木瓜煤矿工作面顶板含水层突水危险性评价

胡雪墩

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司方山木瓜煤矿，山西 方山033100）

1 工程概况

方山木瓜煤矿10-201工作面井下位于+940 m水平二盘区准备巷道南翼，工作面上部为实体煤，以北紧邻二盘区三条准备大巷，以南靠近矿井井田边界，以西为实体煤，以东紧邻风氧化带，靠近矿井井田边界。工作面倾斜长度245 m，走向长度1 081 m，开采9#+10#煤层，煤层平均厚度为5.3 m，平均倾角8.5°，平均含有两层夹矸，煤层顶底板岩层特征见表1。工作面采用综合机械化放顶煤采煤方法，全部垮落法管理顶板。

表1 工作面顶底板岩层特征

10-201工作面9#、10#煤层上部主要含水层为石炭系上统太原组砂岩、灰岩含水层及下石盒子组砂岩含水层，煤层上方2.3 m 为太原组砂岩裂隙含水层，上方78.2 m 为灰岩含水层，上方137.9 m 为下石盒子组砂岩含水层，具体煤层与含水岩层间层位关系见图1。根据工作面周边南5、ZK3 钻孔综合分析，工作面范围内太原组中普遍含有L1+K2、L4、L5三层石灰岩及3 层中细粒砂岩组成，岩层总体平均总厚14.29 m。石灰岩含水层裂隙较发育，单位涌水量在0.037 6～0.078 L/s·m之间，灰岩含水层赋水不均匀，局部存在富水区，二叠系砂岩含水层对工作面影响较小。

图1 顶板含水层与煤层结构柱状

2 含水层富水性影响因素分析

为有效掌握10-201工作面顶板含水层的富水性，采用多源地学信息复合叠加技术进行充水含水层富水性分区。根据工作面的地质条件，确定顶板影响含水层富水性的因素主要有含水层厚度、冲洗液消耗量、岩芯采取率、渗透系数及单位涌水量等因素，依据矿井水文地质试验及相关资料，采用多元地学信息系统，分别对影响顶板含水层稳定性的影响因素进行分析。

1）充水含水层厚度：根据众多理论和工程实践结果表明［1-3］，顶板含水层的厚度与含水层的富水性成正比例关系。根据10-201工作面地质条件和工作面区域钻孔数据得出煤层上部主要太原组砂岩、灰岩及二叠系砂岩含水层的厚度见表2。根据工作面区域钻孔资料，采用Surfer插值功能分别进行太原组砂岩含水层、灰岩含水层和二叠系砂岩含水层厚度的统计分析，具体各含水层厚度分布见图2。分析图2 可知，10-201工作面区域内顶板三个含水层在南部的厚度均大于北部，产生这种现象的主要原因为工作面区域地层走向大致为东南方向，向西北倾斜，进而导致出现此现象。

表2 顶板各含水层厚度统计

图2 顶板各含水层厚度分布

2）岩芯采取率：岩芯的采取率为地质钻孔中岩芯长度与钻孔进尺长度间的比值，用百分数表示。该指标为反应岩体裂隙发育程度的指标，当岩芯采取率低时，说明含水层的富水性较好［4］。根据工作面范围内钻孔数据得出煤层上部太原组砂岩、灰岩及二叠系砂岩含水层的岩芯采取率见表3、图3。分析图3 可知，10-201工作面顶板太原组灰岩含水层的岩芯采取率相对较低，岩芯相对较为破碎，在工作面中部岩性相对较为破碎，这与工作面剖面图中的褶皱和断层区域相吻合，即其与突水点的位置相一致。

图3 顶板各含水层钻孔岩芯采取率分布

表3 含水层钻孔岩芯采取率统计

3）冲洗液消耗量：钻孔冲洗量能够反映出各个岩层内岩溶裂隙的发育程度，且能够反映出各个岩层的岩性及透水性。当冲洗液消耗量大时，说明该段岩层段内岩溶及裂隙较为发育，岩层内渗透性强、导水和储水性能好［5］。根据工作面内钻孔地质资料，得出各个含水层冲洗液消耗量见表4、图4。

