辛置煤矿10#煤层顶板直接含水层突水危险性评价分析与研究

郭明明

（霍州煤电集团李雅庄煤矿 山西霍州031400）

1 工程概况

山西焦煤集团霍州煤电集团辛置煤矿位于霍州矿区南部，矿井主要开采2#、10#和11#煤层，井田范围内2#煤层基本已回采完毕，10#煤层正在进行开采，11#煤层尚未进行回采，目前矿井正在开采10#煤层东四延伸采区，10#煤层厚度为1.43 m～2.67 m，平均厚度为2.6 m，平均倾角为4°，煤层内平均含有1层夹矸，夹矸平均厚度为0.2 m，煤层顶板岩层为泥岩和K2石灰岩，底板岩层为砂质泥岩和中-细砂岩，具体10#煤层顶板主要含水层的柱状图如图1所示。

图1 主要地层及含水层柱状图

10#煤层回采过程中，主要受到顶板太原组灰岩含水层的影响，该含水层总体呈现为弱-中等的富水性，且该含水层局部具有富水性较强的特征，存在一定的突水危险性。东四延伸采区开采过程中主要受到顶板K2灰岩含水层威胁，根据工作面回采巷道掘进期间涌水情况统计，正常掘进期间巷道涌水量为10 m3/h，最大涌水量为20 m3/h，遇到断层构造期间涌水量为50 m3/h，现为保障采区煤炭资源的安全回采，特进行顶板突水危险性的评价分析。

2 顶板破坏特征

2.1 顶板强度分析

根据矿井地质资料可知，10#煤层顶板K2灰岩的平均厚度未8.24 m，岩层上部裂隙发育，质地坚硬，且岩层内裂隙被方解石充填，岩层下部含有夹黑色泥岩，井田范围内K2岩层的抗压强度约为40.9 MPa～67.8 MPa，抗拉强度约为28.1 MPa～45.6 MPa，岩石的抗剪强度为0.59 MPa～0.77 MPa，根据井田范围内的钻孔地质数据可知，煤层顶板K2灰岩岩芯取芯率情况如表1所示。

表1 K2灰岩岩芯取芯率数据表

根据井田范围内钻孔取芯率的数据，通过采用多元信息软件，将钻孔取芯率进行归一化处理，能够得出常态下石灰岩的软化系数介于0.70～0.94的范围内，通过各个钻孔的数据得出井田范围内10#煤层顶板K2灰岩的软化系数，采用ArcGIS软件中的差值功能绘制出顶板K2灰岩软化系数的分布云图如图2所示。

图2 K2灰岩软化程度分布图

2.2 顶板三带发育特征

回采工作面的顶板“三带”分别为“垮落带、裂隙带和弯曲下沉带”，在顶板岩层三带中垮落带和裂隙带主要起到导水通道的作用，现为分析顶板的导水特征主要对工作面顶板的垮落带和裂隙带进行分析。

（1）垮落带高度分析：工作面顶板岩层垮落带的高度主要由岩层内部结构的不确定性和岩层本身的碎胀系数所决定，根据众多理论研究和工程实践结果[1-3]，计算垮落带的公式如下：

式中：hk为垮落带的高度；M开采煤层的采高；α为煤层的倾角；k为岩体的碎胀系数；

从公式（1）中可知，影响顶板岩层垮落带高度的主要因素为顶板岩层碎胀系数、煤层采高和煤层倾角，一般在回采工作面内，煤层的采高及倾角均为一个固定的数值，此时影响顶板垮落带高度的因素即为岩层的碎胀系数，但由于K2灰岩具有坚硬致密的特性，其本身的碎胀系数较为不明显，故而采用该公式计算垮落带高度时，计算结果的准确性会相对较差。

目前导水裂隙带的发育规律主要通过一般的经验公式计算，目前垮落带和导水裂隙带的计算公式主要依据《三下采煤规程》，该计算公式中主要依据岩层的坚硬程度及煤层厚度具体进行导水裂隙带发育规律的划分[4]，基于岩层顶板为中硬，10#煤层的厚度为2.1 m，选取计算垮落带和导水裂隙带高度的公式如下：

根据10#煤层顶底板岩层的赋存特征，煤层赋存参数，计算得出煤层顶板垮落带h垮=12.79 m，顶板导水裂隙带的高度h导=55.36 m。

3 顶板突水危险性评价

3.1 评价指标统计分析

根据辛置煤矿东四延伸采区10#煤层顶板含水层的具体特征，采用三图双预测的方法进行顶板K2灰岩突水危险性的评价分析，在进行分析时主要考虑6个方面的因素，主要包括：含水层的岩性、单位涌水量、厚度、渗透系数及钻孔取芯率，具体分析如下：

