王楼煤矿防突水风险管控模型技术研究与分析

杨位良 白建鲁

（山东能源临矿集团王楼煤矿，山东 济宁 272063）

1 矿井概况

王楼煤矿位于山东省济宁市以南的任城区喻屯镇境内，行政区划归济宁市管辖。设计生产能力90万t/a。可采或局部可采煤层共有五层，其中3上煤为主采煤层，16上煤全区可采，10下煤局部可采，12下及17煤大部分可采。3上煤为中厚煤层，其余均为薄煤层。矿井采用立井开拓方式，工业场地内布置主井、副井2个井筒。全矿井划分2个水平，水平标高分别为-680m和-1150m，现主要开采3上煤层，采用长壁后退式采煤法，综采采煤工艺，全部垮落法管理顶板；在“三下”保护煤柱内采用条带开采。井田内主要河流自南而北有新万福河（堤坝标高+38.7m）、蔡河（堤坝标高+38m以上）、洙赵新河（堤坝标高+38.7m）等，它们以湖盆为中心汇入南阳湖，均为引洪、排涝为目的的人工河渠。

1.1 研究区域地层情况

王楼井田位于济宁凹陷的南部，即济宁向斜南翼，地层分区属华北—柴达木地层大区—华北地层区—鲁西地层分区—济宁地层小区。区域地层由老到新发育有古生代寒武系、奥陶系、石炭～二叠纪月门沟群、二叠纪石盒子群，中生代侏罗系，新生代古近系、新近系、第四系。

1.2 矿井地质构造规律

王楼井田位于济宁凹陷的南部，即济宁向斜南翼，总体为一走向北东，倾向北西的单斜构造，地层倾角一般10°～14°，井田内褶曲构造不发育，以断裂构造为主，断裂形式以断层褶皱为主，断层以近南北向断层为主，南部及北部也发育近东西向断层。褶皱多为近不协调褶皱，轴向多为近西北—东南方向，井田构造复杂程度属复杂类型。

1.3 矿井水文地质情况

本区主要含水层有奥陶系岩溶裂隙水含水层、石炭系太原组岩溶裂隙水含水层、二叠系山西组裂隙水含水层、侏罗系三台组裂隙水含水层和第四系孔隙水含水层。

2 突水工作面情况及分析

2.1 突水工作面概况

13301工作面是三采区首采工作面，走向长度1160m，倾斜宽度160m，煤层埋深900～960m，煤层平均厚度2.15m。工作面位于3煤层隐伏露头处，水文地质条件复杂。通过两顺槽实际揭露，共7条断层，其中gf1、gf2、gf3、pf2、pf3、pf4断层落差均较大，对回采有较大影响。

2012年4 月开始回采，由于斜跨工作面的断层组影响（落差1.5～7m不等），工作面推进速度很慢，直到2012年12月才采过断层区（离开切眼440m），此期间水量没有明显增加。当推采至560m时，工作面出水量明显增加到190m3/h。当推采至640m时，工作面出水量增加到770m3/h。工作面推采至690m时水量达到900m3/h（浮标法测水690m3/h）。

2.2 突水工作面突水水源分析

根据13301工作面突水前后的相关水文地质资料分析，确定本次出水水源为以侏罗系为主的混合水。

2.3 突水工作面导水通道分析

基于上述突水水源的研究结论，以王楼矿目前水文地质情况为分析基础，可能的突水通道为：3C-4地质孔封孔不良，形成垂向导水通道；斜穿13301工作面的小断层组采动活化导水；矿井内主要控制断裂刘官屯断层导水；三维地震解释的垂向密集裂隙带。

通过进一步地质分析，排除3C-4封闭不良钻孔为13301工作面突水通道的可能性。认为刘官屯断层是导致13301工作面突水的导水通道的可能性较低。认为断层组具有一定的阻水能力。根据三维地震解释成果，自13301工作面上部发育的垂向密集裂隙带，向上发育至新近系底界，为新构造运动产生的密集导水裂隙，是造成13301突水的主要通道。

