基于單位面積靜涌水量雙因子的煤層頂板突水危險性評價

方向清

(中國煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局 河北邯鄲 056004)

2018年本人提出了“基于單位面積靜涌水量的煤層頂板突水危險性評價方法”[1],由于只考慮了單位面積靜涌水量，使得方法只適用于煤層頂板為厚層弱富水性的充水含水層的礦井。為使本方法也適用于富水性強的充水含水層的礦井，通過引入滲透系數(shù)、富水系數(shù)、單位涌水量等因子，克服了原方法的局限性。

1 基本原理

煤層頂板直接充水含水層，根據(jù)厚度和富水性一般可分為四種類型：

第一種，厚度較大、富水性弱的直接充水含水層；其地下水靜儲量是影響礦井安全的主要因素，如我國大部分侏羅紀、白堊紀煤田的白堊系、侏羅系碎屑巖含水層。

第二種，厚度較大、富水性較強的直接充水含水層；其地下水靜儲量、徑流量都是影響礦井安全的主要因素，如我國西部部分侏羅紀、白堊紀煤田的白堊系、第四系含水層等。

第三種，厚度較小、富水性較強的直接充水含水層；其地下水徑流量是影響礦井安全的主要因素，如我國華北型煤田的石炭-二疊系含水層等。

第四種類型，厚度較小、富水性較弱的直接充水含水層：這種類型地下水對礦井安全影響因素不明顯。

礦井涌水量由靜涌水量和地下水徑流量(即通常說的涌水量)構(gòu)成。衡量直接充水含水層地下水靜儲量大小采用單位面積靜涌水量；而衡量直接充水含水層地下水徑流量大小可用常規(guī)的水文地質(zhì)參數(shù)，如滲透系數(shù)、單位涌水量、富水系數(shù)等。因而，本文煤層頂板突水危險性評價采用單位面積靜涌水量、充水強度(滲透系數(shù)、富水系數(shù)、單位涌水量等之一)作為評價因子。充水強度可根據(jù)勘查成果獲取。

某一含水層單元的單位面積靜涌水量為[1]：

Q單靜ij=μijHij

(1)

式中：μij—滲水層j單元的給水度；

Hij—滲水層j單元的厚度。

煤層頂板充水通道主要有采煤所產(chǎn)生的導水裂縫帶，以及構(gòu)造(斷層、陷落柱等)、封閉不良人工工程(鉆孔等)。導水裂縫帶高度根據(jù)勘查探測或經(jīng)驗公式計算獲得，其他通道(構(gòu)造、封閉不良人工工程等)根據(jù)勘查成果獲得。同時勘查工作還應獲取被評價煤層的頂板標高、直接充水含水層底板標高。

本方法是通過空間分析平臺(如MAPGIS、ARCGIS等)的空間分析、繪圖功能而實現(xiàn)。具體評價工作流程如圖1所示。

2 流程

第一步，獲取勘查資料。煤層頂板各充水含水層的特征:單位面積靜涌水量(Q單靜)、充水含水層底板標高、充水強度(滲透系數(shù)、單位涌水量、富水系數(shù)等)，某煤層導水裂隙帶高度，某煤層頂板標高；其他充水通道(斷層、封閉不良鉆孔等)。

圖1 評價工作流程Figure 1 Assessment procedure

第二步，在空間分析平臺建立各頂板充水含水層底板標高、單位面積靜涌水量、充水強度(滲透系數(shù)、富水系數(shù)、單位涌水量等,根據(jù)資料三者選一)的分布模型。

第三步，建立其他充水通道(斷層、封閉不良鉆孔等)分布模型。并將其他導通值賦值為-1。

第四步，建立某煤層導水裂隙帶高度標高(H) 分布模型。導水裂隙帶高度模型與煤層頂板標高模型進行空間分析，即可得到某煤層導水裂隙帶高度標高(H)分布模型。

第五步，通過某煤層導水裂隙帶高度標高(H)分布模型和各頂板充水含水層底板標高的分布模型建立某煤層(某開采水平)導水裂隙帶導通充水含水層模型。以各頂板充水含水層底板標高減去導水裂隙帶高度標高(H)賦值給相應的含水層導通值。

第六步，某煤層(某開采水平)導水裂隙帶導通充水含水層模型與其他充水通道分布模型進行空間分析，建立導通模型。

第七步，通過某煤層(某開采水平)導水裂隙帶導通充水含水層模型和充水含水層單位面積靜涌水量(Q靜)分布模型、充水含水層率水強度分布模型進行空間分析建立危險性評價模型。

