宁东煤田鸳鸯湖矿区煤层顶板水害防控技术与应用

2022-03-29赵宝峰黄忠正宗伟琴

中国煤炭 2022年3期

赵宝峰，黄忠正，宗伟琴

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西省西安市，710054；2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西省西安市，710177；3.国家能源集团宁夏煤业有限责任公司，宁夏回族自治区银川市，750011)

煤炭在我国一次能源结构中占60%左右，在未来几十年内仍将是我国的主体能源。随着我国东部地区煤炭资源逐渐枯竭，煤炭生产重点逐步向西转移，西部侏罗纪煤炭资源开发已经成为我国煤炭工业可持续发展和国民经济建设的重要支撑[1-2]。侏罗纪煤田主要面临煤层顶板水害威胁，许多学者围绕顶板水害防控开展了大量研究，在含水层富水性分区方面主要采用物探[3-4]、富水性指数[5-6]、综合探查法[7-8]等，涌水量预测方面主要采用比拟法[9]、解析法[10]和数值法[11]等，以上研究成果对于顶板水害防控发挥了重要作用。

宁东煤田是我国批准建设的14个亿吨级煤炭生产基地之一，同时也是宁东煤化工基地的供煤产地，包括鸳鸯湖、马家滩、碎石井、积家井等矿区，其探明储量达331亿t，占宁夏煤炭总储量的85%[12]。宁东煤田大部分矿井主采侏罗系延安组煤层，其上部普遍发育直罗组砂岩含水层，在大规模机械化开采条件下，工作面开采后对顶板覆岩扰动强度大，形成的导水通道容易沟通上覆含水层，造成工作面顶板水害事故。鸳鸯湖矿区内各矿井均面临不同程度的顶板水害威胁，需要解决的防治水难题包括顶板含水层科学合理的富水性分区、工作面与矿井涌水量动态预测和顶板水疏放效果定量化评价等，为保障矿井的安全生产，需要对顶板水害防控方法与技术进行系统研究。

1 鸳鸯湖矿区及其水文地质条件

1.1 鸳鸯湖矿区概况

1.1.1 基本条件

鸳鸯湖矿区位于宁夏回族自治区宁东煤田中部，总体呈南北条带状展布，鸳鸯湖矿区及各矿井平面位置如图1所示，由北向南分别为清水营、梅花井、石槽村、红柳和麦垛山煤矿，规划产能44 Mt/a。

1.1.2 地层与构造

根据钻孔揭露资料，研究区地层由上向下分别为第四系、古近系、白垩系、侏罗系和三叠系，其中侏罗系延安组为矿区的含煤地层，2、6、10、12和18号煤层全区发育，全部或大部分可采。研究区位于鄂尔多斯盆地西缘冲断、推覆构造带中北部，北部以褶皱为主，向南逐渐断层发育，破坏了褶皱的完整性。

1.2 鸳鸯湖矿区水文地质条件

1.2.1 含水层

研究区含水层可划分为孔隙潜水含水层和孔隙裂隙承压含水层，后者又可划分为白垩系、侏罗系和三叠系含水层，其中侏罗系含水层根据主要可采煤层可进一步划分为直罗组含水层、2～6号煤层、6～18号煤层和18号煤层以下含水层。

近年来，研究区主采2号煤层，其主要充水含水层为直罗组下段含水层，其平均厚度、钻孔单位涌水量和渗透系数的平均值由北向南逐渐增大，其水文地质条件也随之逐渐复杂。鸳鸯湖矿区及各矿位置如图1所示。鸳鸯湖矿区各矿井直罗组下段含水层概况见表1。

图1 鸳鸯湖矿区及各矿井平面位置

表1 鸳鸯湖矿区各矿井直罗组下段含水层概况

1.2.2 隔水层

研究区隔水层包括古近系清水营组、侏罗系安定组、直罗组、延安组煤层顶底板隔水层，岩性主要为泥岩、粉砂岩和砂质泥岩。

1.2.3 地下水补径排

潜水含水层地下水主要接受大气降水补给，沿地势由高向低径流，在沟谷洼地以泉的形式排出，还有一部分越流补给承压含水层；承压含水层地下水主要接受露头区大气降水补给、潜水含水层的越流补给，径流方向大致与潜水含水层保持一致，最终以矿井排水的形式排出。

2 鸳鸯湖矿区顶板水害防控技术与应用

2.1 顶板含水层富水性分区

2.1.1 含水层富水性分区存在的问题

钻孔单位涌水量是含水层富水性评价的唯一直接指标，主要是根据抽水试验得到的。研究区各矿井在水文补勘阶段均施工了水文地质钻孔，在抽水试验后留设为地下水位长观孔，为了避免受到采掘活动的影响和破坏，水文地质钻孔一般位于采区边界外的保护煤柱内，但是对矿井防治水工作具有指导意义的却是采区内煤层顶板含水层富水性条件，怎样利用采区外水文地质钻孔的信息评价采区内的煤层顶板含水层富水性是需要解决的重要问题。通常井田范围内地质勘探钻孔较多，而水文地质钻孔较少，怎样有效利用大量地质勘探钻孔的水文信息对含水层富水性进行评价也是防治水面临的主要问题。

