采动煤层顶板碎屑岩类含水层富水性评价方法及应用

2020-12-23周文武满孝全张伟杰韩承豪郜普涛

中国矿业 2020年12期

周文武，王杰，杨飞，满孝全，王正，张伟杰，韩承豪，郜普涛

(1.山东科技大学地球科学与工程学院，山东青岛 266590；2.山东能源新汶矿业集团，山东泰安 271200；3.枣庄矿业集团高庄煤业有限公司，山东济宁 277605)

矿井水害是煤矿安全生产的重大威胁，其中顶底板砂(砾)岩含水层突(涌)水是重要灾害类型之一[1-2]。若井巷工程揭露或沟通砂(砾)岩含水层(强)富水区域，可引发瞬间大体量突水灾害，轻者会造成采矿机械损失，重者可引发淹井甚至惨重的人员伤亡事故，而含水层富水性是矿井水害强度的重要影响因素之一，因此开展碎屑岩类含水层富水性评价工作是矿井水害防治的基础工作。传统研究中，含水层富水性评价多是建立在矿井水文地质条件较高的探查程度的基础上，如武强等[3]提出的“三图-双预测法”，该方法已纳入到矿井防治水水害防治的相关规程中。然而，对于水文地质条件查明程度较低，或者难以具备水文地质勘查条件(如水体下采煤)的矿井，能够获得的水文地质参数[4]有限，直接利用探查的水文地质资料开展含水层富水性预测工作将遇到诸多困难。随着计算机信息技术的发展，多位学者运用多源地学信息复合叠加原理[5-6]，这些方法为矿井水害防治起到了积极作用，但在水文地质勘探程度较低的井田或采区适宜性较差。

本文以水文地质勘探程度较低的高庄煤矿为研究对象，开展砂(砾)岩等碎屑岩类含水层富水性评价及水害危险性预测研究，构建了碎屑岩类含水层富水性预测模型，提出了碎屑岩类含水层富水性预测方法，并运用于高庄煤矿湖下深部采区顶板富水性预测中，取得了良好的效果。

1 煤层采动扰动带碎屑岩类含水层富水性预测方法

1.1 基本方法

针对水文地质勘查程度较低或勘查条件困难的区域[5]，基于沉积环境分析和研究区构造发育特征，选取含煤地层岩性结构特征和构造复杂程度作为砂(砾)岩含水层富水性的主控因素。提出岩性结构系数表征煤层顶板岩性及其组合特征，用于评价碎屑岩类含水层发育的物质基础，引入分形理论，采用构造分维值用于定量评价构造复杂程度。将岩性与构造相结合，提出岩性结构系数-构造预测法，用于碎屑岩含水层富水性预测。

水文地质条件不同以及研究区碎屑岩类含水层涉及范围不同，导致含水层富水性主控因素权重大小各异。首先根据相关规程、研究区或邻区实测资料及微震数据，确定研究区工作面采动顶板导水裂缝带范围，汇总富水性评价所涉及到的含水层岩性、数量、厚度等基础数据；其次根据已开采区域顶板突水案例，重点考虑突水通道类型及涌水量大小，结合“征集专家评分”的方法，确定含煤地层岩性结构系数及构造复杂程度对砂(砾)岩含水层富水性的权值大小，构建碎屑岩类含水层富水性评价模型(LS-SC模型)；最后根据矿井已开采区域井下突水资料确定富水性分区阈值，进而确定性分区范围。

1.2 碎屑岩类含水层富水性影响因素

基于华北型煤矿顶底板突水案例分析，控制砂(砾)岩含水层富水性的岩性及构造因素包括以下4个方面。

1) 砂(砾)岩含水层赋存规律：砂(砾)岩空间分布形态及厚度变化规律受控于含煤盆地沉积环境[7]。沉积环境从根本上决定了含水层内部空隙类型及分布，而含水层内部空隙构成地下水存储空间，是含水层富水性评价的地质基础。

2) 岩层组合关系：煤层顶底板岩层为多个岩层(组)互层结构。实践表明，岩层组合结构中含水层单层厚度及含水层、隔水层间隔数量对该岩层组的整体富水性有很大影响[7-10]。

3) 褶曲构造发育程度：褶曲轴部及转折端伴生大量张性节理，成为含水层良好的储水空间。尤其是向斜构造，为顶板突水事故多发区域。

4) 断裂构造发育程度：断裂构造性质和发育程度对含水层赋水特征有决定性影响，断裂构造多形成良好的赋水空间。此外，开采扰动可能导致断层滞后活化，扩展导水通道并连通更多含水层，增大了顶板水害概率。

1.3 顶板碎屑岩类含水层富水性评价模型

采动扰动下煤层顶板砂(砾)岩含水层富水性可以通过岩性结构系数(LSC)及构造复杂程度相融合的方法进行评价。通过以下步骤建立含水层富水性评价模型。

图1 开采扰动带示意图Fig.1 Zone of mining-disturbance

1) 开采扰动带确定。本文将煤层开采所波及的含水层的范围称为开采扰动带Ht(图1)。开采扰动带垂向区间确定方法见式(1)和式(2)。

Ht=H开采破坏区终止于隔水层

(1)