第八步，危險性分區(qū)。當無直接充水含水層，且保護層厚度大于20m，即安全區(qū)；當無直接充水含水層，且保護層厚度小于等于20m，即過渡區(qū)；當各直接充水含水層單位面積靜涌水量之和小于等于5或充水強度(單位涌水量)之和小于等于0.01時，即危險性小區(qū)；當各直接充水含水層單位面積靜涌水量之和小于等于10、且大于5，或充水強度(單位涌水量)之和小于等于0.1、且大于0.01時，即危險性中等區(qū)；如果各直接充水含水層單位面積靜涌水量大于10或充水強度(單位涌水量)大于0.1，即危險性大區(qū)。

3 唐家會井田6號煤頂板突水危險性評價

3.1 概況

內(nèi)蒙古自治區(qū)準格爾煤田唐家會井田位于鄂爾多斯市境內(nèi)，行政區(qū)劃隸屬鄂爾多斯市準格爾薛家灣鎮(zhèn)管轄。

井田內(nèi)主要含水層有第四系松散層潛水含水層，白堊系下統(tǒng)志丹群孔隙、裂隙含水層，石炭系-二疊系砂巖裂隙含水層，奧陶系中統(tǒng)馬家溝組巖溶裂隙含水層。

第四系松散層孔隙含水層：厚度分布不均，為 2.0～90.6m。最厚處位于首采區(qū)東北1水1號孔，厚度達96.0m；最薄位于首采區(qū)南T30號孔，厚度只有2.0m。

白堊系下統(tǒng)志丹群孔隙-裂隙含水層：厚度10.05～157.90m，最厚點位于首采區(qū)西部B7號孔，厚度達157.90m；最薄處位于東部露頭附近的3水2號孔，厚度10.50m。

石炭系-二疊系砂巖裂隙含水層系分為二疊系上統(tǒng)石千峰組、二疊系上統(tǒng)上石盒子組、二疊系下統(tǒng)下石盒子組、4號煤頂板砂巖裂隙含水層、6號煤頂板(4-6號煤)砂巖。評價中將二疊系上統(tǒng)石千峰組、二疊系上統(tǒng)上石盒子組、二疊系下統(tǒng)下石盒子組、4號煤頂板砂巖裂隙含水層作為一個含水層。

唐家會煤礦6號煤層傾角為2°～6°，近煤層基巖柱的平均單向抗壓強度為36.46MPa，屬中硬巖層，為全井田可采的較穩(wěn)定煤層，采用分層綜采放頂煤采煤法，分兩層開采。煤層厚度大部分大于12m，導水裂縫帶高度按煤層厚度20倍的經(jīng)驗值進行計算。

根據(jù)充水條件分析，6煤頂板直接充水含水層為：第四系松散層孔隙含水層、白堊系下統(tǒng)志丹群孔隙-裂隙含水層、4號煤頂板砂巖裂隙含水層、6號煤頂板砂巖裂隙含水層。

根據(jù)勘查報告，相關(guān)數(shù)據(jù)如表1、圖2。

表1 勘查區(qū)基本數(shù)據(jù)[4]

續(xù)表

圖2 勘查區(qū)平面圖Figure 2 Exploration area plan

3.2 分布模型的建立

根據(jù)表1和圖2的數(shù)據(jù)分別建立各直接充水含水層的單位面積靜涌水量分布模型(其中，第四系松散層孔隙含水層、白堊系下統(tǒng)志丹群孔隙-裂隙含水層、4號煤頂板砂巖裂隙含水層、6號煤頂板砂巖裂隙含水層的給水度分別取值0.13、0.12、0.09、0.08)(圖3-圖6)。因各直接充水含水層單位涌水量均小于0.01，均為危險性小區(qū)，本次評價未建立相應模型。

圖3 第四系松散層孔隙含水層單位面積 靜涌水量分布模型Figure 3 Static water inflows per unit area distribution model for Quaternary loose bed pore aquifer

圖4 白堊系下統(tǒng)志丹群孔隙-裂隙含水層 單位面積靜涌水量分布模型Figure 4 Static water inflows per unit area distribution model for lower Cretaceous Zhidan Group pore-fissure aquifer

圖5 4號煤頂板砂巖裂隙含水層單位面積 靜涌水量分布模型Figure 5 Static water inflows per unit area distribution model for coal No.4 roof sandstone fissure aquifer

圖6 6號煤頂板砂巖裂隙含水層單位面積 靜涌水量分布模型Figure 6 Static water inflows per unit area distribution model for coal No.6 roof sandstone fissure aquifer