2.1.2 含水层富水性分区思路

建立采区外水文地质钻孔与采区内地质勘探钻孔的水文信息相关关系，进而利用地质勘探钻孔的水文信息对采区内含水层进行富水性分区成为首选思路。基于以上思路，提出了基于地质勘探钻孔水文信息的含水层富水性分区技术，即选取与含水层富水性相关性较强的评价指标，然后利用灰色关联度、语气算子比较法、隶属度函数和模糊综合评判法对煤层顶板含水层富水性进行分区[13]。基于地质勘探钻孔水文信息的含水层富水性分区流程如图2所示。

图2 基于地质勘探钻孔水文信息的含水层富水性分区流程

2.1.3 含水层富水性分区步骤

(1)各评价指标与钻孔单位涌水量的关联度计算。灰色关联分析的具体计算步骤如下：设参考数列为：x0={x0(k)|k=1,2,…j}，各水文孔的单位涌水量为参考数列；设比较数列为：x1={x1(k)|k=1,2,…j}，x2={x2(k)|k=1,2,…j}，…，xi={xi(k)|k=1,2,…j}，含水层砂地比、含水层厚度、粗砂岩厚度、粗砂岩层数、断层分维值和褶皱分维值为比较数列。

关联系数表达式如下：

(1)

式中：ρ——分辨系数，通常取0.5。

关联度r0i作为比较数列与参考数列关联程度的数量表示，其计算公式如下：

(2)

根据式(2)计算的关联度大小排序，如果r0n

(2)各评价指标权重的确定。在确定各评价指标的权重向量时，采用语气算子比较法，具体算法如下：设有6项含水层富水性评价指标组成的指标集：D=(d1,d2,…，d6)，首先研究指标集D对重要性的二元比较定性排序。指标集D中的元素dk与dl就“重要性”作二元比较，若dk比dl重要，记定性标度ekl=1，elk=0；dk与dl同样重要，记ekl=0.5，elk=0.5；若dl比dk重要，记ekl=0，elk=1。其中，k=1,2,…，6；l=1,2,…,6。以下矩阵为指标集D对重要性作二元比较的定性排序标度矩阵E。

(3)

在二元比较过程中要求判断思维不出现矛盾，即要求逻辑判断的一致性，其一致性检验条件为：若ehk>ehl，有ekl=0；若ehk

为了在二元定量对比中更便于语言习惯，大连理工大学的陈守煜教授给出了语气算子与重要性定量标度之间的对应关系：语气算子为同样、稍稍、略为、较为、明显、显著、十分、非常、及其、极端、无可比拟时，对应的相对隶属度分别为1.000、0.818、0.667、0.538、0.429、0.333、0.250、0.176、0.111、0.053、0。

(3)建立模糊评判矩阵。选取研究区内地质勘探钻孔的砂地比、砂岩厚度、粗砂岩厚度、砂岩层数、断层分维值和褶皱分维值作为含水层富水性评价的指标，在此基础上建立模糊评判矩阵R[10]：

(4)

式中：rij——第i个因素对第j个评语的隶属度。

式中R通常称为模糊关系矩阵，由各单因素评判结果得到，隶属函数的建立是用来刻画模糊集合的，即用来计算rij。对模糊对象只有给出切合实际的隶属函数，才能应用模糊数学方法进行计算。三角形隶属度函数是最常见最简单的一种模糊隶属度函数，在此Ai均选取三角形隶属度函数。

(4)含水层富水性模糊综合评判。模糊综合评判数学模型的基本形式为：

(5)

式中：B——评判对象的综合评判结果；

A——n个参与模糊综合评判因素的权重；

R——模糊综合评判矩阵。

由于加权平均型算子对所有因素权重大小均衡兼顾，因此，在这里采用了加权平均算子。

2.1.4 现场应用

利用模糊综合评判结果，绘制红柳煤矿首采区直罗组下段含水层富水性分区，如图3所示。

图3 红柳煤矿首采区直罗组下段含水层富水性分区

根据对研究区内各工作面涌水量的观测台账，位于五级和四级富水性的工作面涌水量明显大于位于三级和二级富水区的工作面，基于地质勘探钻孔水文信息的含水层富水性分区结果与实际井下工作面涌水量较为一致。

