基于“三图—双预测”原理的煤层顶板涌（突）水危险性评价

兰华 赵建鹏

摘    要：麦垛山煤矿属水文地质条件复杂型矿井，近期开采的2煤层顶板存在巨厚含水层——直罗组砂岩含水层，该含水层是影响本矿安全开采2煤层的重大隐患问题。本文以近年开展的水文地质补勘成果为基础，综合运用GIS，FLAC3D数值模拟等技术，应用“三图——双预测”原理对2煤顶板涌（突）水危险性进行评价。通过本文研究，将2煤层顶板涌（突）水危险性划分为相对安全区、较安全区、过渡区、较危险区和危险区，并提出可行防治水措施，为矿井安全生产提供技术保障。

关键词：麦垛山煤矿;三图—双预测;顶板涌（突）水;富水性;危险性评价

1  引言

麦垛山井田位于宁夏中东部，行政隶属于灵武市宁东镇马家滩管辖，距银川100km，。井田呈西北—东南条带状展布，北部与石槽村井田相邻，东部与红柳井田相邻，西部为毛乌素沙漠，南至马家滩。矿井面积65km2，设计生产规模8.00Mt/a，服务年限102年[1]。

井田可采煤层20层，采用主斜井-副立井、单水平开拓方式，首采煤层2、6煤 [2]。2007年10月开工建设，2015年8月投入试运行。

井田在水文地质单元上位处鄂尔多斯盆地都思兔河—盐池地下水系统，陶（乐）、灵（武）、盐（池）台地裂隙孔隙地下水系统亚区。据以往勘探资料，该矿侏罗系直罗组砂岩裂隙孔隙水为2煤顶板充水水源，富水性强，含水层厚度27.33m～148.67m。含水层分上、下两段，据矿井地质报告，直罗组上段含水层与下段含水层间存在厚层且分布稳定的泥岩隔水层，开采2煤引起的导水裂隙带发育高度不会导通直罗组上段含水层，故本次评价以2煤直罗组下段含水层为研究对象展开。直罗组下段含水层平均厚度65m，水位标高1305.9m～1309.5m，经实测，2煤顶板承受水压为1.44MPa～5.0MPa，在构造裂隙发育且富水性较好地段，顶板受地下水威胁程度大。

2  基于“三图—双预测”原理的煤层顶板涌（突）水危险性评价

针对麦垛山煤矿2煤层顶板存在巨厚含水层威胁这一问题，本文采用《煤矿防治水规定》提出的“三图一双预测”原理和方法进行评价，即富水性分区图、冒裂安全性分区图、涌（突）水条件综合分区图。

2.1  顶板充水含水层富水性分区

结合《麦垛山煤矿11采区水文地质补充勘探设计》、《麦垛山井田煤炭勘探报告》及《麦垛山煤矿11采区水文地质补充勘探报告》[3]相关资料，确定从以下六个主要因素分析麦垛山2煤顶板直罗组下段含水层富水性：含水层厚度、单位涌水量、渗透系数、脆塑性岩厚度比、岩芯采取率、冲洗液消耗量。

建立基于层次分析的含水层富水性评价模型，借助GIS软件计算各信息专题图叠加后各单元富水性指数值大小，每一单元内各单一地学信息量化后的归一值一致，富水性指数值在0～1之间。根据富水性指数大小将全区分为富水程度不同的5个区。

从图1可知，在中部区域富水性较强，北部和南部富水性较弱，在南部有局部过渡区域。

2.2  顶板冒落安全性分区

利用FLAC3D数值模拟技术对采空区冒落裂隙带发育高度特征进行模拟，并对经验公式进行修正，再利用修正后公式计算整个研究区冒落裂隙带发育高度特征。

2煤均厚2.8m，数值模拟开采冒落裂隙带发育高度为66m，“三下”规范经验公式计算为40.25m。利用FLAC3D得出的结果与经验公式计算结果比值为1.64，用此系数对“三下”采煤规范经验公式进行修正后得数据可知：直罗组下段含水层与2煤层之间基本无有效隔水层，开采2煤引起的导水裂隙带高度较大，导通了直罗组下段含水层至2煤，故该段含水层为直接充水含水层，其冒裂安全性分区划分全区为相对危险区（图2）。

2.3  煤层顶板充水条件综合分区

煤层顶板充水条件综合分区图由含水层富水性分区图和冒裂安全性分区图叠加而成。2煤开采顶板涌（突）水条件评价综合分区为：

开采2煤形成的导水裂隙带可导通直罗组下段含水层，为冒裂安全性全区危险。故，该含水层涌（突）水条件综合分区取决于其富水性分区，该段含水层综合分区如图1-3。分别以1.07，1.2，1.27，1.34，1.43，1.59为界限值，综合性分区依次为相对安全区、较安全区、过渡区、较危险区、危险区。

2.4  顶板涌（突）水危险性评价

从图3所示，北部大部分为过渡区，西北角附近为较安全区，井田中西部为危险区;中部、南部和北部部分区域为较危险区和过渡区交杂;东南部为较安全区。故，该充水含水层涌（突）水的危险性中部比南部和北部大。

3  矿井防治水措施

（1）加强地下水动态观测，尽快建立健全的地下水位观测系统。在2煤顶板含水层中布置一定密度水位（压）观测点，以井下观测为主，在地表适当布置。

（2）开采前进行井下物探，对工作面及断层实施水文超前探查，查明富水区，并采取相应疏放水措施，有针对性的进行疏放水。

（3）回采过程中，根据已掌握资料提前做好工作面突水预测预报，根据探测结果制定针对措施。

（4）对断层发育区，探明断层位置、产状、规模、富水性及断层两盘对接部位岩性及富水性等。

（5）针对直罗组下段含水层，加强井下探放水，消除水灾隐患。工作面出现异常时，探明水情，选择性留设放水孔，必要时需留设防隔水煤柱。2煤顶板隔水层厚度薄且分布不均，需进行疏排降至安全开采水压范围，建议提前分阶段、多钻孔、长时间疏放，实现安全疏干。

参考文献：

[1] 宁东煤田鸳鸯湖矿区麦垛山井田煤炭勘探报告[Z].宁夏煤田地质局，2011：85～142.

[2] 神华宁煤麦垛山矿井初步设计[Z].中煤国际北京华宇工程有限公司，2011：126～138.

[3]神华宁煤麦垛山煤矿11采区水文地質补充勘探报告[Z].中国煤炭地质总局华盛水文地质勘察工程公司，2012：13～27.