基于单位面积静涌水量双因子的煤层顶板突水危险性评价

方向清

(中国煤炭地质总局水文地质局 河北邯郸 056004)

2018年本人提出了“基于单位面积静涌水量的煤层顶板突水危险性评价方法”[1],由于只考虑了单位面积静涌水量，使得方法只适用于煤层顶板为厚层弱富水性的充水含水层的矿井。为使本方法也适用于富水性强的充水含水层的矿井，通过引入渗透系数、富水系数、单位涌水量等因子，克服了原方法的局限性。

1 基本原理

煤层顶板直接充水含水层，根据厚度和富水性一般可分为四种类型：

第一种，厚度较大、富水性弱的直接充水含水层；其地下水静储量是影响矿井安全的主要因素，如我国大部分侏罗纪、白垩纪煤田的白垩系、侏罗系碎屑岩含水层。

第二种，厚度较大、富水性较强的直接充水含水层；其地下水静储量、径流量都是影响矿井安全的主要因素，如我国西部部分侏罗纪、白垩纪煤田的白垩系、第四系含水层等。

第三种，厚度较小、富水性较强的直接充水含水层；其地下水径流量是影响矿井安全的主要因素，如我国华北型煤田的石炭-二叠系含水层等。

第四种类型，厚度较小、富水性较弱的直接充水含水层：这种类型地下水对矿井安全影响因素不明显。

矿井涌水量由静涌水量和地下水径流量(即通常说的涌水量)构成。衡量直接充水含水层地下水静储量大小采用单位面积静涌水量；而衡量直接充水含水层地下水径流量大小可用常规的水文地质参数，如渗透系数、单位涌水量、富水系数等。因而，本文煤层顶板突水危险性评价采用单位面积静涌水量、充水强度(渗透系数、富水系数、单位涌水量等之一)作为评价因子。充水强度可根据勘查成果获取。

某一含水层单元的单位面积静涌水量为[1]：

Q单静ij=μijHij

(1)

式中：μij—渗水层j单元的给水度；

Hij—渗水层j单元的厚度。

煤层顶板充水通道主要有采煤所产生的导水裂缝带，以及构造(断层、陷落柱等)、封闭不良人工工程(钻孔等)。导水裂缝带高度根据勘查探测或经验公式计算获得，其他通道(构造、封闭不良人工工程等)根据勘查成果获得。同时勘查工作还应获取被评价煤层的顶板标高、直接充水含水层底板标高。

本方法是通过空间分析平台(如MAPGIS、ARCGIS等)的空间分析、绘图功能而实现。具体评价工作流程如图1所示。

2 流程

第一步，获取勘查资料。煤层顶板各充水含水层的特征:单位面积静涌水量(Q单静)、充水含水层底板标高、充水强度(渗透系数、单位涌水量、富水系数等)，某煤层导水裂隙带高度，某煤层顶板标高；其他充水通道(断层、封闭不良钻孔等)。

图1 评价工作流程Figure 1 Assessment procedure

第二步，在空间分析平台建立各顶板充水含水层底板标高、单位面积静涌水量、充水强度(渗透系数、富水系数、单位涌水量等,根据资料三者选一)的分布模型。

第三步，建立其他充水通道(断层、封闭不良钻孔等)分布模型。并将其他导通值赋值为-1。

第四步，建立某煤层导水裂隙带高度标高(H) 分布模型。导水裂隙带高度模型与煤层顶板标高模型进行空间分析，即可得到某煤层导水裂隙带高度标高(H)分布模型。

第五步，通过某煤层导水裂隙带高度标高(H)分布模型和各顶板充水含水层底板标高的分布模型建立某煤层(某开采水平)导水裂隙带导通充水含水层模型。以各顶板充水含水层底板标高减去导水裂隙带高度标高(H)赋值给相应的含水层导通值。

第六步，某煤层(某开采水平)导水裂隙带导通充水含水层模型与其他充水通道分布模型进行空间分析，建立导通模型。

第七步，通过某煤层(某开采水平)导水裂隙带导通充水含水层模型和充水含水层单位面积静涌水量(Q静)分布模型、充水含水层率水强度分布模型进行空间分析建立危险性评价模型。