2.2 工作面与矿井涌水量动态预测

2.2.1 工作面与矿井涌水量预测存在的问题

以往针对鸳鸯湖矿区工作面涌水量预测主要采用大井法或集水廊道法，其预测值通常比实际值小，通过分析工作面顶板充水含水层水文地质特征，认为工作面顶板直罗组下段砂岩含水层以孔隙为主，裂隙发育，地下水主要为古封存水，加之鸳鸯湖矿区构造发育，含水层平面上被断层切割，连通性较差，以静储量为主。采用大井法或集水廊道法计算的涌水量仅是工作面的动态补给量，而忽视了顶板含水层的静储量。

以往预测矿井涌水量时，通常将整个预测区域作为大井或集水廊道，所得到的涌水量预测值为固定值，不能实时指导各采区或矿井排水系统的建立。而矿井涌水量实际上是一个随着采掘空间和时间变化的动态值。

2.2.2 静储量结合动态补给量的工作面涌水量预测

基于以上分析，提出了静储量叠加动态补给量的“动静结合”工作面涌水量预测方法，工作面涌水量包含垮落带周边的侧向动态补给水量和垮落带内含水层的静储量，使工作面涌水量预测结果更加符合实际。

(1)静储量预测。静态储存量主要是指当煤层回采产生的导水裂缝带影响范围内的含水层由于重力作用而释放出来的水量，计算式如下：

Q静=LB1Mμ

(6)

式中：Q静——含水层的静储量，m3/h；

L——工作面走向长度，m；

B1——垮落区宽度，m；

M——含水层厚度，m；

μ——含水层的给水度。

(2)动态补给量预测。对于工作面动态补给量的预测可以采用“大井法”，其计算式如下：

(7)

式中：Q动——工作面动态补给量，m3/h；

K——含水层的渗透系数，m/d；

H——水头高度，m；

R0——引用影响半径，m；

r0——引用半径，m。

也可以采用集水廊道法，其计算式如下：

(8)

式中：c——巷道底板周长，m；

R1——影响半径，m。

(3)工作面涌水量预测。工作面涌水量由顶板含水层的静储量和动态补给量组成，计算式如下：

Q工=Q静+Q动

(9)

2.2.3 基于时空分区的矿井涌水量预测

为了使矿井涌水量能够实时指导防治水工作和排水系统的设置，提出了基于时空分区的矿井涌水量预测方法，即根据矿井采掘接续计划将预测期划分为若干时段，再分别预测各时段内各分区(工作面或巷道)的涌水量，最终得到一个随时间变化的矿井涌水量动态预测值[14]，计算式如下：

(10)

i=1,2,3…m；j=1,2,3…n

式中：Qi——第i时段矿井涌水量，m3/h；

qij——第i时段j处涌水量，m3/h。

基于时空分区的矿井涌水量也可以用于采区或不同水平涌水量预测。

2.2.4 现场应用

麦垛山煤矿11采区是2号煤层首采区，为了给防治水工作和排水系统建立提供依据，需要对11采区进行涌水量预测。根据11采区2021-2028年采掘接续方案，将预测期按照年度划分为8个时间段，分别对各时间段内不同工作面涌水量进行预测，最终得到11采区涌水量动态预测值，如图4所示。

图4 麦垛山煤矿11采区涌水量预测曲线

2.3 工作面顶板水害威胁程度定量化评价

2.3.1 工作面顶板含水层疏放水效果评价存在的问题

以往对工作面受底板灰岩水害威胁程度通常采用突水系数法，底板受构造破坏的地段突水系数一般不得大于0.06 MPa/m，隔水层完整无断裂构造破坏的地段不得大于0.10 MPa/m。由于突水系数简单易用，是评价工作面底板水害威胁程度的常用定量化方法。

受顶板砂岩水害威胁的工作面常采用顶板水疏放的防治水方法，但是由于缺少顶板水疏放效果定量化评价方法，一方面在未达到疏放水效果的情况下盲目开采会导致工作面涌水量较大，甚至发生水害事故，另一方面在达到疏放水效果时继续对顶板含水层进行疏放，不仅破坏了地下水资源，同时还使矿井涌水量增大，对矿区周边生态环境造成不良影响。

2.3.2 工作面顶板含水层疏放水效果定量化评价

基于受顶板水害威胁工作面的涌水量组成分析，影响和威胁工作面安全回采的主要为顶板含水层的静储量，这部分水量如果未经疏放，在工作面回采时会经过导水裂缝带进入采空区，导致涌水量增大。工作面回采时顶板含水层的动态补给量在短时间内是无法疏干的，配备满足要求的排水系统即可。

建立“双因素四指标”疏放水效果评价方法：工作面疏放总水量大于等于静态储存量，并且疏放水残余总水量小于等于动态补给量时，可以判断工作面顶板含水层的静态储存量得到了充分疏放，利用工作面疏放水观测值和涌水量预测值双因素中的静态储存量、动态补给量、疏放总水量和残余总水量4个指标进行比对，实现了对顶板水疏放效果的定量化评价[15]，评价流程如图5所示。