五图- 双系数三级判别法在紫金煤矿底板突水评价中的应用

穆金霞

（中国煤炭地质总局第一水文地质队，河北 邯郸 056004）

1 基本原理

为防止煤层底板突水事故发生，需对煤矿进行底板突水危险性评价，目前评价底板突水的方法很多，如突水系数法、多源信息复合法、GIS与ANN 耦合技术法、脆弱性指数法等，由于以上方法需通过专门的勘探手段获得，存在局限性，故选用“五图—双系数三级判别法”对煤层底板突水进行评价。

五图—双系数三级判别法是一种带压开采工作面评价技术。带压开采技术用于采煤工作面评价时涉及许多细致的工作内容，其中最重要的是围绕“五图”、“双系数”和“三级判别”来进行，如图1 所示。

图1“五图双系数三级判别法”流程Fig.1 Flowchart of"five-figure double-coefficient three-level discrimination"

“五图”包括底板保护层破坏深度等值线图（第一图）、底板保护层厚度等值线图（第二图）、煤层底板上的水头等值线图（第三图）、有效保护层厚度等值线图（第四图）、带水压开采评价图（第五图）。

“双系数”为带压系数和突水系数，带压系数为《煤矿防治水细则》中T=P/M公式确定，评价临界值取T=0.06 MPa/m，突水系数依据《矿区水文地质工程地质勘探规范》 中Tt＝P/(M-Cp)公式计算，评价临界值也取0.06 MPa/m。

“三级判别”的概念和意义是与双系数配合用来判别突水与否，以及突水形式和突水量变化的3个指标，Ⅰ级是判别工作面必然发生直通式突水的指标；Ⅱ级是判别工作面发生非直通式突水可能性及其突水形式的指标；Ⅲ级是判别已被Ⅱ级判别定为突水的工作面其突水量变化状况的指标。

2 应用实例

现利用“五图—双系数三级判别法”对紫金煤矿15 号煤层进行突水危险性评价。

2.1 矿井地质及水文地质条件

研究区西部二叠系上石盒子组、下石盒子组和山西组地层出露，东部大面积被第四系覆盖。区内赋存地层由老到新依次为奥陶系上马家沟组、峰峰组，石炭系本溪组、太原组，二叠系山西组、下石盒子组、上石盒子组、石千峰组，三叠系刘家沟组，新近系，第四系。主要可采煤层为山西组6 号煤层和太原组15 号煤层。

研究区总体为单斜构造，地层走向东、倾向南，倾角5°～14°，共发现28 条正断层，其中落差大于5 m 的断层5 条，陷落柱13 个，区内无岩浆岩侵入，地质构造简单。

研究区位于山西娘子关泉域岩溶地下水系统西北部径流区，含水层由上至下划分为第四系松散孔隙含水层，二叠系砂岩裂隙含水层，石炭系砂岩夹灰岩裂隙含水层，奥陶系岩溶裂隙含水层。其中主要含水层为山西组砂岩裂隙含水层，石炭系太原组砂岩夹灰岩裂隙含水层，奥陶系岩溶裂隙含水层。

（1） 山西组砂岩裂隙含水层。山西组是主要的含煤地层，含水层以中- 粗粒砂岩为主，厚度0.5～48.14 m，平均厚度18.57 m。据BK2、ZK202号钻孔抽水资料，单位涌水量0.0013～0.0096 L/s·m，据简易水文资料，多数钻孔山西组地层泥浆消耗量较小，一般小于0.50 m3/h。表明该组地层裂隙一般不发育，个别地段虽然节理裂隙较发育，但多为干裂隙或被充填，含水层富水性弱。

（2） 石炭系太原组砂岩夹灰岩裂隙含水层。含水层岩性为中砂岩、细砂岩及灰岩，厚度4.75～48.14 m，平均厚度26.03 m。该含水层包括K2、K3、K4 三层灰岩，灰岩总厚度平均为7.52 m，裂隙、溶隙较发育多被充填。据BK2、ZK202 号钻孔抽水资料，单位涌水量0.0012～0.0027 L/s·m，含水层富水性弱。

