十二采区3煤层顶板富水性预测研究

吕文茂　张广学　刘高强

【摘 要】济宁三号煤矿十二采区3煤开采受顶板水威胁，顶板富水性的准确预测尤为重要。其主要决定因素为：顶板砂岩厚度、砂泥岩组合及砂岩含量、构造复杂程度（断裂分维数）。本文以此三个因素为研究对象，运用模糊聚类分析法对采区的富水性进行分级分区，为砂岩水的防治提供参考依据，保证3煤的安全开采。

【关键词】顶板水；富水性；模糊聚类分析法

Twelve No. 3 coal seam roof water abundance prediction research

LV Wen-mao1 ZHANG Guang-xue1 LIU Gao-qiang2

（Jining No.3 coal mine， Shandong Province， Jining 272100，China；

2.Shandong Coal Mine Safety Supervision Bureau， Luxi Supervision Bureau， Shandong Province， Jining 272100，China）

【Abstract】Jining No. three coal mine twelve mining area of 3 coal mining under the threat of the roof water， accurate prediction of roof water abundance is particularly important. The main determinants： roof sandstone thickness and sand mudstone and sandstone content， complex structure （fracture fractal dimension）. based on three factors as the research object， using fuzzy cluster analysis method of the mining area water abundance of zoning classification， so as to provide reference for the prevention and treatment of sandstone water， guarantee the safety of the exploitation of the coal.

【Key words】Roof water； Water rich； Fuzzy clustering analysis method

1 概况

1.1 地质概况

济宁三号煤矿位于济宁煤田中部南北向的济宁地堑构造内，研究区以孙氏店断层和济宁断层为东西部边界，地层总体构造形态为一单斜构造，浅部具宽缓褶曲。本区地层区划属华北地层区鲁西地层分区济宁地层小区，为全隐蔽型煤田。钻孔资料揭露，地层由老至新依次为：奥陶系下统、奥陶系中统、石炭系中统、石炭系上统、下二叠统、上二叠统、上侏罗统、第四系。含煤地层为石炭-二叠系山西组和太原组，主要可采煤层为3上煤层、3下煤层。

1.2 水文地质概况

井田内主要含水层从上到下主要有：第四系砂及砂砾含水层，侏罗系砂岩孔隙裂隙含水层，二叠系山西组3煤层顶底部砂岩裂隙含水层，石炭～二叠系太原组第三、十下层石灰岩岩溶裂隙含水层，奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层。除第四系上组砂及砂砾层外，其余含水层对煤矿开采均有充水影响，其中山西组砂岩、太原组第三、十下层石灰岩为直接充水含水层。由于第四系中组为区域隔水层，故上述含水层除第四系上组和奥灰外，其余含水层皆以静储量为主，补给、径流、排泄条件均不良。

2 富水性影响因素及预测指标

应用模糊聚类分析法进行煤层顶板富水性预测，对十二采区的富水性的评价主要考虑的对象为顶板砂岩厚度、砂泥岩组合及砂岩含量、构造复杂程度。

2.1 顶板砂岩厚度

3煤上层地层岩性主要由中粗砂岩、细砂岩、粉砂岩、粉细互层、泥岩及粘土岩构成。3煤顶板砂岩是指在3煤顶板到侏罗系底部范围内，位于3煤开采最大裂高范围内的砂岩。

在距煤层顶板25m（约为导水裂隙带）范围内，3上煤顶板岩性一般以砂岩、粉砂岩和泥岩为主。本次采用十二采区内及附近14个钻孔的3上煤顶板砂岩厚度绘制厚度等值线，由图可知道在十二采区3上煤顶板砂岩厚度在采区内变化很大，总体呈现北厚南薄的特征，北部砂体厚度基本大于14m，南部砂体厚度基本小于6m。

在煤层之上80m（约为导水裂隙带）范围内，3下煤顶板岩性一般以粉、细粒砂岩为主，北西部为中、粗粒砂岩。采用十二采区内及附近14个钻孔的3下煤顶板砂岩厚度绘制厚度等值线图，由图可知道在采区范围内，3下煤顶板砂岩厚度呈现西厚东薄、北厚南薄的趋势特征，采区西北部的砂体厚度最大，为72.48m；东南部砂体厚度最小，为4.75m。

2.2 砂泥岩组合及砂岩含量

十二采区3煤层顶板岩性由中粗砂岩、细砂岩、粉砂岩、粉细互层、泥岩和粘土岩构成；岩性组合方式主要考虑砂岩和泥岩的相对比例。本报告采用3煤顶板砂岩含量百分比来分析。3煤顶板砂岩含量为最大裂高范围内3煤顶板砂岩厚度所占的比例，即有：

