基于单位面积静涌水量的煤层顶板突水危险性评价

2018-06-08方向清

中国煤炭地质 2018年5期

方向清

(中国煤炭地质总局水文地质局，河北邯郸 056004)

目前煤层顶板危险性评价主要方法有 “三图双预测方法”和“导水裂缝带最大高度”等，评价的主要因子为富水性(钻孔单位涌水量，L/(m·s))，只是定性评价，不能定量评价。本文采用单位面积静涌水量[1]作为评价因子，运用空间分析平台，提出了煤层顶板突水危险性评价方法，为煤层顶板危险性定量评价提出了可行的技术方案。

对于煤层顶板突水危险性评价主要是在查明充水水源、充水通道的基础上，评价充水水源的充水强度。当充水水源为含水层时，目前评价含水层充水强度的主要依据是充水含水层的富水性。当充水含水层厚度比较小时，工作区内含水层所赋存的地下水的体积较小，含水层的富水性基本上能反映充水强度。但当含水层厚度比较大时，尽管含水层的富水性弱，但工作区内含水层所赋存的地下水的体积较大，煤矿回采初始期，充水含水层的涌水量较大(图1)[2]，因而，含水层的富水性不能完全反映含水层的充水强度，含水层中赋存的地下水的体积，即静涌水量[1]将是不可忽略的重要因素。

图1 某矿工作面矿井涌水量与回采步距关系[2]Figure 1 Relationship between face mine water inflow and stoping space in a coalmine[2]

1 方法原理

本评价方法主要是依据煤层开采时产生导水裂缝带范围内各充水含水层的单位面积静涌水量的大小，来判别突水危险性的大小。为此，除了需要煤层开采产生的导水裂缝带高度分布特征和各充水含水层的单位面积静涌水量分布特征外，还需要煤层顶板标高分布特征、各充水含水层底板标高分布特征。采用空间分析平台(如MAPGIS、ARCGIS等)对煤层顶板标高分布特征和开采产生的导水裂缝带高度分布特征进行拓扑分析，建立煤层开采产生的导水裂缝带高度标高分布特征；再对导水裂缝带高度标高分布特征、各充水含水层的单位涌水量分布特征和各充水含水层底板标高分布特征进行拓扑分析，建立煤层危险性评价三要素分布特征；进一步通过导通充水含水层的单位面积静涌水量的大小、保护层厚度分析判别，确定突水危险性等级(图2)。

图2 工作流程Figure 2 Workflow

1.1 单位静涌水量的计算

工作区范围单位面积静涌水量根据勘查资料，采用公式(1)[1]进行计算：

(1)

式中：μij——i含水层j单元的给水度；

Hij——i含水层j单元的厚度。

1.2 相关参数的获取

导水裂缝带高度有两种方法，一种是通过探测手段进行实测；再者就是根据经验公式进行计算，如果没有针对矿区的专门公式，可选择《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》相应公式的计算。

各充水含水层底板标高和煤层顶板标高由勘查资料等获得。

1.3 计算分析步骤

第一步，获取勘查资料。各顶板充水含水层的特征:静涌水量(Q静)、充水含水层底板标高；煤层导水裂缝带高度标高(H)，煤层顶板标高。

第二步，选择空间分析平台，如MAPGIS系列，ARCGIS系列。分别建立各顶板充水含水层底板标高的分布模型、各充水含水层单位面积静涌水量分布模型。

第三步，对导水裂缝带高度模型、煤层顶板标高模型进行空间拓扑分析，建立煤层导水裂缝带高度标高(H) 分布模型。

第四步，对煤层导水裂缝带高度标高(H) 分布模型、各顶板充水含水层底板标高的分布模型进行空间拓扑分析，建立煤层导水裂缝带导通各充水含水层模型，并计算导通值。各充水含层导通值等于导水裂缝带高度标高(H)减去相应顶板充水含水层底板标高。