Ht=H+Hr开采破坏区终止于含水层

(2)

式中：Ht为开采扰动带垂向高(深)度，m；H为开采破坏区垂向范围，m；Hr为破坏区终止含水层残余厚度，m。

测定或计算研究区煤层开采时导水裂缝带发育范围。分析已施工钻孔资料，自下而上统计岩层岩性、含水层单层厚度h(w b)i、隔水层单层厚度h(w r)i、含水层-隔水层转换界面数量n，并测算各钻孔的顶板开采扰动带高度。

2) 顶板开采扰动带岩性结构(LS)特征分析。本文考虑碎屑含水层粒径大小、含水层-隔水层沉积间隔、含水层岩性及单层厚度对煤层顶板富水性影响，提出运用岩性结构系数(LSC)表征顶板扰动区内岩层富水程度，评价公式见式(3)。

(3)

式中：h(w b)i为第i个含水层单层厚度，m；ri为第i个含水层厚度等效系数；n为顶板扰动带内含水层-隔水层转换界面数量。

采用极差标准化方法将各钻孔LSC数据进行标准化处理，见式(4)。

(4)

式中：xmk为LSC原始数据；max{xmk}、min{xmk}为LSC原始数据中最大值、最小值。

3) 井田地质构造复杂程度(SC)分析。构造网络是一种具有分形结构的复杂系统[4]，定量描述分形结构不规则性的分维数可以作为定量评价断层、褶皱复杂程度的一种指标，反映了构造区含水层富水特征[7]。

4) 碎屑岩类含水层富水性LS-SC评价模型构建。综合考量岩性结构特征以及地质构造发育程度，归纳总结矿井已采区域或相邻矿井顶板水害规律，确定涌水通道类型，评价顶板沉积结构及地质构造对顶板富水性影响权值α、β，构建顶板砂(砾)岩含水层富水性评价模型，见式(5)。

(5)

根据上述模型求取复合值F，绘制等值线图。

1.4 顶板开采扰动带含水层富水性等级划分

在工作面顶板采动扰动范围内，碎屑岩类含水层的富水性是矿井突水的基础，其富水程度是决定矿井突水的水量大小和突水点是否能够持久涌水的基本条件。将LS-SC模型与矿井已开采区工作面突水位置、涌水量等信息结合，综合确定碎屑岩类含水层富水等级阈值，最终划分出顶板含水层富水性分区，对指导工作面顶板水害防治工作具有一定现实意义。

2 应用实例

2.1 研究区概况

高庄煤矿地处微山湖区，主采煤层为3上煤层，目前浅部煤炭资源开采殆尽，已进入湖下深部开采阶段。深部开采区域地表为微山湖水常年覆盖，水文地质勘察程度低，且井田内构造发育，工作面顶板突水事故频发。根据实际揭露的资料3上煤层顶板砂岩是开采3上煤层的直接含水层，岩性以细砂岩为主，而深部采区已采的3上1101工作面、3上1107工作面等开采表明，工作面顶板涌水量较浅部显著增大，亟需开展顶板砂岩含水层富水性评价工作，以制定针对性的矿井水害防治措施。

2.2 深部采区3上煤层顶板含水层富水性评价

根据本文提出的预测方法，对高庄煤矿3上煤层顶板碎屑岩类含水层富水性预测开展研究。

2.2.1 导水裂缝带高度确定

通过3上1101等工作面开采过程中微震资料分析，本矿深部采区导水裂缝带发育高度为50～55 m。参考3上509工作面“两带”高度实测结果为49.35 m，该矿3上煤层开采顶板导水裂缝带最大发育高度确定为55 m。

2.2.2 3上煤层顶板开采扰动带高度计算及岩性结构特征分析

1) 开采扰动带高度计算。统计高庄煤矿湖下采区共计25个钻孔资料，分析认为该矿顶板扰动区高度为55～68.75 m，依次统计各钻孔顶板扰动区内转换界面数量n及含水层厚度所占比重R。

2) 厚度等效系数计算。含水层富水性定量评价工作中，含水层富水性的归一化处理是重要环节[7,11]。我国现行规范《煤矿防治水细则》[12]中采用钻孔单位涌水量q作为含水层富水性的评定指标，依据的是含水层的出水能力，因此单纯依据含水层储水参数——孔隙度为指标确定含水层等效厚度是不准确的。

根据现场水文地质试验并获取大量实测资料，采用数据拟合分析方法获得了含水层导水系数T和单位涌水量q之间线性关系，即导水系数一定程度上可表征单位涌水量大小[13-15]。

假设不同岩性含水层富水程度相同，水文地质试验中钻孔单位涌水量相等，则近似存在式(6)和式(7)关系。

T=Ki×Mi(i=1，2，3)

(6)

(7)