（3） 奥陶系岩溶裂隙含水层。峰峰组含水层岩性主要为石灰岩、白云质灰岩，上马家沟组含水层主要为石灰岩、花斑灰岩、白云质灰岩。据以往抽水资料知峰峰组与上马家沟组富水性差异较大，峰峰组含水层单位涌水量0.000 1～0.002 2 L/s·m，富水性弱，上马家沟组含水层单位涌水量0.001～0.201 6 L/s·m，富水性弱- 中等。研究区内奥灰水位标高为+748—+752 m，6 煤底板标高为-20—+680 m；15 煤底板标高为-120—+580 m。6、15号煤层均位于奥灰水位以下，属带压开采。

2.2 参数选取

采用研究区内以往施工的7 个钻孔资料（表1），通过计算得出15 号煤层水头压力值3.73～6.36 MPa，由西北向东南逐渐增大（图2）；15 号煤层底板保护层厚度值71.13～104.81 m，由东中部向两侧逐渐增大（图3）；15 煤底板导水破坏带深度为20.93～23.85 m，由西北向东南逐渐增大（图4）；15 号煤层底板有效保护层厚度一般为49.61～83.88 m，由中部向两侧逐渐增大（图5）。

表1 15 号煤层底板突水相关数据统计Table 1 Relevant data statistics of water inrush from No.15 coal seam floor

依据带压系数T＝P/M计算得出15 煤底板奥灰水带压系数0.036～0.072 MPa/m，依据“突水系数”Tt＝P/(M-Cp)计算得出15 煤底板奥灰水突水系数0.044～0.098 MPa/m，研究区内带压系数和突水系数总体由西北向东南逐渐增大，如图6、图7 所示。

图6 2 号煤层构造对比Fig.6 Structural comparison of No.2 coal seam

2.3 评价结果

通过对破坏深度图、保护层厚度图、水头分布图、有效保护层图综合分析研究，结合带压系数图及突水系数图，再配合“三级判别”进行带压分区，如图8 所示。

图8 15 号煤层底板奥灰水突水危险性评价分区Fig.8 Ordovician limestone water inrush risk evaluation zone of No.15 coal seam floor

（1） 15 号煤层全井田带压。井田北部“双系数”均小于0.06 MPa/m 的地段，属于Ⅲ级评价的范畴，底板“有效保护层”阻抗水头压力的能力较强，正常情况下工作面发生非直通式突水的可能性极小。

（2） 在井田中北部，带压系数小于0.06 MPa/m，突水系数大于0.06 MPa/m 的地段，属于Ⅱ级评价的范畴，发生突水的可能性小，但“有效保护层”阻抗水头压力的能力较低，增加了发生突水的可能性，同时遇断裂构造时有发生突水的可能。

（3） 井田南部“双系数”均大于0.06 MPa/m的地段，属于Ⅰ级评价的范畴，“有效保护层”阻抗水头压力的能力低，在构造地段工作面必然发生直通式突水。在带压区的断层周围属Ⅰ级评价的范畴。

Ⅰ级评价的区域，15 号煤层带压开采安全性较差。Ⅱ、Ⅲ级评价的区域，总体上15 号煤层带压开采安全性较高，但是在Ⅱ、Ⅲ级评价的区域内，应加强对各类断裂构造的探查并采取必要的防治措施，以满足带压开采的要求。

3 结 语

在紫金煤矿15 号煤层的突水预测分区中，全面考虑了导致15 号煤层底板突水的主要因素，用五图- 双系数三级判别法进行了评价结果等级划分。五图采用煤矿开采中的基本地质图件surfer 生成，直观方便实用，预测分区结果也更符合煤矿实际水文地质条件。结果显示，突水危险性较大的区域（Ⅰ级区） 分布在井田的南部，面积较大；井田中北部属于突水危险性较小的区域（Ⅱ级区）；井田北部属于基本安全区（Ⅲ级区）。