深埋煤层开采顶板泥砂溃涌灾害多源信息评价

郭小铭，郭 康，刘英锋

(1.煤炭科学研究总院，北京 100013；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；3.陕西省煤矿水害防治重点实验室，陕西 西安 710077)

西部侏罗系深埋煤层在开采过程中发生的顶板泥砂溃涌灾害是近年来出现的新型顶板灾害类型，其形成机理是由于煤层顶板泥岩遇水极易砂化，在矿压影响下，水、砂混合物集中溃入井下。灾害的形成同时受到矿井充水条件、煤层顶板岩性及顶板稳定性、矿压显现特征、地质构造等多方面影响，是多场、多因素综合影响的非线性灾害类型。由于泥砂溃涌灾害具有突发性、强动力显现且灾害性强的特点，易发生群死群伤事故，且灾害一旦发生救援难度高，人员生存可能性小，其危险性评价与灾害防治是侏罗纪煤田开发的一大难题。

近年来，随着对煤层顶板水砂灾害研究的逐渐深入，灾害危险性评价方法也逐渐完善。魏秉亮[1]对发生在神府矿区的溃水溃砂灾害形成机理进行了深入研究，提出含水岩层、水砂流动通道、水砂充填空间和水势能4 个因素是灾害形成的关键，并利用4 个因素定性评价了灾害危险性；范立民等[2-3]总结提出溃水溃砂本质为水流驱动砂粒发生位移，并形成了综合砂层厚度、富水性、有效隔水层厚度和开采强度4 个指标的危险性评价方法，提出了采用降低含水层厚度和减小突水通道的系统防治手段；王子河[4]通过分析松散砂层粒径分布和微量元素组分，利用砂体液化评价指标判别松散砂层发生溃水溃砂灾害的可能性；隋旺华等[5-6]开展了水砂突涌临界水力坡度试验，认为含水层的初始水头和突砂口张开程度是控制矿井工作面突砂量的关键因素，并提出将孔隙水压力变化作为溃砂灾害预警指标；杨天鸿等[7-8]对该问题进行了进一步深入研究和分析，揭示了砂体运移规律。在顶板水害危险性评价方面，武强等[9]提出将冒裂安全分区图和含水层富水性分区图进行叠加，生成顶板突水危险性分区图，用以评价顶板含水层突水危险性，进一步考虑了影响含水层富水性的多个指标，建立形成信息融合型含水层富水性评价方法。整体而言，针对浅埋煤层开采顶板溃水溃砂灾害评价和顶板水害危险性评价的研究成果较为丰富，但尚无深埋条件下综合考虑多因素影响的顶板泥砂溃涌灾害危险性评价方面的研究。由于深埋煤层顶板泥砂溃涌灾害受到顶板含水层涌水、顶板稳定性和矿压显现等多方面的影响，是多因素综合叠加的非线性动力灾害问题，多因素多场源的形成机制增加了该类型灾害危险性评价的难度，单独采用水动力条件的传统评价方法不再适用。

本文在探讨深埋煤层泥砂溃涌灾害形成机理的基础上，总结灾害发生的多方面主要控制因素，利用综合各因素的信息融合方法对各主控因素进行叠加，形成多源信息融合的评价方法，为该类灾害发生的危险性评价提供依据。

1 研究区地质及水文地质条件

研究区为陕西省旬耀矿区照金煤矿，井田无大型断裂构造发育，主要受褶皱构造和局部裂隙与小断层影响，主要有NE 向发育的S1 向斜、F1补断层、井田西翼(ZF201、ZF202 工作面区域)共轭节理带(图1)。

图1 矿井采掘工程平面分布Fig.1 Distribution of construction engineering and tectonic outline

地层由老到新依次发育有：侏罗系富县组(J1f)、延安组(J2y)、直罗组(J2z)，白垩系宜君组(K1y)、洛河组(K1l)及第四系(Q)。其中，J2y和J2z均为富水性极弱的相对含水层，而K1l富水性较好。

矿井主采侏罗系4–2煤，煤厚2.40～16.30 m，平均厚度8.28 m。煤层开采过程中主要受顶板侏罗系延安组、直罗组弱富水含水层直接充水和白垩系洛河组含水层渗透性充水影响。ZF202 工作面回采过程中曾发生严重的泥砂溃涌灾害，表现为工作面采场顶板大量泥砂集中溃入，泥砂淤积采场及巷道并造成11 人死亡，灾害发生区域典型地层及水文地质结构如图2 所示。