S=m/Hli（1）

式中：S为砂岩含量，用小数来表示；

m为砂岩厚度；

Hli为最大裂高。

根据十二采区内及附近14个钻孔的3上煤顶板砂岩百分比绘制砂岩含量等值线统计图，从3上煤顶板砂岩含量等值线图上可以看出在采区范围内砂岩含量变化很大，砂岩含量高的部位在采区北部，低的部位即泥岩含量高的部位在采区的南部。变化趋势与3上煤层顶板砂岩变化一致。總体上，由南向北，砂岩岩含量增加，泥岩含量减少。

统计十二采区内及附近14个钻孔的3下煤顶板砂岩百分比并绘制了砂岩含量等值线统计图，从3下煤顶板砂岩含量等值线图上可以看出在采区范围内砂岩含量变化很大，砂岩含量最高的部位在采区西北部，低的部位即泥岩含量高的部位在采区的东南部。总体上，由东南向西北，砂岩含量逐渐增加。

2.3 构造复杂程度

一般用分维值来定量表述断裂构造的复杂程度。断裂的分维值越大，断裂越发育；断裂分维值越小，断裂越不发育。断裂发育时，砂岩的富水性强；反之，砂岩的富水性弱。依据十二采区构造纲要图绘制断裂构造分维等值线图，从图可以看出在采区范围内：断层密集的部位，分维值较大；断层稀疏的部位，分维值低；采区内中部南北条带构造较为简单，分维值低，向采区东西两侧变大。

3 顶板富水性预测

3.1 3上煤层富水性预测

采用十二采区内及附近14个钻孔的砂岩厚度、砂岩百分比及断层分维数数据进行聚类分析。所使用原始及标准化后再标定、聚类，最后得到的聚类数据是一个14×14矩阵，将矩阵输入Matlab中得到聚类图（图1）。

图1 3上煤层聚类图

结合聚类图，考虑各钻孔分布的空间位置及富水性分区的均衡性，获得聚类结果（见表1）。进一步综合砂岩厚度、砂岩百分比含量及断层分维数等各因素（主要考虑断层分维数），将聚类结果加以修正，得出聚类后各钻孔的富水性强弱等级（见表2）。然后绘制得富水性分区图2。由3上煤层顶板富水性分区聚类图可以看出，采区东北部及西部和南部小部分区域为富水性强区域；采区西南部及中部小部分区域为富水性弱区域；其余区域为富水性中等区域。

表1 3上煤层顶板富水性聚类结果表

注：1类为富水性弱钻孔，2类为富水性中等钻孔，3类为富水性强钻孔。

表2 3上煤层顶板富水性强弱聚类评价表

图2 3上煤层顶板富水性分区聚类图

3.2 3下煤层富水性预测

采用采区内及附近16个钻孔的砂岩厚度、砂岩百分比及断层分维数数据进行聚类分析。数据标准化后，再标定、聚类，最后得到的聚类数据是一个16×16矩阵，将矩阵输入Matlab中得到聚类图（图3）。

图3 3下煤层聚类图

同样的方法获得聚类结果（表3）和修正后的各钻孔富水性强弱等级（表4），进而绘制聚类富水性分区图（图4）。

由3下煤层顶板富水性分区聚类图可以看出，采区东北部及西部小部分区域为富水性强区域；采区中部和西南部区域为富水性弱区域，其余区域为富水性中等区域。

5 结论

运用模糊聚类法进行顶板富水性预测，可以综合考虑多方面因素，较全面准确的得到顶板富水情况。本文以顶板砂岩厚度、砂泥岩组合及砂岩含量、构造复杂程度三个因素为研究对象，运用模糊聚类分析法对采区的富水性进行分级分区，并得到以下结论：

1）在3上煤层采区东北部及西部和南部小部分区域为富水性强区域；采区西南部及中部小部分区域为富水性弱区域；其余部分为富水性中等区域。

2）3下煤层采区东北部及西部小部分区域为富水性强区域；采区中部和西南部区域为富水性弱区域，其余区域为富水性中等区域。

表3 3下煤层顶板富水性聚类结果表

注：1类为富水性弱钻孔，2类为富水性中等钻孔，3类为富水性强钻孔。

表4 3下煤层顶板富水性强弱聚类评价表

图4 3下煤层顶板富水性分区聚类图

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[責任编辑：朱丽娜]