第八步，危险性分区。当无直接充水含水层，且保护层厚度大于20m，即安全区；当无直接充水含水层，且保护层厚度小于等于20m，即过渡区；当各直接充水含水层单位面积静涌水量之和小于等于5或充水强度(单位涌水量)之和小于等于0.01时，即危险性小区；当各直接充水含水层单位面积静涌水量之和小于等于10、且大于5，或充水强度(单位涌水量)之和小于等于0.1、且大于0.01时，即危险性中等区；如果各直接充水含水层单位面积静涌水量大于10或充水强度(单位涌水量)大于0.1，即危险性大区。

3 唐家会井田6号煤顶板突水危险性评价

3.1 概况

内蒙古自治区准格尔煤田唐家会井田位于鄂尔多斯市境内，行政区划隶属鄂尔多斯市准格尔薛家湾镇管辖。

井田内主要含水层有第四系松散层潜水含水层，白垩系下统志丹群孔隙、裂隙含水层，石炭系-二叠系砂岩裂隙含水层，奥陶系中统马家沟组岩溶裂隙含水层。

第四系松散层孔隙含水层：厚度分布不均，为 2.0～90.6m。最厚处位于首采区东北1水1号孔，厚度达96.0m；最薄位于首采区南T30号孔，厚度只有2.0m。

白垩系下统志丹群孔隙-裂隙含水层：厚度10.05～157.90m，最厚点位于首采区西部B7号孔，厚度达157.90m；最薄处位于东部露头附近的3水2号孔，厚度10.50m。

石炭系-二叠系砂岩裂隙含水层系分为二叠系上统石千峰组、二叠系上统上石盒子组、二叠系下统下石盒子组、4号煤顶板砂岩裂隙含水层、6号煤顶板(4-6号煤)砂岩。评价中将二叠系上统石千峰组、二叠系上统上石盒子组、二叠系下统下石盒子组、4号煤顶板砂岩裂隙含水层作为一个含水层。

唐家会煤矿6号煤层倾角为2°～6°，近煤层基岩柱的平均单向抗压强度为36.46MPa，属中硬岩层，为全井田可采的较稳定煤层，采用分层综采放顶煤采煤法，分两层开采。煤层厚度大部分大于12m，导水裂缝带高度按煤层厚度20倍的经验值进行计算。

根据充水条件分析，6煤顶板直接充水含水层为：第四系松散层孔隙含水层、白垩系下统志丹群孔隙-裂隙含水层、4号煤顶板砂岩裂隙含水层、6号煤顶板砂岩裂隙含水层。

根据勘查报告，相关数据如表1、图2。

表1 勘查区基本数据[4]

续表

图2 勘查区平面图Figure 2 Exploration area plan

3.2 分布模型的建立

根据表1和图2的数据分别建立各直接充水含水层的单位面积静涌水量分布模型(其中，第四系松散层孔隙含水层、白垩系下统志丹群孔隙-裂隙含水层、4号煤顶板砂岩裂隙含水层、6号煤顶板砂岩裂隙含水层的给水度分别取值0.13、0.12、0.09、0.08)(图3-图6)。因各直接充水含水层单位涌水量均小于0.01，均为危险性小区，本次评价未建立相应模型。

图3 第四系松散层孔隙含水层单位面积 静涌水量分布模型Figure 3 Static water inflows per unit area distribution model for Quaternary loose bed pore aquifer

图4 白垩系下统志丹群孔隙-裂隙含水层 单位面积静涌水量分布模型Figure 4 Static water inflows per unit area distribution model for lower Cretaceous Zhidan Group pore-fissure aquifer

图5 4号煤顶板砂岩裂隙含水层单位面积 静涌水量分布模型Figure 5 Static water inflows per unit area distribution model for coal No.4 roof sandstone fissure aquifer

图6 6号煤顶板砂岩裂隙含水层单位面积 静涌水量分布模型Figure 6 Static water inflows per unit area distribution model for coal No.6 roof sandstone fissure aquifer

