支撑点、以交通距离时圈为测量尺度、以重点城市为枢纽中心，形成了不同层级的区域空间结构。其中，以中心城区为核心向外放射形成了四条发展廊道，而奉新县正位于景铜（景德镇-南昌-铜鼓）生态走廊，在沪昆走廊的辐射影响之内。

利用式（6）建立15号煤层底板突水脆弱性评价模型：

分布式温湿度传感器可以监测环境异常，有异常则报警。动态密码电子锁代替普通的机械锁和电子锁，结合热释电传感器检测非法侵入。动态密码电子锁代替传统锁具锁闭集装箱，其开关状态信息通过锁具内嵌的蓝牙实时传输至处理核心。热释电传感器安装在集装箱内用于检测是否有人进入，检测到有人进入后与主控制器收集到的电子锁的开关状态进行比较，如此时电子锁状态为打开则判定为正常开箱，如强行开锁或未开锁暴力拆解进入则会被判定为非法侵入，此时树莓派控制核心向平台发送报警信息并调用摄像头录制现场视频并发送。安全保障模块工作流程如图2所示。

2.将不需要改扩建日常生活用房等存量项目，鉴于前面已经分析的原因，这些项目适用于TOT,付费机制可以采取使用者付费。

4.3.3 突水脆弱性评价分区

利用自然分级法对所有区块内脆弱性指数进行划分，阈值分别为0.315，0.383，0.441，0.500。脆弱性指数越大，突水危险性越高，底板突水的概率就越大。根据分区阈值，将研究区域划分为：一级脆弱区（VI＞0.500）；二级脆弱区（0.441＜VI≤0.500）；过渡区（0.383＜VI≤0.441）；二级安全区（0.315＜VI≤0.383）；一级安全区（VI≤0.315）。具体分区如图4所示。

图4 15号煤层底板突水脆弱性评价分区图Fig.4 Zoningmap for evaluation of water inrush vulnerability of the No.15 coal floor

由图4可以看出，研究区西部脆弱性较强，中北部为过渡区，东南大部为安全区。

5 讨论

（1）突水脆弱性分区。煤层气直井开发时，研究区内除东南部一小部分外，钻井都进入奥陶系灰岩层，加上煤层开采时底板的采动破坏，15号煤层底板基本全部与奥陶系含水层导通。此时煤层底板属于表1中序号2和6的情况，是否发生突水，主要取决于底板岩层的最小水平主应力、含水层水压、隔水层厚度和构造等因素。安全区和较安全区划分主要依据该区域隔水层厚度、底板岩层的破裂压力、最小水平主应力和含水层水压的大小关系。脆弱区和较脆弱区划分主要依据该区域隔水层厚度、底板岩层的破裂压力、最小水平主应力、含水层水压和单位涌水量等因素。对于过渡区，虽然该区域底板岩层的破裂压力、最小水平主应力远大于含水层水压，但是隔水层厚度小，断层分维较大，综合考虑设置为过渡区。

流程2：在使用映射服务器的基础上，入口隧道路由器ITR能够迅速查找出EID2所对应的位置标识RLOC2，之后在RLOC1为源地址和RLOC2为目的地址的数据包内将步骤1的数据包进行封装，最后再将封装后的数据包发送至IP承载网；

整体而言，煤层气的开发对研究区15号煤层底板突水的影响较大，钻井大部分进入奥陶系灰岩层，形成了导水通道。含水层水压一旦增大，底板很可能发生突水。因此，煤层开采前须采取底板加固或含水层疏放等措施。

（2）评价方法。断层分维的引入，减少了主控因素个数，提高了脆弱性指数法的可靠性，而AHP在确定各主控因素权重时，不可避免地存在主观因素，已有学者对此问题进行了改进［18-19］，但由于本研究区资料的缺乏，未能展开进一步讨论，将在以后的研究中对该方法加以改进。

6 结论

（1）从岩石力学和地质力学两方面对煤层气开发后煤层底板突水进行了综合分析，提出了煤层底板突水的8种判别条件。

（2）针对成庄矿15号煤层底板，利用分形-脆弱性指数法确定了6个突水主控因素及其权重，建立了突水危险性评价模型，将煤层底板划分为一级安全区、二级安全区、过渡区、一级脆弱区和二级脆弱区5类区域。

（3）针对煤层气开发，模型增加了底板岩层破裂压力、最小水平主应力2个主控因素，利用分形理论减少并量化了断层构造这个主控因素。该模型对煤层气开发后煤层底板突水危险性评价具有借鉴价值。对AHP确定主控因素权重时的主观性问题，将进行后续研究。