图2 灾害发生工作面综合柱状示意图Fig.2 Synthetical lithological column in the working face with the disaster

2 泥砂溃涌形成机制及关键因素

2.1 灾害形成机制

深埋煤层顶板泥砂溃涌灾害表现为水、砂(碎石)混合物在短时间集中溃入井下采掘工作面，在事故前期通常伴随着压架、片帮等矿压显现现象。通过对事故形成机理深入研究，查明了灾害发生的主要水源、物源和动力条件。

a.水源：煤层顶板白垩系洛河组含水层水；

b.物源：煤层顶板厚层泥岩、粉砂质泥岩；

c.动力条件：顶板关键层复合断裂造成矿压显现；

d.照金煤矿深埋煤层顶板泥砂溃涌灾害的形成机理：煤层综放开采导致泥岩直接顶板超前断裂，并导通洛河组含水层，滞采条件下含水层水进入泥岩地层并长期浸泡，使其泥化崩解形成泥流体，采场来压造成顶板泥岩失稳及采场压架，使泥流体沿切顶通道集中溃入井下(图3)[11]。该灾害与浅埋薄基岩溃水溃砂灾害的初始条件、动力条件、通道、水源和物源基础均不相同，需深入研究其致灾因素作为危险性评价的主控因素。

图3 泥砂溃涌灾害形成机理示意图Fig.3 Schematic diagram of the formation mechanism of mud and sand inrush

2.2 致灾主控因素分析

通过工作面开采情况、地质条件等因素分析，结合灾害发生的水源、物源和通道分析成果，研究泥砂溃涌灾害发生的主要致灾因素。

a.煤层上覆含(隔)水层

研究区煤层上覆含水层主要有直罗组砂岩含水层、洛河组砂岩含水层。其中，直罗组含水层单位涌水量为0.000 166～0.000 418 1 L/(s·m)，属于富水性极弱含水层，对灾害发生无显著影响；洛河组含水层是区域内主要富水层位，也是煤层开采的主要充水含水层。泥砂溃涌灾害发生水源分析成果表明，ZF202 工作面“4·25”事故的溃水水源中，洛河组含水层水占主要地位。由此可知，洛河组含水层富水性和含水层受裂隙带影响程度对下部泥岩砂化有决定性影响。富水性越强，与煤层间距越小，会使工作面充水强度越高[12]，灾害发生的危险性越大。因此，洛河组含水层富水性、含水层与煤层间距是致灾主要因素。

宜君组地层位于洛河组下部，岩性以致密砾岩为主。该层砾岩孔隙率低(n=2.27%)，岩层强度高，破碎后易形成砌体梁结构而保持一定的稳定性，对阻隔砂岩含水层水进入采场有一定作用。因此，宜君组砾岩地层可保持整体结构稳定，具有阻隔水作用，对灾害发生起抑制作用。宜君组砾岩层厚度是抑制灾害发生的主要因素之一。

b.煤层上覆杂色泥岩地层

侏罗纪地层沉积相以辫状河三角洲平原相为主[13]，同时，在分流间湾泥岩上部发育决口扇砂体，在沉积过程中由于气候干旱、水体动荡，加之沉积后可能存在的岩层风化、构造运动以及风化淋滤等综合影响，使直罗组底部和延安组上部泥岩地层中伊利石和蒙脱石含量较高，具有易风化、遇水膨胀、崩解性强等特点，回采过程中极易受到破坏，并发生大规模冒落。煤层顶板厚层泥岩是泥砂溃涌灾害的主要物质，是灾害发生的主要物源基础。对泥岩力学性质、崩解性和膨胀性分析成果表明，泥岩弹性模量、剪切模量均较小，力学强度极低，遇水后膨胀力大、膨胀性好、结构松散。因此，煤层上覆松散泥岩厚度是影响致灾的最主要因素。

煤层顶板泥岩地层遇水稳定性差，当煤层与泥岩间存在一定厚度的砂岩地层时，可以有效缓解推采过程中泥岩塑性变形而造成的压架现象，从而减弱压架、切顶的可能性。因此，煤层到泥岩之间砂岩地层厚度是抑制致灾发生的主要因素之一。

c.地质构造

黄陇煤田断裂构造主要包括褶皱、断层和节理裂隙，部分区域出现古隆起、冲刷带等沉积构造。

断层和节理结构面破坏了岩体本身的完整性，是顶板岩层薄弱区和水流的优先通道。同时，构造对工作面回采过程中基本顶岩层滑落失稳有极大的促进作用[14]。因此，断裂构造发育是造成顶板岩层失稳并造成压架的主要诱因之一。

