汾源煤业5#煤层顶板含水层富水性及突水危险性评价

崔凌友

（霍州煤电集团汾源煤业有限公司，山西 静乐 035100）

1 工程概况

山西霍州煤电集团汾源煤业主采2#和5#煤层，矿井目前主采5#煤层，煤层平均厚度为10.5 m，煤层倾角23°～27°，平均倾角25°，煤层节理裂隙发育，含1～3层不稳定夹矸。煤层顶底板岩层特征见表1。矿井水文地质类型划分为中等，影响5#煤层开采的主要含水层有奥陶系中统灰岩岩溶含水岩组及太原组灰岩裂隙含水岩组。5#煤层底板距下覆奥灰顶面平均间距为65 m，突水系数为0.031～0.044 MPa/m，小于0.06 MPa/m，故底板奥灰含水层不具有突水危险性。5#煤层上覆太原组石灰岩岩溶裂隙水，由于煤层上部含有多层石灰岩，石灰岩岩溶裂隙水富水性不均，根据矿井地质资料可知，石灰岩岩溶裂隙水局部富水性强，现为防止5#煤层开采期间出现顶板突水事故，特对5#煤层含水层富水性及突水危险性进行评价分析。

表1 煤层顶底板岩层特征

2 石灰岩含水层富水性分区

当进行顶板含水层富水性的评价分析时，首先需要对含水层的补给、径流和排泄条件进行分析，再通过对单位涌水量进行标准化后进行含水层富水性的定量评价分析。含水层富水性评价分析时先从整体的角度进行含水层富水程度的分析，随后通过分析含水层富水性的各个主控因素，采用决策理论中的灰关联分析的方法确定出各个主控因素的客观权重，再通过符合研究区域具体特征的方法对主客观因素进行加权平均，以此获得综合权重，最终基于综合权重对各项主控因素进行叠加，以此得出研究区域内富水性相对强弱程度的评价结果。

根据汾源煤业5#煤层的具体特征，结合矿井地质资料，确定本次5#煤层顶板含水层富水性评价采用渗透系数、石灰岩厚度、冲洗液消耗量、岩芯采取率和脆性岩厚度作为主控因素。

（1）各主控因素专题图。根据矿井地质资料中的数据，能够从井田范围内提取出表征各项主控因素的数据。基于上述主控因素，采用GIS地质软件能够生成各项主控因素的专题图如图1。

图1 5#煤层顶板石灰岩含水层主控因素专题图

（2）主控因素权重确定。主控因素权重的确定包括主观权重和客观权重，主观权重主要通过层次分析法计算各主控因素的权重，权重值由专家打分[1-6]；客观权重通过灰色理论中的灰关联分析法进行计算确定，客观权重确定时首先依据各主控因素对目标方案的影响程度确定母、子指标，将重要的因素作为母指标，并分别通过指标值向量Y0、Yj表示母序列和子序列，表达式如下：

式中：Y0为母序列；Yj为子序列。

基于式（1）分别对Y0和Yj进行初值化处理，具体如下：

结合式（1）和式（2）能够得出初始化指标值矩阵B=（Y0'，Yj'），进而计算得出Yj和Y0的关联函数表达式为：

进一步得出关联系列矩阵Y=（yij）n×m，可进一步得出：

式中yj越大则说明第j个指标与母指标的关联程度越密切，即该指标在整体指标空间V中所占的比重会越来越大。通过对yj进行归一化处理，并令：

最终可将W=（ω1，ω2，ω3，…，ωm）作为指标的权重[4-6]。

通过将主观权重和客观权重进行加权平均，能够得出各项主控因素的综合权重值，结合5#煤层具体地质条件，得出各主控因素综合赋权值见表2。采用GIS软件，通过对顶板各项主控因素权重值的叠加，能够得出5#煤层顶板含水层富水性的分区图如图2。

表2 各主控因素综合赋权值表

图2 5#煤层顶板含水层富水性分区图

分析图2可知，5#煤层顶板石灰岩含水层富水性相对较强的区域主要分布在井田的北部和中部，另外在井田东南部也存在小范围区域，含水层富水性较弱的区域主要位于井田的中东部和西南部，井田范围内的其余区域均为过渡区域。井田范围内单位涌水量小于0.004 L/s·m的钻孔大部分均位于相对较弱富水区，其余钻孔均位于过渡区域，表明本次确定的主控因素及叠加评价结果准确性较高。

3 顶板含水层突水危险性

为有效评价5#煤层开采过程中顶板石灰岩含水层的突水危险性，现对5#煤层顶板冒裂程度进行评价和分区，采用导水裂隙带的发育高度来表征裂隙带对含水层的扰动破坏比例，结合井田内800多个地质钻孔，能够统计得出5#煤层的导水裂隙发育高度，采用GIS软件绘制出5#煤层顶板冒裂程度分区图如图3。

分析图3可知，5#煤层开采时，导水裂隙带发育较高位置主要出现在研究区域的中东部和井田南部，而煤层开采导水裂隙带发育较低的区域主要呈现出片状分布在煤层西北、西部和中部区域，其余区域内导水裂隙带的发育高度均处于两者中间。

图3 5#煤层顶板冒裂程度分区图

根据5#煤层特征结合相关研究成果和突水危险性评价相关规定，确定5#煤层顶板突水危险性的划分标准见表3。

表3 顶板突水危险性划分标准

基于5#煤层顶板突水危险性的划分标准，通过叠加顶板含水层富水性分区和煤层顶板冒裂程度分区图，进一步采用软件能够得出5#煤层顶板石灰岩含水层突水危险性分区如图4。

图4 5#煤层顶板石灰岩含水层突水危险性分区图

分析图4可知，5#煤层顶板石灰岩含水层的富水性整体相对较差，井田范围内局部区域存在突水危险性主要是由于煤层开采顶板冒裂带发育影响导致。图中黑色区域为突水危险性相对较大区域，主要分布在井田东南部。较危险区域分布在井田局部区域，主要是由于导水裂隙带发育高度较高导致出现较危险区域，井田范围内大部分区域均为较安全区和过渡区。另外在5#煤层开采时，上覆2#煤层（与5#煤层间的平均厚度为65 m）采空区内积水应采取有效措施进行防治。

4 结论

根据5#煤层顶板石灰岩含水层的赋存特征，采用多源信息叠加技术进行顶板石灰岩含水层富水性分析。基于分析结果得出富水性相对较强的区域主要分布在井田的北部和中部，富水性较弱的区域主要分布在井田的中东部和西南部；通过叠加顶板冒裂程度分区和富水性分区图得出5#煤层顶板石灰岩含水层整体突水危险性较小，突水危险区域仅分布在井田东南部小部分区域。