第五步，对煤层导水裂缝带导通充水含水层模型和充水含水层单位静涌水量分布模型进行空间拓扑分析，建立危险性分区评价模型。

第六步，根据导通值将评价区分为安全区、相对危险区、危险性区；再根据单位静涌水量大小，将危险区进一步分区，如可分为危险较小区、危险中等区、危险大区、危险极大区等。判别值根据已知相似矿区进行确定。

2 实例分析

2.1 研究区地质及水文地质条件

葫芦素井田位于内蒙古自治区东胜煤田呼吉尔特矿区，区内的主要地层由老至新为：三叠系上统延长组、侏罗系中统延安组、直罗组、安定组、白垩系下统志丹群及第四系。其中延安组第三岩段含2煤组，含可采煤层2层，即2-1、2-2煤层。

2.1.1 主要含水层

研究区发育第四系松散孔隙含水层，白垩系孔隙、裂隙含水层，侏罗系砂岩裂隙含水层三个含水层组。

第四系松散孔隙含水层由全新统风积砂和更新统萨拉乌苏组冲湖积砂组成，岩性为灰黄色、黄褐色中细砂、粉细砂、亚黏土、亚砂土，厚度4.50～61.58m，平均25.57m，遍布全区。单位涌水量0.25～4.130 L/(s·m)，富水性中等至强。水化学类型为HCO3- Ca·Mg ·Na、HCO3·SO4-Ca·Na，水质良好。

白垩系孔隙、裂隙含水层。岩性为浅紫、紫红色、黄绿色细砂岩、中砂、粗砂岩、砾岩、砂砾岩，间夹有泥岩、砂质泥岩，胶结物以钙质为主。厚度332.1～355.05m，平均343.6m。单位涌水量0.1140～0.291 8 L/(s·m)，富水性中等，富水性均匀，水化学类型为HCO3—Na，水质良好。

侏罗系砂岩裂隙含水层分为2-2煤顶板砂岩裂隙含水层和2～6煤砂岩裂隙含水层。

2-2煤顶板含水层主要有安定组、直罗组。岩性由细-粗砂岩、砂质泥岩、粉砂岩组成。单位涌水量0.003 3～0.177 0 L/(s·m)，富水性弱-中等，与上覆白垩系含水层有水力联系的地段富水性中等，水化学类型为HCO3·SO4—Na、SO4·HCO3—Na、HCO3·Cl—Na、SO4—Na。

2～6煤砂岩裂隙含水层，岩性以细砂岩、中粒砂岩为主。砂岩厚度总体由东南向西北逐渐变薄，在东北部局部地段较薄。单位涌水量0.000 3～0.041 0 L/(s·m)，富水性弱，水化学类型为SO4·Cl-Na、SO4-Na。

2.1.2 主要隔水层

第四系与白垩系呈不整合接触，第四系底部没有隔水层与白垩系相隔离，局部地段存在一层到数层起阻水作用的岩层，其岩性以砂质泥岩和泥岩为主，厚度0～27m，稳定性差，砂质含量高，为一个弱透水层。

白垩系底部为黄绿色粗砂岩及灰黄绿色砾岩、砂砾岩，含砾粗砂岩互层，与下伏安定组呈不整合接触。白垩系底部没有隔水层。侏罗系顶板存在数层砂质泥岩、泥岩，厚度2.75～51.00m，为一个弱透水层。

2.1.3 各含水层水力联系

第四系含水层与白垩系含水层之间局部虽存在隔水层，但厚度薄且不连续，稳定性差，砂质含量较高，隔水性能差，且位于基岩风化壳附近，水位相近，各离子含量虽有差距但不大，地下水水化学类型基本一致，说明二者之间有较好的水力联系。

