用脆弱性指数法评价屯兰矿8号煤奥灰突水

李文生

(西山煤电(集团) 公司 地质处，山西 太原 030053)

西山煤电(集团)公司屯兰矿为一座现代化的特大型矿井，设计生产能力400 万t/a，井田下组煤全部为带奥灰水压开采，存在奥灰突水危险。

1 下组煤底板突水的主控因素分析

1.1 煤层底板的充水含水层

屯兰矿8号煤底板充水含水层为奥陶系峰峰组含水层，分为上下两段，上段平均厚42 m，富水性局部较强;下段平均厚79.76 m，可视为稳定的隔水层。峰峰组含水层对煤层开采的威胁体现在两方面:一是承压含水层水压大小，二是承压含水层富水性强弱。基于以上分析，确定奥陶系峰峰组灰岩含水层的水压和富水性是影响屯兰矿底板奥灰突水的两个主控因素。

1.2 煤层底板等效隔水层与关键层

根据压水试验资料，将不同岩层组成的岩组厚度换算为相当于砂岩强度的等效厚度，同时除去矿压破坏带范围内的那一部分隔水层，作为抵抗煤层底板突水的等效隔水层厚度。

底板采动破坏带以下及含水层以上承载能力最大的一层岩层，被称为底板关键层。屯兰矿8号煤下发育一段平均厚27 m的砂岩，这段砂岩的上部为泥岩和砂岩互层，下部为本溪组灰岩泥岩互层和山西式铁矿，属于典型的软—硬—软岩层组合，在防止底板突水过程中起关键作用，所以，它被定为防止底板突水的关键层。

1.3 煤层底板地质构造

屯兰井田大的褶曲不甚发育，中大型褶曲(幅度＞30 m，长度＞1 000 m)只有3 条，但断层较多，共160 条(不含边界断层)，其中控制性大断层均属高角度正断层。这些断层和褶皱产生的裂隙结构面是承压水从煤层底板突出的薄弱面，易成为导水通道;褶皱和断层在立体空间形成的尖灭点和交叉点，岩体裂隙发育，导水性能好。同时，屯兰矿陷落柱发育，成为重要导水通道。

1.4 矿压破坏带深度

矿压破坏一般会造成两方面的影响:一方面，在隔水层上部形成矿压破坏带，破坏了煤层底板的连续性，使底板隔水层中的构造裂隙进一步发展、扩大，进而降低了隔水层的阻水能力;另一方面，也可能导致构造部位裂隙进一步导升。这两方面都相当于减小了有效隔水层的厚度，从而为突水的发生创造条件。

根据上述情况，选取有效隔水层等效厚度、隔水关键层有效厚度、断层和褶皱密度、断层规模指数、断层交点和端点分布、陷落柱、峰峰组水压、峰峰组富水性和矿压破坏带深度等九个因素作为井田底板突水预测的主控因素。

2 建立各主控因素专题图

2.1 有效隔水层等效厚度

有效隔水层厚度等于隔水层总厚度减去矿压破坏带深度与矿压导升高度。根据“下三带”理论，计算矿区内各个钻孔的矿压破坏深度，同时根据矿区实际资料，原始导升高度和矿压导升高度多数为零，从而计算出有效隔水层厚度，再依据等效系数，换算成相应的等效厚度(见图1)。

图1 8号煤底板有效隔水层等效厚度图

2.2 关键层有效厚度

在屯兰矿范围内，8号煤下发育一段平均厚27 m的砂岩视为阻挡8号煤底板奥灰突水的关键层。关键层的有效厚度为关键层中砂岩总厚度减去矿压破坏厚度(见图2)。

图2 8号煤底板关键层厚度等值线图

2.3 断层和褶皱密度

断层密集带破坏了岩层原有的完整性，易成为导水通道，同时，在做构造分布时不仅要考虑断层也要考虑褶皱轴部的影响。

2.4 断层规模指数

断层规模指数综合反映断层的规模和发育程度。在屯兰井田内，按照500 m ×500 m 大小建立单元网格，详细统计各单元格中断层的断距、长度，并依据该数据计算出其断层规模指数(见图3)。

图3 断层规模指数等值线图

2.5 构造交互点

主要指断层和褶曲的交叉部位。屯兰矿井田范围内主要是高角度正断层，断层带一般较窄，导水性差，但褶皱和断层在立体空间形成的尖灭点和交叉点，岩体裂隙发育，导水性能好(见图4)。

