慈林山9号煤层顶板含水层富水性分区分析与研究

2021-08-06张楠

煤炭与化工 2021年6期

张楠

（潞安化工集团慈林山煤业有限公司慈林山煤矿，山西长子046605）

1 概况

山西潞安集团慈林山煤矿9号煤层为矿井主采煤层，煤层平均厚度为1.12 m，平均倾角3°，局部含有一层夹矸，煤层结构简单，煤层顶板岩层为石灰岩、泥岩，底板岩层为泥岩、细粒砂岩，具体煤层顶底板岩层特征见表1。根据煤层地质资料可知，9号煤的直接充水含水层为顶板砂岩裂隙含水层及岩溶裂隙含水层，9号煤层回采工作面开采时形成的导水裂隙，可能沟通K5石灰岩含水层及上覆其他它各含水层，现为确保9107工作面顺利开采，需掌握9号煤层顶板含水层的富水特征。

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

2 富水性评价方法

根据工作面顶板砂岩裂隙含水层、岩溶裂隙含水层和K5石灰岩含水层的地质条件，从含水层组成要素出发，通过具体分析顶板含水层的补给条件和储存空间，进行含水层空间分布特征分析，以此对顶板各含水层的富水性进行评价。富水性评价的基本步骤主要为5步，分别为构建富水性评价指标体系、量化指标体系、确定指标权重、计算单层含水层富水性、确定复合含水层综合富水性验证富水性分区结果，如图1所示。

图1 富水性评价思路Fig.1 Water richness evaluation process

（1）评价指标体系的构建。顶板含水层构成的三要素分别为隔水性能良好的岩层、储存空间及补给源，其中决定含水层富水性强弱的主要因素为含水层的补水源及储存空间。现根据慈林山矿井地质钻孔资料，依据含水层的补给性质、导水系数、含水层厚度、砂地比及含水岩层等参数建立指标体系，如图2所示。

图2 顶板含水层富水性分区评价体系Fig.2 Water richness division evaluation system of roof aquifer

（2）评价指标的量化。含水层补给性质直接决定含水层的富水性，根据慈林山矿井地质资料可知，顶板砂岩裂隙水含水层水量衰减快、补给条件相对较差，且含水层区域内断层发育较少，结合《煤矿防治水细则》中对于含水层补给条件的分类，确定砂岩裂隙含水层的富水性为弱-极弱富水性，岩溶裂隙含水层和K5灰岩含水层的整体富水性也表现为弱-极弱。根据矿井沉积规律及划分地层结果，通过对矿井范围内钻孔数据的统计分析，能够得出顶板砂岩裂隙含水层、岩溶裂隙含水层和K5石灰岩含水层富水性分散点图，如图3所示。

图3 顶板含水层导水系数富水性散点Fig.3 Water richness scattered points of roof aquifer conductivity coefficient

（3）权重确定。根据国内外众多理论研究结论，结合9号煤层的地质条件，采用层次分析法进行含水层各项影响指标权重的计算。首先分析各指标间的关系，建立指标体系递阶层次结构，随后根据同一层次的各项指标的重要性进行比较分析，构造出相应的判断矩阵计算各项指标的相对权重，最后得出各项指标的合成权重。具体9号煤层顶板含水层各级指标权重确定时层次结构模型如图4所示。

图4 顶板含水层富水性评价层次结构模型

根据矿井地质条件及9号煤层具体特征，基于井田范围内地层沉积相及导水裂隙带范围内含水层厚度等参数，通过层次分析法计算得出各含水层一级权重判断矩阵及权重，结果见表2。

在进行二级指标权重确定时，只考虑含水层的补给性质、导水系数、含水层厚度、砂地比和含水层层数5项影响因素，见表3。

综合表2和表3中的数据，计算得出一级权重的最大特征值为3.0649，CI=0.0324，CR=0.0624<0.1；二级权重最大特征值为5.2317，CI=0.0579，CR=0.0517<0.1。一级判断矩阵和二级判断矩阵均在合理范围内，权重划分合理。

表2 9号煤层顶板含水层一级权重判断矩阵和结果Table 2 The first level weight judgment matrix and results of No.9 coal seam roof aquifer

表3 9号煤层顶板含水层二级权重判断矩阵和结果Table 3 The second level weight judgment matrix and results of No.9 coal seam roof aquifer

综合一级权重和二级权重的划分表格得出9号煤层区域内各项指标权重数据，见表4。

表4 9号煤层顶板含水层各指标权重结果Table 4 Matrix and results of No.9 coal seam roof aquifer

3 富水性分布与验证

3.1 含水层富水性分区

基于上述富水性评价方法及各项指标权重数据，通过进行各单层含水层富水性的叠加计算，采用多元地学信息数据进行叠加，得出富水性指标大小，具体计算公式如下：

式中：Fi为单层含水层富水性指数；k为指标个数；Wk（i）为二级指标的权重。结合工作面地质条件及表4中的数据，得出单层评价模型如下：

顶板含水层的富水性大致划分为极弱、弱、中等、强和极强，划分的界限F值分别为2、4、6、8和10。

基于一级指标权重，通过对单层含水层富水性的叠加计算得出9号煤层顶板含水层富水性的综合指标，计算公式如下：

式中：F为含水层富水性的综合指数；Wi(j)为一级权重指数。

结合上述单层含水层的富水性指数结果，得出9号煤层顶板含水层富水性综合评价模型如下：

9号煤层顶板含水层富水性为弱-中等型，弱富水区域、中等富水区域分别占72%和28%，顶板含水层的富水性主要受到补给条件和沉积特性的共同控制，具体顶板含水层富水性的分布如图5所示。

图5 煤层顶板含水层综合富水性分区Fig.5 Water richness division of coal seam roof aquifer

3.2 评价结果验证

在慈林山9107工作面回采作业前，分别通过钻孔验证及瞬变电磁验证的方式进行顶板含水层富水性的验证分析，共计布置3个水文验证钻孔，3个水文观测孔的单位涌水量分别为0.031、0.027和0.034 L/（s·m），富水性特征均为弱富水性，对比富水性评价分区图可知，打设的3个水文钻孔均分布在划定的弱富水性区域。

另外在9107工作面回采前进行瞬变电磁探测，基于探测结果分别对工作面顶板40、60及80 m的位置进行切片，得出工作面顶板瞬变电磁图，如图6所示。

从图6中能够看出，9107工作面开切眼前600 m的范围属于富水性较弱的区域，该区域内钻孔终孔水量为20 m3/h，富水性相对较强区域位于距切眼1 300～2 400 m的位置处，对比富水性评价分区图可知，9107工作面富水性较强区域和较弱区域均与9号煤层顶板含水层富水性分区结果相一致。