图4 顶板各含水层钻孔冲洗液消耗量分布

表4 含水层钻孔冲洗液消耗量统计

4）单位涌水量：根据我国2018年9月1日施行的《煤矿防治水细则》附录一中对单位涌水量的计算公式如下：

式中：Q91、R91、r91为孔径为91 mm 的钻孔的涌水量、影响半径和钻孔半径；Q、R、r为拟换算钻孔的涌水量、影响半径和钻孔半径。

通过对工作面区域内钻孔地质条件的钻孔数据，计算得出各个钻孔的单位涌水量数据见表5、图5。

表5 各含水层钻孔单位涌水量统计

图5 顶板各含水层钻孔单位涌水量分布

5）渗水系数：通过对工作面区域内充水含水层渗透系数的统计分析，能够得出顶板各含水层渗透系数见表6、图6。

图6 顶板各含水层渗透系数分布

表6 各含水层渗透系数统计

3 突水危险性综合评价

在进行10-201工作面顶板各含水层突水危险性评价时，采用富水性指数法进行评价分析。采用该方法时首先建立AHP层次结构分析模型，随后构造判断矩阵，最后通过富水性指数模型进行突水危险性的综合评价。

本次顶板含水层突水危险性评价分析中建立A、B、C三个分析层次，判断矩阵A～Bi及各主控因素的权重见表7。

表7 判断矩阵A～Bi(i=1～3)及各主控因素权重

在通过富水性指数模型进行评价时，需要将多元地学信息数据进行集成，归一化处理公式如下：

式中：Ai为归一化处理后的数据；a，b分别为归一化范围的极小值和极大值，分别取为0 和1；xi为归一化前的数据；min（xi）和max（xi）分别为主控因素量化值的最小和最大值。

根据层次分析法得到的不同层次值，将其与归一化多元地学信息数据进行叠加即可得到可反应富水性相对大小的指数，计算公式如下：

式中：CI为富水性指数；n为多元信息的个数，根据含水层取为3；k为因素序号，Wk为第k个地学信息的权重；fk（x，y）为第k个地学信息量化值归一化后的数值，其中x，y为地理坐标。

根据上述富水性评价法的模型，在考虑地质构造的情况下，得出10-201工作面顶板3 个含水层突水危险性的综合分区图，见图7。

图7 顶板各含水层突水危险性综合分区

采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》 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，基于9+10#煤层顶板为软弱，10#煤层的厚度为5.3 m，选取计算垮落带和导水裂隙带高度的公式如下：

式中：H导为顶板导水裂隙带的发育高度；M为开采煤层厚度。

通过计算得出10-201工作面开采后导水裂隙带的发育高度为42.49～58.91 m。

分析图7 可知，工作面导水裂隙带导通了太原组砂岩含水层，因此该含水层在工作面区域的富水性分区一致；从图中能够看出工作面大部分处于该含水层导水裂隙带导通区。10-201工作面南部导水裂隙带未导通太原组灰岩含水层，所以该区域除构造部位外均为相对安全；工作面整个太原组砂岩含水层从南向北危险性渐增，突水危险区主要位于工作面北部区域；二叠系砂岩含水层基本无突出危险性，仅在构造区域处存在小部分的危险区。

4 结论

1）根据10-201工作面地质条件，采用多元地学信息系统，对含水层富水性的主要影响因素分析，建立含水层厚度、冲洗液消耗量、岩芯采取率、渗透系数及单位涌水量专题分布图。

2）通过富水性指数法进行顶板各含水层突水危险性分析，得出太原组砂岩含水层突水危险区主要位于10-201工作面北部区域，太原组灰岩含水层和二叠系砂岩含水层基本无突水危险性，仅局部构造区域存在一定的危险。