店坪煤矿9#煤层顶板含水层富水性分区及突水危险评价

赵小军

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司方山店坪煤矿，山西 吕梁 033100）

1 工程概况

霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司方山店坪煤矿9#煤层为矿井主采煤层，煤层厚度为2.7～3.4 m，平均厚度为3.1 m，煤层倾角为2°～8°，平均倾角为5°。煤层内部含有1～3 层夹矸，夹矸层为砂质泥岩，平均厚度为0.38 m。煤层顶板岩层为中粒砂岩和砂质泥岩，底板岩层为砂质泥岩和细砂岩，具体顶底板岩层特征见表1。根据矿井地质资料可知，9#煤层顶板的充水水源主要为顶板灰岩含水层，该含水层为石炭系太原组岩溶裂隙含水层，主要由三层灰岩及1～3 层中粗砂岩组成。三层灰岩分别为L1、L4、L5，厚度分别为7.75 m、8.8 m、6.6 m，平均总厚度为23.15 m。9#煤层与L1 石灰岩含水层的间距为14.7～28 m，石灰岩岩层裂隙较发育，含水层单位涌水量在0.009～0.078 L/s•m 之间，渗透系数在0.054～0.271 3 m/d 之间，水位标高在935.04～1 058.70 m之间，含水层富水不均匀，局部存在富水区。为保障9#煤层安全开采，特进行9#煤层顶板含水层富水性及突水危险性的评价分析。

表1 煤层顶底板岩层特征表

2 顶板含水层富水性分区

根据国内外众多学者对富水性分区的研究成果[1-3]，结合9#煤层地质条件，确定采用GIS 层次分析法、富水性指数进行9#煤层顶板含水层富水性的评价分析。GIS 具有的强大空间信息处理能力，能够对各个地质要素的图形进行有效的量化处理；再结合层次分析法（AHP）进行各定性地质因素的定量化处理，进而能够得出各个影响因素对富水性的影响权重值；最后通过GIS 的空间复合叠加功能结合AHP 的计算结果进行富水性的评价分析，最终以直观的图元形式展示出含水层富水性的最终评价分区结果。通过层次分析法与富水性指数融合技术能够处理大量繁杂的空间信息，采用定性和定量结合的思维进行地学问题的分析，得出的评价结果更为直观和准确。

评价分析的工作流程如下：

（1）根据研究区域的水文地质条件，确定含水层富水性的主控因素；

（2）采用图形化和量化的方式对各种地质要素的空间分布特征进行表述；

（3）通过层次分析法确定各个控制因素间的相互影响关系，确定各个影响因素的富水性影响权重；

（4）对各地质要素信息进行矢量化和归一化；

（5）建立富水性评价模型，采用多元信息融合的研究方法进行含水层富水性的评价分析。

根据店坪煤矿矿井的地质资料，确定本次9#煤层顶板含水层富水性分区研究主要分析的影响指标为8 项，分别为：顶板含水层厚度、砂-泥组合特征、脆/塑性岩厚度比、单位涌水量、岩芯采取率、渗透系数、沉积微相和褶皱枢纽。

根据矿井水文及地质资料，采用GIS 软件对9#煤层顶板含水层富水性8 项主控因素进行出图表述，主控因素权重系数的确定采用现有地质条件和专家评分相结合的方式进行确定，确定各主控因素的权重系数见表2。

表2 9#煤层顶板含水层富水性分区影响因素权重表

根据顶板含水层各项主控因素的特征，建立顶板富水性分区评价结构模型如图1。

图1 顶板含水层富水性分区评价模型图

由于评价系统中各影响因素数据量纲不同，在进行信息融合时，首先需要对8 个评价指标进行去量纲化处理，即归一化处理，处理方式如下：

式中：x'ik为某影响因子的标准化结果值；max{xik}为影响因子原始数据中的最大值，min{xik}为影响因子原始数据中的最小值，xik为某因子的原始数据。

基于相关学者的研究成果[4-5]，采用信息融合理论进行店坪煤矿9#煤层顶板含水层富水性评价模型的分析，评价模型公式如下：

式中：Wt为某点的富水性指数；Wi为各评价指标权重系数；xi为各评价指标标准值。

根据建立的评价模型及各影响因素的权重值，结合井田范围内地质钻孔资料，采用上述分析流程能够计算得出各个钻孔的富水性综合指数。根据富水性指数的计算结果，结合9#煤层特征，确定将煤层根据富水性的不同划分为5 个区域，具体分区标准见表3。

表3 顶板含水层富水性分区标准表

根据井田范围内各个钻孔富水性指数的计算结果，结合9#煤层开采区域特征及富水性分区标准，采用GIS 软件得出9#煤层顶板含水层富水性分区图如图2。

图2 9#煤层顶板含水层富水性分区图

3 顶板含水层突水危险性评价

根据9#煤层开采过程中导水裂隙带发育高度实测钻孔数据，结合邻近矿井开采9#煤层时导水裂隙带发育高度的分析结果[6]，确定9#煤层开采时顶板导水裂隙带的最大高度为119.28 m，结合工作面地质钻孔资料获取导水裂隙带的发育高度，进而分析得出导水裂隙带对顶板含水层的破坏程度。基于上述分析确定导水裂隙带破坏严重程度的划分标准见表4。

表4 导水裂隙带破坏严重程度划分标准

根据表4 中的划分标准，结合井田范围内55个地质钻孔的数据，计算得出9#煤层顶板冒裂程度分区专题图如图3。

分析图3 可知，9#煤层开采范围内，顶板导水裂隙带的发育高度对含水层的破坏程度不同，其中顶板含水层破坏严重的区域为井田西北部，顶板含水层破坏一般严重的区域为井田东南部，其余区域为介于两种破坏程度间的关系。

图3 9#煤层顶板冒裂程度分区图

根据9#煤层顶板导水裂隙带破坏含水层严重程度的分析结果，基于层次分析法的计算模型，结合顶板含水层富水性强度进行突水涌水危险性的评价分析，确定9#煤层顶板突水危险性分区划分标准见表5。

表5 9#煤层顶板突水危险性划分标准

根据9#煤层顶板突水危险性划分标准，采用GIS 软件中的Union 工具对顶板采动冒裂分区和顶板含水层富水性分区进行叠加分析，基于叠加结果，对比划分标准，能够得出9#煤层开采区域顶板含水层突水危险性分区结果如图4。

分析图4 可知，9#煤层顶板灰岩含水层突水危险区域主要位于井田的西北部，该区域内含水层的富水性较强，且煤层回采后导水裂隙带的发育高度较大；井田西部含水层富水性较强，但导水裂隙带发育程度中等，故该区域为较危险区域；井田范围内的其余区域顶板含水层突水危险性相对较低。

图4 9#煤层顶板突水危险性分区图

4 结论

（1）根据9#煤层的地质水文条件，结合顶板灰岩含水层的具体赋存情况，通过GIS 层次分析法得出了顶板含水层富水性分区结果。基于矿井开采经验及井田内钻孔数据资料，通过计算分析绘制出顶板冒裂分区图；基于富水性分区及顶板冒裂分区图的叠加分析，具体给出顶板突水危险性分区图，得出突水相对危险区域为井田西北部，较危险区域为井田西部。

（2）本次9#煤层顶板灰岩含水层突水危险性的分析结果，为9#煤层的安全开采提供了基础保障。9#煤层在开采井田西北部和西部煤层时应采取有效的防治水措施，确保顶板含水层无突水危险性后方可进行采掘作业。