式中：T为导水系数，m2/d；K为渗透系数，m/d；M为含水层厚度，m；r为以粗砂岩为基准的含水层厚度等效系数；1、2、3为细砂岩、中砂岩及粗砂岩。

通过3上1110工作面钻探取样，获得井田深部3上煤层顶板细砂岩、中砂岩及粗砂岩层样品各5件，利用岩石渗透仪开展渗透性试验研究，得到细砂岩、中砂岩厚度等效系数分别为r细=0.42、r中=0.60。

3) 顶板开采扰动带岩性结构系数值(LSC)计算。根据各钻孔不同岩性含水层厚度统计数据，计算数据见表1。

表1 研究区深部3上煤层顶板特征值统计表Table 1 Roof strata’s characteristics values of the 3上coal seam in the deep area

图2 研究区3上煤层顶板岩性结构系数等值线图Fig.2 Contours of of the 3上coal seam roof

2.2.3 井田构造分维值等值线图绘制

井田总体为一宽缓单斜构造，断层发育。本文仅对落差大于煤厚或者切割煤层的断层进行统计分析。断层分维值计算方法参见文献[4]，不再赘述。计算结果见表1，绘制井田断层标准化分维值等值线图(图3)。由图3可知，研究区域内断层等构造发育程度高，极易导通多个含水层，成为地下水赋存和运动场所。

图3 研究区断层分维值等值线图Fig.3 Contours of fault fractal value

2.2.4 顶板含水层富水性分区图绘制

1) 顶板含水层富水因素权值确定。统计高庄煤矿建井以来涌水量Q>30 m3/h的3上煤层顶板砂岩含水层水害事故(表2)。由表2可知，以断层发育区顶板砂岩含水层突水案例11次；正常围岩区顶板砂岩突水案例7次。以突水案例次数、平均最大涌水量、平均稳定涌水量为指标分别比对分析，断层发育区占比分别为61.11%、58.59%、57.49%，正常围岩区占比分别为38.89%、41.41%、42.51%。综合分析以上数据，在碎屑岩含水层富水性评价模型中，构造复杂程度和岩性结构特征两个指标的权重可确定为0.6和0.4。

表2 研究区3上煤层顶板水害案例统计表Table 2 Statistic of water-burst cases of the 3上coal seam roof

2) 顶板含水层富水性评价模型构建。基于上文研究成果，顶板含水层富水性复合评价模型见式(8)。

(8)

图4 研究区3上煤层顶板含水层F值等值线图Fig.4 Contours of F value of the 3上coal seam roof

3) 顶板含水层富水性等级划分标准制定。根据高庄煤矿已开采区域内工作面顶板砂岩含水层突水位置、涌水量等信息，综合确定了研究区顶板含水层富水性分区界限值F，即：F≥0.58为强富水区；0.49

结合3上煤层顶板含水层F值等值线图及富水性分区界限值，绘制了研究区3上煤层顶板含水层富水性分区图(图5)。由图5可知， 3上煤层开采扰动范围内顶板砂岩含水层在矿井西部及东部富水性强，中部富水性大部分为中等，其中在中部仅有两个小区域富水性弱。

图5 研究区3上煤层顶板含水层富水性分区图Fig.5 Potential groundwater yield zonation of3上coal seam roof

2.3 高庄煤矿3上煤层顶板含水层富水性分区验证

1) 地球物理异常信息验证。3上1110工作面总体为一单斜构造，受断层影响，煤层产状变化较大，煤层倾角5°～10°，平均14°。工作面走向长度1 614 m，倾向长度108～174 m，煤层厚度稳定，厚3.6～7.0 m，平均5.1 m。根据工作面材料巷、运输巷及切眼实际揭露情况，工作面实际揭露断层50余条，断层H≥2.0 m共27条(图6)。

图6 3上1110工作面物探异常区分布图Fig.6 The layout of geophysical exploration anomaly of 3上 1110 working face

为探查3上1110工作面顶板含水层富水情况，2012年11月选择在该工作面材料巷、切眼和运输巷内进行，测线总长度为2 130 m。材料巷和切眼测线上每个测点探测工作面顺层和工作面顶板两个方向，运输巷每个测点探测工作面顺层、下帮顶板和上帮顶板三个方向。

根据地球物理探测结果，确定的富水性异常区范围如图6所示。图6中菱形网格填充区域表示工作面顺层方向富水异常区范围，黑色填充区域表示顶板方向富水异常区范围。结合图5和图6可知，井下瞬变电磁探测获得的3上1110工作面富水区范围均处于本文提出的顶板含水层富水性分区图中的强富水区内，两者吻合程度较高。因此，图5可作为高庄煤矿顶板砂岩水富水程度预测依据。

2) 工作面突水点信息验证。统计了井田深部工作面3上1109工作面和3上1110工作面顶板突水信息，见表3。同时将突水点位置绘制在图5上。由表3和图5可知，两个工作面发生突水3次，均位于预测的强富水区和中等富水区，反映了该方法富水性分区的合理性。