井田范围内地层主要受到NE 向发育的S1 宽缓向斜控制，局部小向斜发育不明显。向斜核部地层挤压形成局部裂隙与应力集中，使得煤层开采过程中更容易发生基本顶复合断裂、失稳，造成工作面压架。同时，向斜轴部洛河组含水层厚度大，易造成局部富水现象。因此，向斜构造的存在对于工作面压架、含水层富水性增强均有促进作用，是致灾的主要促进因素之一。

d.工作面开采

工作面开采影响是造成照金煤矿泥砂溃涌灾害的直接诱发因素。煤层回采形成采掘空间，破坏了地层的原始应力平衡，造成煤层顶板岩层破坏并形成导水裂隙带[15]，导通顶板含水层。直接顶垮落与基本顶破断造成采场矿压显现，严重时发生切顶、压架等现象，影响工作面矿压显现的主要因素包含：顶板岩层破断形式、煤层采厚及开采方式、工作面推采速度、煤柱与周边采空区、断裂构造发育等[16]。

由于开采方式、推采速度及采空区等主观因素受实际回采过程影响，无法客观定量化表述。本次仅选取开采厚度指标作为影响开采因素的主控因素。

综合分析各致灾因素，确定影响深埋煤层泥砂溃涌灾害的主控因素如下：洛河组含水层富水性、煤层到洛河组含水层距离、宜君组砾岩厚度、煤层上覆杂色泥岩厚度、煤层到杂色泥岩距离、单位面积断层密度、褶皱构造分布、煤层开采厚度。

3 泥砂溃涌危险性评价模型

3.1 数学模型建立

3.1.1 主控因素权重确定

根据影响泥砂溃涌危险性的主要控制因素分析，将研究对象划分为4 个层次：泥砂溃涌危险性评价作为模型的目标层(A 层次)；含水层(B1)、杂色泥岩(B2)、构造发育(B3)、开采条件(B4)4 个方面影响泥砂溃涌灾害发生的可能性，为模型的准则层(B层次)；各主控因素指标构成了本模型的决策层(C层次)，通过对该层次问题的决策，最终达到所要求解的目标[17]，结构分析模型如图4 所示。

图4 泥砂溃涌灾害危险性评价结构模型Fig.4 Structural model for risk assessment of mud and sand inrush

运用标度评分方法判识各主控因素对灾害发生的影响程度，对各主控因素进行评分。打分标准主要是依照1～9 标度法[18]，构建泥砂溃涌灾害危险性AHP 评价的判断矩阵。计算表明，各判别矩阵均符合计算指标要求，可用于计算总目标权重。

各指标Ci对准则层B 的综合权重计算结果分别为0.161(B1)、0.425(B2)、0.270(B3)、0.144(B4)；综合权重Wi为各指标Ci对总目标A 的权重，计算结果见表1 所示。

3.1.2 主控因素指标数据归一化

为了消除主控因素不同量纲数据对评价结果的影响，需要对数据进行归一化处理。采用线性分布的归一化方法，对于正向影响的主控因素，采用式(1)进行正向归一化，负向影响的采用式(2)进行处理[19]。

式中Xi为归一化处理后的数据；a、b分别为归一化范围的下限和上限，本文取0 和1；xi,min，xi,max分别为各主控因素量化值的最小值和最大值；xi为各主控因素量化值。

表1 各指标对总目标的权重Table 1 Weights of different indicators to the overall goal

3.1.3 评价模型的建立

建立表明各影响因素作用的数学模型，其计算值能反映出某一地理位置发生灾害的危险程度。为此引入危险指数VI(Vulnerability Index)对灾害危险性进行评价，其表示某一栅格位置上各种影响因素对其产生的叠加影响总和[20]，模型表达式如式(3)。

