汾源煤业5-1022巷掘进工作面陷落柱突水危险性评价分析

秦晓悦

（霍州煤电集团 晋北能化有限责任公司，山西 静乐035000）

1 概 况

山西焦煤霍州煤电集团汾源煤业5-1022巷位于一采区三条下山南翼，东部、南部、西部为未开采实体煤，东部距小煤窑警戒线最近距离为118 m，巷道沿5号煤层底板掘进，总设计长度780m。5号煤层平均厚度为10.4 m，平均倾角25°，煤层顶底板岩层特征见表1。

表1 煤层顶底板岩层特征Table 1 Strata characteristics of roof and floor of coal seam

根据矿井地质资料可知，5-1022巷掘进工作面顶板主要含水层太原组石灰岩岩溶裂隙水，含水层富水弱，对巷道掘进期间无危险影响，5号煤层底板距下覆奥灰顶面平均间距为65 m，奥灰单位涌水量为0.00 427～26.75 L/s·m，含水层的渗透系数为0.05～304 m/d，奥灰顶部水压为6 MPa。巷道掘进工作面前方40 m的位置处存在X14岩溶陷落柱，陷落柱长轴和短轴宽度分别为30 m和11 m，陷落柱内充填物矸石和黄泥。效评价巷道掘进工作面陷落柱区域时是否会导致奥灰水突水现，进行掘进工作面陷落柱区域突水危险性评价分析。

2 突水主要评价因素

采用单一指标进行陷落柱突水危险性评价的准确性低，因此基于模糊综合评判方法理论，结合5-1022巷的具体地质条件，选取5个主要因素，划分为14项指标构件相应的评价等级，具体各类影响因素的影响机理及方式如下。

（1）岩溶地下水径流条件。岩溶陷落柱内地下水径流条件是影响陷落柱导水能力的主要因素，地下水径流会直接影响陷落柱是否发生突水。结合5-1022巷的地质条件，选取奥陶系灰岩含水层岩溶地下水径流的4个影响因素，分别为含水层渗透系数、水力坡度、单位涌水量和顶板水压，具体各项影响因素等级见表2。

表2 岩溶陷落柱突水主要影响因素等级Table 2 Main influencing factors of water inrush of Karst collapsed column

（2）陷落柱内部结构及其导水性。岩溶陷落柱内部结构具有复杂多样性，根据众多理论研究，岩溶陷落柱内的典型结构如图1所示。

图1 岩溶陷落柱内部典型结构Fig.1 Typical structure inside karst collapse column

结合巷道X14陷落柱的具体条件，选取陷落柱柱体的比例、泥石浆压实程度、泥石浆胶结程度及陷落柱柱壁裂隙发育程度这4个指标进行岩溶陷落柱导水性的评价分析，具体各项影响因素等级见表3。

表3 陷落柱内部结构及其导水性因素等级Table 3 Internal structure of collapse column and its conductivity factor grade

（3）关键隔水层段。若采掘工作面与陷落柱间存在较厚的软弱隔水层，则陷落柱区域不易发生突水事故；关键隔水层结构在采掘动压扰动下出现破断，若此时岩层破断裂隙区域内能够被有效充填，裂隙闭合，则结构关键层可形成复合关键隔水层。针对关键隔水层选取隔水总厚度、隔水层岩性组合的防突能力进行关键隔水层性能的判断，隔水层总厚度采用Ⅰ～Ⅳ分别代表极厚、较厚、较薄和极薄；隔水层岩性组合防突能力采用Ⅰ～Ⅳ分别代表极强、较强、较强和极强。

（4）采掘工程扰动。针对采掘工程扰动方面选取采掘工程的类型、工作面尺度和采掘工程与陷落柱位置三个因素进行采掘工程扰动特征的衡量；其中工作面尺度方面，采用Ⅰ～Ⅳ分别代表极小、较小、较大和极大；与陷落柱的位置关系方面，采用Ⅰ～Ⅳ分别代表极远、较远、较近和极近。

（5）岩溶陷落柱周边地质构造发育情况。选取构造发育密度和构造性质进行陷落柱周边地质构造发育情况的评价，构造发育密度采用Ⅰ～Ⅳ分别代表极疏、较疏、较密和极密；构造性质采用Ⅰ～Ⅳ分别代表极安全、较安全、较危险和极危险。

3 突水危险性评价

选取模糊综合评判法作为评价X14陷落柱是否具有突水危险性的评价方法。Ⅰ～Ⅳ相应指标分别赋予1～4的边界值，通过线性插值法确定隶属函数：

（1）陷落柱所处区域水文情况。根据矿井地质可知，X14陷落柱处于地面河流强径流带上，陷落柱上部夹有少量角砾泥灰岩，下部夹角砾状灰岩，厚度为218.4～229.74 m，中部富水性较强，奥灰水的渗透系数为0.05～304 m/d，单位涌水量0.00 427～26.75 L/s·m，奥灰顶部水压为6 MPa。

（2）陷落柱内部结构及周边构造。对岩溶陷落柱进行地震勘探、综合物探和钻探后，得出陷落柱柱壁裂隙无明显发育特征，工作面内共计发育4条断层，断层落差0.4～1.8 m，根据邻近巷道揭露情况可知，断层均为小断层。

（3）关键隔水层特征。5号煤层与砂岩岩溶裂隙含水层间的平均间距为45.77 m，隔水岩层主要由粉砂岩和粘土岩组成，该类岩层具有较好的隔水性能。

（4）采掘工作面特征。5号煤层平均厚度为10.4 m，平均倾角25°，5-1022巷道距陷落柱边缘为5 m。

（5）因素权重的确定。采用AHP法进行决策，通过建立层次分析模型、分层次构造判断矩阵、采用层次单排序及一致性检验，最后进行层次总排序及一致性检验，得出陷落柱各影响因素的权重值，见表4。

表4 影响因素指标权重Table 4 Index weights of influencing factors

基于上文中提出的隶属函数，求出模糊关系的矩阵：

进行一级模糊评判，得出：

二级模糊关系矩阵R为：

二级模糊评判：

基于最大隶属度原则，得出评价值B=0.399，据此评价得出X14陷落柱具有极大的突水危险性，在5-1022巷掘进通过该陷落柱时，需采取有效的堵水和降水措施，保障巷道安全掘进。

4 结 语

根据汾源煤业5-1022巷道及X14陷落柱的具体特征，分析得出影响陷落柱突水的主要影响因素分别为岩溶地下水径流条件、陷落柱所处区域水文情况、关键隔水层段、采掘工程的扰动、岩溶陷落柱周边地质构造发育情况，通过模糊综合评判法建立隶属函数，划分各影响因素权重，根据二级模糊评判结果得出X14具有极大的突水危险性，为巷道掘进工作面通过X14陷落柱区域提供参考。