（1）充水含水层厚度：含水层的厚度会直接影响含水层的富水程度，现通过对井田范围内地质钻孔中揭露K2灰岩含水层的数据进行分析，采用ArcGIS软件绘制出顶板含水层厚度如图3所示。

分析图3(a)可知，东四延伸采区K2灰岩呈现为北部和中部岩层厚度大，南部和东西部岩层厚度相对小的分布特征。

（2）含水层岩性：顶板岩性会直接影响顶板的隔水性能，根据研究区域的地质数据，和绘制处顶板岩层脆性比分布如图3(b)。

分析图3(b)可知，东四延伸采区中南部的脆性比相对偏高，而北部的脆性比相对较低，这即表明研究区域内南部顶板呈现出脆性特征，易在采动影响下产生较多的裂隙，形成较大的导水通道。研究区域北部呈现为塑性特征，该区域内的顶板内岩层基本呈现为拉张破坏和剪切破坏，最终形成的导水通道相对较少。

（3）单位涌水量：根据东四延伸采区内的地质钻孔数据，绘制出10#煤层顶板含水层单位涌水量分布情况如图3c)所示。

分析图3(c)可知，东四延伸采区内南边为弱富水区、北部为中等富水区、东部为弱富水区、西部为中等富水区。

（4）取芯率：取芯率是直接反应岩石完整性的指数，钻孔取芯率越低，此时表明岩体的完整性会越差，即表明裂隙的发育程度也相应降低，根据研究区域内的钻孔数据，绘制出10#煤层顶板含水层取芯率分布如图3d)。

分析图3(d)可知，东四延伸采区中含水层北部呈现为脆性特征，含水层南部呈现为脆性特征，据此可知研究区域内南部裂隙较为发育，导水通道较多，研究区域北部裂隙相对较少，导水裂隙较少。

（5）渗透系数：东四延伸采区内渗透系数的分布形式如图3(e)所示，分析图3(e)可知，研究区域含水层的渗透系数呈现为由北向南逐渐递减的特征，研究区域北部含水层的渗透系数明显大于南部区域。

（6）构造因素：东四延伸采区内断层和陷落柱的发育特征如图3(f）和3(g）所示，分析图3(f)和3(g)可知，研究区域内断层相对较为发育，陷落柱的发育特征呈现为由东向向及南北向呈现出条带桩的分布特征。

3.2 富水性分区

根据东四延伸采区的地质条件，考虑图4中的影响顶板含水层富水性的影响因素，建立AHP层级分析模型，具体层次模型建立如图5所示。

图4 顶板含水层突水危险性影响因素分布图

图5 AHP模型图

根据顶板含水层各影响因素对富水性的影响结果，结合相关AHP层次分析法的相关理论[5-6]，结合东四延伸采区的具体特征，划分得出影响煤层顶板突水各主控因素的权重如表2。

表2 顶板突水各主控因素的权重数据表

通过将顶板含水层富水性各影响因素的进行权重后，采用复合叠加的方法，通过GIS建立评价图，依据脆弱性指标分区为：弱富水区-较强（VI＜0.44），弱富水区-过渡区（0.44＜VI＜0.62），弱富水区-较弱（0.62＜VI＜0.75），弱富水区-弱（VI＞0.75）；依据该划分标准得出顶板直接充水含水层的富水性分区如图6所示。分析图可知，东四延伸采区中部属于弱富水区中较强，可划分为脆弱区；在研究区西部和东部，富水性较弱，属于相对安全区。

图6 顶板直接含水层富水性分布图

基于东四延伸采区导水裂隙带的发育计算结果，结合顶板含水层的富水性，通过叠加富水性分区图和冒裂安全性分区图，得出顶板充水含水层的（K2灰岩）突水危险性分区图如图7所示。分析图7可知，井田突水危险区域主要集中在研究区域中部，在研究研究区域四周区域含水层基本均处于过渡区和安全区。

图7 顶板直接含水层突水危险性分区图

4 结论

根据东四延伸采区的地质条件，通过分析顶板破坏特征，得出顶板含水层软化程度及裂隙带发育规律，根据影响含水层富水性的影响因素分析结果，采用AHP层次分析法得出K2灰岩富水性分区图，结合顶板裂隙带发育高度，得出东四延伸采区K2灰岩含水层突水危险分区图，突水危险区主要位于采区中部区域，为指导井田生产提供有效参考。