根據(jù)表1的6煤厚度和6煤頂板標高計算其導水裂縫帶高度、6煤導水裂縫帶標高，各直接充水含水層底板標高與6煤導水裂縫帶標高差值建立各直接充水含水層導通模型(圖7-圖10)。

圖7 第四系松散層孔隙含水層導通模型Figure 7 Quaternary loose bed pore aquifer conduction model

圖8 白堊系下統(tǒng)志丹群孔隙-裂隙含水層導通模型Figure 8 Lower Cretaceous Zhidan Group pore-fissure aquifer conduction model

圖9 4號煤頂板砂巖裂隙含水層導通模型Figure 9 Coal No.4 roof sandstone fissure aquifer conduction model

圖10 6號煤頂板砂巖裂隙含水層導通模型Figure 10 Coal No.6 roof sandstone fissure aquifer conduction model

圖11 第四系松散層孔隙含水層評價模型Figure 11 Quaternary loose bed pore aquifer assessment model

圖12 白堊系下統(tǒng)志丹群孔隙-裂隙含水層評價模型Figure 12 Lower Cretaceous Zhidan Group pore-fissure aquifer assessment model

圖13 4-6號煤頂板砂巖裂隙含水層評價模型Figure 13 Coal Nos.4 and 6 roof sandstone fissure aquifer assessment model

圖14 綜合評價模型Figure 14 Comprehensive assessment model

對各直接充水含水層單位面積靜涌水量分布模型與對應的導通模型進行相交空間分析，建立各直接充水含水層評價模型(圖11-圖12)。4號煤頂板砂巖裂隙含水層和6號煤頂板砂巖裂隙含水層全部導通(均小于0)，因而只建立了4號煤頂板砂巖裂隙含水層和6號煤頂板砂巖裂隙含水層合并評價模型(圖13)。再對各直接充水含水層評價模型進行相交空間分析，建立綜合評價模型(圖14)。根據(jù)單位面積靜涌水量分區(qū)域值(小于等5為危險性小、大于10為危險性大)對各直接充水含水層單位面積靜涌水量之和進行判別分區(qū)，建立6煤頂板突水危險性評價分區(qū)圖(圖15)：危險性小區(qū)單位面積靜涌水量為1.453～5(m3/m2)；危險性中等區(qū)單位面積靜涌水量為5～10(m3/m2)；危險性大區(qū)單位面積靜涌水量為10～32.963(m3/m2)。

圖15 6煤頂板突水危險性評價分區(qū)圖Figure 15 Coal No.6 roof water bursting hazard assessment partition map

4 結(jié)語

由圖15可知，首采區(qū)(粉線)范圍內(nèi)分區(qū)危險性大、中等、小三個區(qū)： 危險性大區(qū)主要分布于首采區(qū)中部、西部和東南部；危險性中等區(qū)主要分布在首采區(qū)西南，危險性小區(qū)主要分布在首采區(qū)東北。與報告[4]中采用“三圖雙預測”方法評價結(jié)果(圖16)有不一致的地方：第一，報告結(jié)果危險性大區(qū)只是斷層帶；第二，報告結(jié)果危險性中等區(qū)只是在西南邊緣有三小塊。其主要原因是：

1)報告結(jié)果危險性大區(qū)只是斷層帶，這是人為只考慮斷層的影響，而沒有考慮直接充水含水層地下水靜儲量對礦井充水的影響。而采用本方法危險性大區(qū)是根據(jù)四個直接充水含水層地下水靜儲量(單位面積靜儲量)疊加而來的，充水通道沒有考慮斷層是因為導水裂縫帶發(fā)育到第四系，因而可以不作考慮。再者，本方法危險性大區(qū)的單位面積靜涌水量下限值10(m3/m2)。

2)報告結(jié)果危險性中等區(qū)只是在西南邊緣有三小塊。而采用本方法危險性中等區(qū)占三分一。同樣，報告沒有考慮直接充水含水層地下水靜儲量對礦井充水的影響。本方法不但進行了區(qū)劃，還給出了單位面積靜涌量的值5～10(m3/m2)。

圖16 “三圖”雙預測方法評價圖Figure 16 “Three zoning maps plus two water inflow predictions” method assessment diagram

3)報告危險性小區(qū)，沒有危險程度概念，而本方法給出了單位面積靜涌水量值1.453～5(m3/m2)，再者，充水通道分析時沒有把導水裂縫帶和斷層進行綜合分析。

綜上三點，認為采用本方法更為合理，不但進行了區(qū)劃，還給出各區(qū)單位面積靜涌水量。