某地地质工程中薄基岩区域突水危险性研究

陈国荣

（广东省有色金属地质局水文地质队，广东 广州 510800）

煤炭是我国能源的重要组成部分，对工业化发展有不可替代的意义[1]。随着我国能源消耗缺口的增加，煤炭的开采越来越困难，深层基岩已经无法满足煤炭开采量需求[2]，因此，在某些薄基岩中在逐渐开展煤炭开采工作。正常厚度的基岩指的是岩层厚度高于裂隙带高度，而薄基岩主要有两种类型[3]，一种是岩层高度小于冒落带高度的超薄基岩，另一种是岩层高度小于裂隙带高度，大于冒落带高度的薄基岩[4]。受薄基岩的采煤特点影响，其容易出现区域突水溃砂问题，不仅会导致人员伤亡，还会导致煤柱塌陷，造成煤炭资源损耗。

针对薄基岩开采问题，相关研究人员从开采量、开采安全性等方面对其进行了深入研究[5]。20世纪末期，我国也开始针对薄基岩问题进行实地分析，确定突水区域的变形规律，为后续的开采提供参考。相关研究人员研究结果表明，在薄基岩区域[6]，岩石的裂缝分布密集，且裂缝发育遵循时空规律。针对该特点，部分地质学家将薄基岩开采划分为若干个区域，并逐一确定了各个区域的裂缝发育条件[7]。还有部分地质学家使用地质勘察数据构建了薄基岩突水动态模型，确定其具体的失稳条件。本文结合薄基岩的突水运动规律，有效地分析了其区域突水危险性，为降低煤炭开采风险作出了一定的贡献。

1 地质概况

某薄基岩井田位于某区域的东南部，整体开采规模较大，井田西侧有一大型铁路穿过，交通干线分布密集。该薄基岩井田整体地势西高东低[8]，存在较大范围的沙漠地貌，部分开采区域有地层裸露。受沙漠地貌影响，该薄基岩井田的地表水体匮乏，存在几条小型沟谷，且仅在雨季形成地表水体，遇暴雨可能会生成洪流。研究区域属于干旱沙漠大陆气候[9]，冬冷夏热，春季、冬季风沙强烈，早晚温差较高，因此每年的10月份至次年的8月份均可出现风沙天气，地表风沙图如图1所示。

图1 地表风沙图

由图1 可知，受地表风沙影响，研究区域的年平均风速为3.6m/s，最大风速为25m/s。该区域的整体降雨量较少，平均湿度较低，仅在6、7、8、9 月会集中降雨。受气候影响，该区域的夏季气温较高，最高可达38.4℃，冬季气温较低，最低为-29.8℃，因此整体冻土层较深，冰冻期超过150d。研究区域最常见的就是风积沙漠地形，沙丘随处可见，流动性较强；还存在部分河流堆积地形，河漫滩抬高，生成侧蚀沿岸。

首期开采区域位于研究区域西部，呈不规则四边形，将其命名为234S01，该工作面的标高范围为1125～1146m，首采区的采面分布示意图如图2所示。

图2 首采区采面分布示意图

结合图2 的首采区采面分布对研究区域进行地质勘探，得到的地层性能如表1所示。

表1 地层性能表

由表1 可知，该研究区域含有10 种不同类型的地层，整体构造复杂，首采区内分布部分褶曲，井田中部分布大量正断层，主要断层如表2所示。

表2 主要断层一览

由表2 可知，研究区域的断层控制程度较高，具有可靠性，符合薄基岩开采需求，因此可以研究该区域的薄基岩区域突水危险性。

2 薄基岩突水区域危险性分析

结合上述的工程概况可知，上述研究地区的突水危险性影响因素较多，分析难度较高，为了解决该问题，本文使用模糊层次分析法获取了突水危险性影响因子，再使用ArcGIS软件对研究区域进行危险性分区分析。根据上述的分析流程需要选取正确的危险性分析量化指标，基于此构建的危险性评价指标体系如图3所示。