3 防突水风险管控模型

大采深矿井防突水风险管控技术方法以地层属性、矿井采掘活动、水文地质条件和矿井地质构造为基础，为有效解决矿井的综合评价难题提供了一种新的途径。可信度原则是依据防突水的风险管控具有有序性这一特点所提出的，在做出评价时根据给出的可信度原则不会出现最大隶属度原则那样有分类不清或不合理的情况出现，从而让评价结果更具可靠性。鉴于该项研究理论所存在的优点，本项目依据数学理论和工程地质理论建立了矿井防突水风险管控技术方法，并将其应用到王楼煤矿防突水风险管控工作中，为煤矿防突水风险管控评价提供了一种有效的方法和途径。

矿井防突水风险管控评价是一个综合评价系统，该系统通过分析突涌水危险性影响因素，对煤矿突涌水危险性进行判别或预测。

矿井防突水风险管控技术方法采用风险矩阵评估法：

R=L×S

式中：

R-危险源风险值；

L-发生事故的可能性；

S-发生事故的后果严重性。

风险矩阵及风险等级划分如图1所示。

图1 风险矩阵及风险等级划分图

煤矿突涌水实质上是地下水循环系统受外界影响发生的三向应力失稳现象，影响因素多且复杂，但总体上可概化为地质因素和工程因素。本项目针对地质因素对煤矿突涌水危险性进行评价，而工程因素对突涌水危险性的影响不予考虑。突涌水危险性属性评价时需要对某些参数进行量化或修正，以满足属性数学理论的应用条件。将地层岩性、不良地质体、地下水压力、岩层产状、地层富水性纳入一般风险、较大风险、重大风险考虑方面中，按其所占权重如表1、表2所示。

表1 煤矿防突水风险管控评价指标和分级标准

表2 风险管控等级划分

地层岩性。岩性是控制地下水运移通道的物质基础，不同岩层地下水赋存状态不一，根据地层岩性的地下水渗透性能，可将其划分为强、中等、弱透水性3个级别。不良地质构造通常是指工作面附近潜存的构造异常区，不良地质构造中的富水导水性及空间位置关系在很大程度上决定了突水风险的大小。本项研究从突水水源及突水通道两个方面评价矿井突涌水危险性。突水水源主要考虑含水体的水量、水压、补给条件及其与煤矿回采工作面的距离等特征。

水压。地下水是煤矿突涌水的决定性因素之一，煤矿深部饱水带一般是深部缓循环带，地下水活动强度较低，存在形式以孔隙水和裂隙水为主，但由于地下水压力较高，一旦发生突水，其危害更大，所以选取地下水压力作为突水风险管控的评价指标。

岩层产状。岩层产状是煤矿突涌水的重要影响因素之一，地下岩层的渗透性具有各向异性，沿层面的导水能力远大于垂直层面的导水能力。同时，地下水的补给、径流、排泄、入渗条件亦受岩层产状影响。

地层富水性。地层富水性是决定煤矿工作面回采是否发生突涌水灾害的控制性因素之一，若地层富水性强，则突涌水水源充足，在突涌水通道满足一定条件时易发生突涌水灾害，所以地层富水性是影响煤矿突水风险管控的评价指标。

4 突水风险管控分析

建立的防突水风险管控模型，如表3所示。

表3 王楼煤矿防突水风险管控模型

对王楼煤矿13301工作面风险管控性进行了计算，该区发育的垂直密集裂隙带属于不良地质体为强致灾性，地下水压力P＜2MPa，岩层产状为0～40°，地层富水性为强富水性，采用就高不就低的原则，因此得到王楼煤矿突水危险管控等级为I级，属于重大风险。再根据风险矩阵法进行验证，本次取值L为6，S取值为6，所以危险源风险值为36，与王楼煤矿突水的实际情况相符合。如图2所示。

图2 防治水风险矩阵及风险等级划分图

5 建议

为了保证王楼煤矿的生产安全，必须对王楼煤矿井田内各采区、各工作面防突水风险管控模型进行分析，并总结矿井防突水风险管控模型的情况以及规律，做好一切防突水措施，杜绝水害事故发生，只有这样，才能够保证煤矿企业的安全生产。