图4 断层与褶皱交点图

2.6 陷落柱分布

考虑陷落柱分布区及周边缓冲区，依据井田内在2号煤开采过程中所遇陷落柱，推测8号煤共计105个。虽然绝大多数陷落柱导水性较差未见突水，但是仍然有滞后突水的可能。

2.7 奥灰峰峰组富水性

充水含水层的富水性是指含水层的含水程度或释放水量的能力。屯兰矿8号煤煤层底板奥灰突水水量和峰峰组富水性有很大关系(见图5)。

2.8 奥灰峰峰组含水层的水压

水压是底板突水灾害发生的重要因素，水压愈大，突水的可能性也就越大。根据资料推算得到研究区内含水层水头压力。生成屯兰矿底板奥灰峰峰组含水层水压专题图(见图6)。

图5 奥灰峰峰组富水性图

图6 奥灰峰峰组水压图

2.9 矿压破坏带深度

通过计算屯兰矿8号煤矿压破坏带深度，编制8号煤矿压破坏带深度图(见图7，图8)。

图7 8号煤矿压破坏带深度等值线图

3 脆弱性指评价与分区

图8 8号煤矿压破坏带深度3D 视图

对所有主控因素进行数据的归一与叠加，使其更具有统计性，在此基础上建立数值模型，分析各因素权重值。在屯兰矿底板奥灰突水脆弱性评价中，九个主控因素的权重值分别为W1=0.163 4、W2=0.081 7、W3=0.142 1、W4=0.044 4、W5=0.036 4、W6=0.151 3、W7=0.097 1、W8=0.194 2、W9=0.089 4。由此，利用相关公式，确定屯兰矿太原组8号煤底板奥陶系峰峰组含水层突水脆弱性评价模型为:

对于上述计算出脆弱性指数进行频数统计，然后，运用自然分级法对其进行分级，最后确定各级阈值分别为0.21、0.28、0.35、0.44。在这里，值越大，底板突水的可能性也越大，从而将屯兰矿8号煤底板奥灰突水危险等级划分为五个区域，生成屯兰矿8号煤底板奥灰峰峰组突水脆弱性评价成果图(见图9)。

图9 8号煤底板奥灰突水脆弱性评价分区图

VI ＞0.44 煤层底板突水脆弱区

0.35 ＜VI ≤0.44 煤层底板突水较脆弱区

0.28 ＜VI ≤0.35 煤层底板突水过渡区

0.21 ＜VI ≤0.28 煤层底板突水较安全区

VI≤0.21 煤层底板突水相对安全区

相对安全区域集中在矿区内的中部和北部，该区域8号煤底板有效隔水层等效厚度总体较大(51～81 m)，隔水层承受奥灰水压相对较小(1.45～3.35 MPa)，埋深较浅导致矿压破坏带发育不深，富水性影响不甚显著，综合分析奥灰水突水的可能性不大。较安全区域在矿区中分为两部分，一部分位于以钻孔T9为中心的周围区域，该区有效隔水层等效厚度(56～62 m)中等，奥灰水压较小(2.33～3.35 MPa);另一部分位于相对安全区域的南部，呈东西条带状分布，该区域处于奥灰水压由北向南逐步升高的过渡区，隔水层承受奥灰水压中等(3.45～5.25 MPa)，底板隔水层有效厚度总体较大(51～81 m)，关键层厚度中等(23～29 m)，据已有资料，无特别薄弱地带，总体属较安全的区域，奥灰突水的可能性不大。过渡区沿较安全区南部边界呈东西条带状分布，该区虽然有较稳定的有效隔水层等效厚度(51.5～74.5 m)，且奥灰含水层富水性较弱，但其底板隔水层所受奥灰水压力逐步增大(4.36～5.32 MPa)，综合分析将此区域划分为较安全区到较脆弱区的过渡区。较脆弱区主要分布在矿区范围的最南部，以T47、T48为上边界，南部矿界边界为下边界。该区域隔水层承受水压最大(5.33～6.45 MPa)，有效隔水层等效厚度也相对较薄(53.5～62.5 m)，关键层厚度(17～21 m)也较薄，导致此区域处于有发生突水可能性的较脆弱区。

在断层、陷落柱等构造分布区域被标记为橙色较脆弱区，甚至红色脆弱区。由于这些构造的存在破坏了隔水地层的连续性，当生产中遇到这些构造时，它们可能会作为导水通道直接或间接把奥灰水引入工作面造成严重后果。所以，在矿界范围内的土地沟正断层、头南峁正断层、古交正断层、风坪岭断层和陷落柱等构造大多被划分为突水危险性比较高的较脆弱区或脆弱区，在生产中应得到足够重视。

4 结论

利用脆弱性指数可将屯兰矿8号煤底板奥灰突水划分为五个区域，即煤层底板突水脆弱区、煤层底板突水较脆弱区、煤层底板突水过渡区、煤层底板突水较安全区和煤层底板突水相对安全区。

在屯兰矿区范围内8号煤底板奥灰突水可能性总体较低，大部分为相对安全区、较安全区，这是由于8号煤距奥灰含水层较远(平均98 m)，中间有较厚的隔水层起保护作用，但构造分布区域和矿区南部奥灰水压较高区域仍有突水的可能性，多为较脆弱区和脆弱区。

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