式中 VI 为危险指数；Wi为影响因素权重；fi(x,y)为单因素影响值函数；x、y为计算栅格的地理坐标；n为影响因素的个数。

通过AHP 方法确定的各影响因素权重值(表1)，由此得出照金煤矿顶板泥砂溃涌灾害危险性评价模型为：

该数学模型可用于计算空间范围内每一栅格位置泥砂溃涌灾害发生的危险性。

3.2 主控因素栅格化赋值

将照金煤矿全井田共剖分为200 列100 行的均匀栅格，每个栅格面积约50 m2，绘制各主控因素专题图，并对栅格赋值。

洛河组含水层富水性指标选择井田范围内抽水试验得到的单位涌水量值[21]，煤层到洛河组含水层距离、宜君组砾岩厚度、煤层上覆杂色泥岩厚度、煤层到杂色泥岩距离、煤层开采厚度均采用实际厚度和间距数值，分别绘制各主控因素专题图，并将专题图绘制的插值数据赋值到栅格中(图5—图10)。

以100 m×100 m 网格剖分整个井田，统计得出剖分网格内断层条数，以网格中心点为坐标、断层条数为数值绘制断层密度等值线(图11)。沿S1 褶皱轴分布绘制褶皱分布图，并对其数值化处理(图12)。

3.3 危险性评价分区

图5 洛河组含水层富水性专题图(单位：L/(m·s))Fig.5 Thematic map of water yield property of Luohe Formation

图6 煤层到洛河组间距专题图(单位：m)Fig.6 Thematic map of the distance between the coal seam and Luohe Formation

图7 宜君组砾岩厚度专题图(单位：m)Fig.7 Thematic map of the thickness of conglomerate of Yijun Formation

图8 杂色泥岩厚度专题图(单位：m)Fig.8 Thematic map of the thickness of the variegated mudstone formation

图9 煤层到泥岩间距专题图(单位：m)Fig.9 Thematic map of the distance between the coal seam and the variegated mudstone Formation

图10 煤层开采厚度专题图(单位：m)Fig.10 Thematic map of thickness of coal seam

图11 断裂构造密度专题图(单位：条/10 000 m2)Fig.11 Thematic map of fracture structure density

图12 褶皱分布专题图Fig.12 Thematic map of fold distribution

采用式(1)和式(2)提出的数据归一化方法，将各主控因素专题图中各栅格数值进行归一化处理。利用信息融合方法，将归一化后的各栅格数值进行叠加，使其赋值到统一的栅格剖分文件中。运用危险指数数学模型计算各栅格的危险指数，形成危险指数分区，由此对照金煤矿发生泥砂溃涌灾害危险性进行评价(图13)。

图13 中红色部分为危险指数大于0.5 的区域，最大值位于ZF202 工作面，可达0.66。巷道掘进资料表明，该区域断裂构造密度较大，向斜构造发育，泥岩厚度大且直接覆盖于煤层顶板之上，成为井田范围内发生该类型灾害危险最高的地区。

图13 照金煤矿泥砂溃涌灾害危险性分区Fig.13 Risk zoning of mud and sand inrush in Zhaojin coal mine

图13 中黄色和黄绿色区域分布于红色区域两侧，覆盖二采区大部分地区，该区危险指数达0.4以上。区域内煤层上覆泥岩厚度较大且多数直接覆盖于煤层顶板，同时，该区域煤层到洛河组间距相对较小，煤层开采易受到含水层充水影响。区内局部已采工作面未发生该类事故，但部分工作面出现明显的涌水特征。因此，此区域仍需加强防范。

图13 中绿色区域为危险指数介于0.3～0.4 的地区，该区由于煤层采厚小，开采强度低，导水裂缝带波及洛河组含水层程度相对较低。区内已采工作面相对较多且未发生该类事故，其主要原因为一采区工作面煤层与泥岩间距较大。位于二采区范围内的绿色区域由于煤层上覆泥岩厚度大、泥岩到煤层距离小，回采过程中仍存在该类事故风险。但由于二采区绿色区域煤层采厚多数较小，开采强度较低，可在一定程度上减小该类事故发生的危险性。

4 结论

a.提出深埋煤层开采顶板泥砂溃涌灾害4 方面8 个主控因素：洛河组含水层富水性、煤层到洛河组含水层距离、宜君组砾岩厚度、煤层上覆杂色泥岩厚度、煤层到杂色泥岩距离、单位面积断层密度、褶皱构造分布和煤层开采厚度。

b.引入危险指数评价指标，利用AHP 线性权重标定方法确定主控因素权重，并进行专题图叠加，建立照金煤矿开采泥砂溃涌灾害发生危险性评价模型，并通过多源信息融合技术得出照金井田泥砂溃涌灾害危险指数。

c.计算评价结果表明，照金井田由东向西泥砂溃涌灾害发生危险性逐渐增加，最西部ZF202 工作面位置危险指数达到0.5 以上，是全井田危险性最高区域。