2.1.4 充水条件

2煤冒落裂隙带发育高度为67.34～79.71m，只能沟通侏罗系直罗组砂岩裂隙水。

2煤顶板的直接充水水源为直罗组砂岩裂隙水；间接充水水源主要包括：安定组砂岩裂隙水、白垩系孔隙—裂隙水、第四系孔隙水。

2煤的主要充水通道为采煤引起的导水裂缝。其次为不良封闭钻孔。

如前所述，按既往的认识2煤直接充水水源直罗组砂岩裂隙水富水性弱，只西部局部地段富水性中等，但直罗组砂岩裂隙水含水层度较大(表1)。

2.2 2#煤顶板危险性评价

根据勘查成果2#煤基本资料如表2所示，其中单位面积静涌水量计算方法采用文献1方法计算。

运用空间分析平台(如MAPGIS)采用表2数据，分别建立白垩系含水层底板标高、2#煤顶板侏罗系含水层底板标高、2#煤导水裂缝带高度、2#煤顶板标高、白垩系含水层单位面积静涌水量、2#煤顶板侏罗系含水层单位面积静涌水量分布模型如图3至图8。

将2#煤导水裂缝带高度与2#煤顶板标高进行空间拓扑分析建立2#煤导水裂缝带高度标高分布模型(图9)，将2#煤导水裂缝带高度标高分布模型与白垩系含水层底板标高分布模型、2#煤顶板侏罗系含水层底板标高分布模型分别进行空间拓扑分析建立导通值分布模型(图10、图11)。

由图10可知，导通值大于0，2#煤导水裂缝带已发育到其顶板的侏罗系含水层内部，也就是说2#煤顶板侏罗系含水层的静涌水量威胁到了2#煤开采安全，评价区整体为危险区。由图11可知导通值小于0，2#煤导水裂缝带距其顶板的白垩系含水层180m以上；白垩系含水层与侏罗系含水层之间存在相对的弱隔水层(表3)，评价区根据物探资料未见断层，也就是说2#煤顶板白垩系含水层的静涌水量威胁2#煤开采安全可能比较小，进行危险性评价时不必考虑白垩系含水层的影响。

表1 直罗组砂岩裂隙水含水层厚度[3]

表2 某矿勘查成果[3]

图3 白垩系含水层底板标高分布模型Figure 3 Cretaceous aquifer floor elevation distribution model

图4 2#煤顶板侏罗系含水层底板标高分布模型Figure 4 Coal No.2 roof Jurassic aquifer floor elevation distribution model

图5 2#煤导水裂缝带高度分布模型Figure 5 Coal No.2 roof water conducted zone height distribution model

图6 2#煤顶板标高分布模型Figure 6 Coal No.2 roof elevation distribution model

图7 白垩系含水层单位面积静涌水量Figure 7 Cretaceous aquifer static water inflow per unit area

图8 2#煤顶板侏罗系含水层单位面积静涌水量Figure 8 Coal No.2 roof Jurassic aquifer static water inflow per unit area

图9 2#煤导水裂缝带高度标高分布模型Figure 9 Coal No.2 roof water conducted zone height elevation distribution model

图10 2#煤顶板侏罗系含水层导通值Figure 10 Coal No.2 roof Jurassic aquifer conduction value

图11 白垩系含水层导通值Figure 11 Cretaceous aquifer conduction value

表3 白垩系与侏罗系隔水层厚度统计[3]

为说明问题，本文将单位面积静涌水量5(m3/m2)和10(m3/m2)作为分级标准，据此，将2#煤顶板侏罗系含水层危险性分危险性小、危险性中等、危险大三个等级(图12)。

图12 2#煤顶板突水危险性评价分区Figure 12 Coal No.2 roof water bursting hazard assessment partitioning

2.3 评价结果分析对比

文献3(勘查报告)采用“三图双预测”方法对2煤顶突水危险性进行了评价，共分为相对安全、较安全、过渡、较危险、危险五个区(图13)。其东北部为相对安全和较安全区，是只考虑含水富水性(单位涌水量)的结果。

图13 三图双预测方法评价Figure 13 Assessment through “Three zoning maps plus two water inflow predictions” method

由前可知，根据本文方法把研究区分为危险性小、危险性中等、危险大三区，是因为考虑到了含水层厚度较大(表1)基础上进行的。因为，研究区的危险性小区单位面积静涌水量为4.2～5 m3/m2,如果回采面积为10×104m2,静涌水量达42×104～50×104m3，回采时间按300h计，由静涌水量产生的矿井涌水量达1 400～1 666 m3/h。因而，采用本方法理论上比较合理，但有待实际开采验证。