图3 危险性评价指标体系

由图3 可知，影响突水危险性的最主要因素有三种，即开采活动、隔水层、覆岩结构，其中，隔水层受底部粘土层厚度的影响，存在一定的阻水作用，会抑制突水发生，因此隔水层性能越好，出现开采突水的风险就越低。在煤层开采前，薄基岩往往处于稳态，开采后部分覆岩变形破坏，容易导致突水，针对设置的危险性评价指标体系可以由北向南统计研究区域的煤层厚度，如表3所示。

表3 研究区域煤层厚度

由表3可知，孔号ZK5708～ZK6307代表研究区域由北至南的煤层厚度，即由北向南，研究区域的开采煤层越来越薄。对研究区域覆岩进行荷载试验发现，当薄基岩较薄时受承载力影响，上方的导水层会被折断，产生突水危险，危险程度主要由基采比决定，基采比的计算式C如式（1）所示：

式中：W——基层厚度；

D——开采厚度。

基采比越大证明岩层更稳定，反之基采比越小证明区域导高大。覆岩稳定性差，突水危险性较高，本文根据上述公式计算了孔号ZK5708～ZK6307的基采比，如表4所示。

表4 孔号ZK5708～ZK6307基采比

由表4可知，孔号ZK5708～ZK6307的基采比越来越低，覆岩稳定性越来越大，突水危险性也越来越高。当发生严重的突水事故时，隔水层往往受到了损伤，研究表明，隔水层对抑制薄基岩突水有重要作用，其可以阻隔开采工作面，避免裂隙过度发育，因此本文进一步分析了孔号ZK5708～ZK6307的隔水层厚度，如表5所示。

表5 ZK5708～ZK6307隔水层厚度

由表5可知，孔号ZK5708～ZK6307的隔水层厚度越来越低，工作面与含水层之间的水力联系越来越强，在隔水层厚度最低区域一旦开始进行开采会立即造成土体弥合，产生突水溃砂现象。开采过程中会不断释放能量，容易产生较高的突水风险，可用硬岩比例对其进行分析，计算式Y如式（2）所示：

式中：Y——砂岩累计厚度；q——基岩总厚度。

此时可以利用模糊层次分析法计算孔号ZK5708～ZK6307的硬岩比例，如表6所示。

表6 ZK5708～ZK6307的硬岩比例

由表6可知，孔号ZK5708～ZK6307的硬岩比例越来越高，证明其覆岩越来越厚，断裂时释放的能量也越来越大，容易导致渗透风险激增，出现严重的突水溃砂风险。本文根据上述表3～表6输出数据构建了薄基岩区域危险性判断矩阵，获取了危险性判断权重wi，如式（3）所示：

式中：aij——危险性模糊判断矩阵；

n——突水危险性指标系数。

可以根据上述权重计算出的危险性一致指标确定各个数据的危险性分析结果，绘制相关的研究结果图。

3 薄基岩突水区域危险性研究结果

结合上述的薄基岩突水区域危险性分析数据，可以使用ArcGIS软件进行自然分级，处理相关的危险性指标，得到研究区域的突水危险结果图，如图4所示。

图4 研究结果图

由图4 可知，安全区域主要位于研究地区的北部，由北至南依次为安全区域、相对安全区域、过渡区域、相对危险区域、危险区域，与实际薄基岩厚度、区域煤层厚度、基采比、隔水层厚度呈反向相关，与硬岩比例呈正向相关。且相对安全区域及安全区域的占比较高，研究地区由北向南危险性逐渐增加。

4 结束语

综上所述，随着工业化发展，我国的煤炭资源越来越匮乏，开采也越来越困难，目前我国煤炭开采已经不再局限于常规的地层，在部分薄基岩中也开始进行开采活动。受薄基岩地层特征影响，其在开采的过程中容易出现较高的区域突水危险性，影响实际的开采效果，因此本文针对某地区进行分析，深入研究了薄基岩突水危险性，研究结果表明，薄基岩突水危险性与实际薄基岩区域指标均存在正反向关系，为降低后续的煤矿开采风险做出了一定的贡献。