突水系数法与脆弱性指数法的比较应用

郭建红

(山西焦煤集团有限责任公司 生产技术部，山西 太原 030024)

用突水系数法评价煤层底板带压开采是最为常见的方法，但是，由于突水系数法自身存在的缺陷，在具体评价中难以体现出应有的数理意义。脆弱性指数法作为一种新的煤层底板突水评价方法，与突水系数法相比，它是多种突水影响因素的叠加，具有一定的优越性。在同样条件下，对两种方法的评价结果进行对比分析，有利于提高评价结果的准确性，以便更好地服务于煤矿防治水工作。

1 矿井水文地质条件

李雅庄煤矿位于晋南汾西复向斜盆地的东南，属于郭庄泉岩溶水系统，华北型石炭二叠系含煤建造，主要可采煤层为二叠系山西组2#煤和石炭系太原组10#煤，均为带奥灰水压开采。其中，10#煤隔水层厚度大部分＜50 m，隔水层底板最大带压近4 MPa，带压开采形势严重。

2 突水系数法

针对李雅庄矿10#煤层，采用突水系数法对其底板奥陶系峰峰组灰岩含水层的突水危险性进行分析评价。在计算各钻孔点突水系数时，首先依据水文勘查钻孔的水位资料插值生成峰峰组含水层的等水位线，进而推测其他非水文孔处的水位，计算各个钻孔处的突水系数值，最后利用突水系数法分别计算出各钻孔点10#煤层底板奥灰突水系数值，见表1，然后插值生成煤层底板突水系数等值线图及危险性分区图，见图1，图2。

图1 10#煤底板奥灰突水系数等值线图

图2 10#煤层底板奥灰突水危险性评价分区图

表1 10#煤层奥灰突水系数统计表

由图1，2 可知，井田内10#煤层底板奥灰突水危险性只有北部一小部分处于安全区，主要分布在L -62、L-66 孔附近，其他大部都属于危险区。

3 基于GIS 的AHP 型“脆弱性指数法”

将钻孔数据或水位点观测数据的坐标及量化值等输入到GIS 中，生成相应的数据文件，然后进行网格剖分、插值等处理后，最终量化后的结果以图形的形式显示出来，并通过图形输出系统输出成果图，见图3。

通过自然分级法对底板脆弱性指数进行处理，可以得到最佳的五级分级结果。各级阈值分别为0.29、0.37、0.46、0.56。脆弱性指数越大，突水的可能性也就越大。

根据分级阈值将评价区10#煤层划分为5个区域:

VI ＞0.56 煤层底板突水脆弱区

0.46 ＜VI ≤0.56 煤层底板突水较脆弱区

0.37 ＜VI ≤0.46 煤层底板突水过渡区

0.29 ＜VI ≤0.37 煤层底板突水较安全区

VI ≤0.29 煤层底板突水相对安全区

图3 10#煤层底板奥灰突水脆弱性评价分区图

由图3 可知，李雅庄煤矿矿界范围内10#煤层底板没有相对安全区，近一半区域为较安全区和过渡区，一半为较脆弱区以及脆弱区。主要是由于10#煤层距底板奥陶系峰峰组灰岩较近(平均约36 m)，有效隔水层等效厚度较小(4.5 ～31.38 m)，在隔水层承受相同的奥灰水压以及富水性等条件不变的情况下10#煤层底板奥灰突水的可能增加。

综合分析，较安全区分布在矿区的西北部，L -66、L-62 钻孔附近;较安全区到较脆弱区的过渡区呈西北至东北呈条带状分布，主要分布在LK5、L-15孔附近，在一定条件下仍然有发生突水事故的可能，生产中也应得到一定的重视;突水危险性较大的较脆弱区主要分布在矿区范围的东南部，主要在钻孔L -8、L-9、L-51、LK9、LK10 附近，这些钻孔附近10#煤层底板隔水层等效厚度整体偏小，而奥灰水压大，富水性较好;在矿区东南部钻孔LK1、LK12 附近，有一较小区域为突水危险性最大的脆弱区。

图3 中，断层、褶皱以及陷落柱这些构造主要分布在钻孔LK1、LK12 附近，原因是构造的存在会破坏隔水层的连续性，其突水危险性极大，所以井田内的这些构造影响带范围都处于突水危险性最大的脆弱区。

4 脆弱性指数法与突水系数法评价的对比分析

从图2，3 可以看出，传统突水系数法把矿区范围内大部分区域预测为危险区，只有北部一小块区域为安全区，原因在于南部奥灰含水层水压较大(0.97 ～3.75 MPa)，隔水层厚度较小(平均厚36 m)。突水系数法从10#煤层底板隔水层厚度和隔水层承受的水压两个因素考虑得出这样的突水危险性分区与水文地质条件及生产实际存在较大差异。

从图3 可以看出，李雅庄煤矿北部大部分为较安全区和过渡区，东南部区域大部分是较脆弱区，在钻孔LK1、LK12 附近的区域为脆弱区，发生突水的可能性较大。另外，在断层、褶皱和陷落柱等构造分布区域也为脆弱区，突水可能性较大。此结果是在综合考虑了10#煤层底板有效隔水层等效厚度、矿压破坏带以下脆性岩厚度、奥灰顶部古风化壳厚度、断层与褶皱分布、断层与褶皱交端点分布、陷落柱分布、奥灰含水层的富水性、奥灰含水层的水压后得出，相对于传统突水系数法仅考虑两个因素，脆弱性指数法考虑更全面，其结果也更能有效指导矿井防治水。

5 结 论

针对两种方法由图2 可以看出，传统的突水系数法根据突水系数将矿区分为界限分明的区块，在边界处安全状况发生了突变，显然这与实际情况不符。而脆弱性指数法则在综合考虑各个影响因素的前提下将矿区分为相对安全区、较安全区、过渡区、较脆弱区和脆弱区，有利于技术人员对实际状况的把握。过渡区域是从较安全区域到较脆弱区域的一个过渡，虽然总体上突水的可能性不大，但是由于其濒临较脆弱区，实际生产中应得到足够的重视。另外，突水系数法没有将断层、陷落柱、褶皱等构造因素考虑在内，而脆弱性指数法对这些构造分区有较详尽的脆弱性划分，可以据此在生产中针对具体情况采取相应防范和治理措施，从而确保煤矿的安全生产。

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