根据表1的6煤厚度和6煤顶板标高计算其导水裂缝带高度、6煤导水裂缝带标高，各直接充水含水层底板标高与6煤导水裂缝带标高差值建立各直接充水含水层导通模型(图7-图10)。

图7 第四系松散层孔隙含水层导通模型Figure 7 Quaternary loose bed pore aquifer conduction model

图8 白垩系下统志丹群孔隙-裂隙含水层导通模型Figure 8 Lower Cretaceous Zhidan Group pore-fissure aquifer conduction model

图9 4号煤顶板砂岩裂隙含水层导通模型Figure 9 Coal No.4 roof sandstone fissure aquifer conduction model

图10 6号煤顶板砂岩裂隙含水层导通模型Figure 10 Coal No.6 roof sandstone fissure aquifer conduction model

图11 第四系松散层孔隙含水层评价模型Figure 11 Quaternary loose bed pore aquifer assessment model

图12 白垩系下统志丹群孔隙-裂隙含水层评价模型Figure 12 Lower Cretaceous Zhidan Group pore-fissure aquifer assessment model

图13 4-6号煤顶板砂岩裂隙含水层评价模型Figure 13 Coal Nos.4 and 6 roof sandstone fissure aquifer assessment model

图14 综合评价模型Figure 14 Comprehensive assessment model

对各直接充水含水层单位面积静涌水量分布模型与对应的导通模型进行相交空间分析，建立各直接充水含水层评价模型(图11-图12)。4号煤顶板砂岩裂隙含水层和6号煤顶板砂岩裂隙含水层全部导通(均小于0)，因而只建立了4号煤顶板砂岩裂隙含水层和6号煤顶板砂岩裂隙含水层合并评价模型(图13)。再对各直接充水含水层评价模型进行相交空间分析，建立综合评价模型(图14)。根据单位面积静涌水量分区域值(小于等5为危险性小、大于10为危险性大)对各直接充水含水层单位面积静涌水量之和进行判别分区，建立6煤顶板突水危险性评价分区图(图15)：危险性小区单位面积静涌水量为1.453～5(m3/m2)；危险性中等区单位面积静涌水量为5～10(m3/m2)；危险性大区单位面积静涌水量为10～32.963(m3/m2)。

图15 6煤顶板突水危险性评价分区图Figure 15 Coal No.6 roof water bursting hazard assessment partition map

4 结语

由图15可知，首采区(粉线)范围内分区危险性大、中等、小三个区： 危险性大区主要分布于首采区中部、西部和东南部；危险性中等区主要分布在首采区西南，危险性小区主要分布在首采区东北。与报告[4]中采用“三图双预测”方法评价结果(图16)有不一致的地方：第一，报告结果危险性大区只是断层带；第二，报告结果危险性中等区只是在西南边缘有三小块。其主要原因是：

1)报告结果危险性大区只是断层带，这是人为只考虑断层的影响，而没有考虑直接充水含水层地下水静储量对矿井充水的影响。而采用本方法危险性大区是根据四个直接充水含水层地下水静储量(单位面积静储量)叠加而来的，充水通道没有考虑断层是因为导水裂缝带发育到第四系，因而可以不作考虑。再者，本方法危险性大区的单位面积静涌水量下限值10(m3/m2)。

2)报告结果危险性中等区只是在西南边缘有三小块。而采用本方法危险性中等区占三分一。同样，报告没有考虑直接充水含水层地下水静储量对矿井充水的影响。本方法不但进行了区划，还给出了单位面积静涌量的值5～10(m3/m2)。

图16 “三图”双预测方法评价图Figure 16 “Three zoning maps plus two water inflow predictions” method assessment diagram

3)报告危险性小区，没有危险程度概念，而本方法给出了单位面积静涌水量值1.453～5(m3/m2)，再者，充水通道分析时没有把导水裂缝带和断层进行综合分析。

综上三点，认为采用本方法更为合理，不但进行了区划，还给出各区单位面积静涌水量。