邢婧文 杜夢迪 魏久傳
礦井水害一直威脅著礦井生產(chǎn)的安全,是制約煤炭安全開采的主要因素之一,而含水層富水性直接影響到水害威脅程度。近年來眾多礦井水文地質(zhì)工作者應(yīng)用多種方法對含水層富水性進(jìn)行分析研究,研究成果對礦井水害防治工作起到了重要作用。由于含水層富水性的影響因素較多,若僅考慮單一變量與實(shí)際會(huì)有很大差距,因此需要多因素耦合對富水性進(jìn)行預(yù)測[1-2]。在含水層富水性預(yù)測中,各影響因素權(quán)重的確定也采用了多種方法,如層次分析法,GIS技術(shù)的信息融合法,BP 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。本文以鄂爾多斯礦區(qū)營盤壕煤礦21 采區(qū)2- 2 煤為例,根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)特征,綜合考慮頂板砂巖厚度、砂泥巖組合及砂巖含量等因素建立了巖性結(jié)構(gòu)指數(shù)模型,對砂巖類含水層富水性進(jìn)行分析,并進(jìn)行分級分區(qū)預(yù)測。
營盤壕煤礦位于鄂爾多斯臺(tái)向斜中部,構(gòu)造復(fù)雜程度較為簡單,未發(fā)現(xiàn)斷層和明顯的褶皺構(gòu)造。區(qū)內(nèi)地層由新至老依次為:第四系(Q)、白堊系下統(tǒng)志丹群(K1zh)、侏羅系中統(tǒng)安定組(J2a)、直羅組(J2z)、侏羅系中下統(tǒng)延安組(J1-2y)、三疊系上統(tǒng)延長組(T3y),主要含煤地層為侏羅系延安組(J1-2y)[3]。
由于研究區(qū)構(gòu)造簡單,構(gòu)造因素影響較小,暫不考慮構(gòu)造的影響。砂巖含水層富水性的影響因素有砂巖的粒度、厚度和巖性結(jié)構(gòu)等。
通過分析2- 2 煤層頂板的巖性及結(jié)構(gòu)特征,構(gòu)建了巖性結(jié)構(gòu)指數(shù)[4-6]。求取方法為:將含水層厚度,包括中砂巖、細(xì)砂巖的厚度值分別乘以一個(gè)等效系數(shù),從而折算成粗砂巖的厚度,將計(jì)算層段(導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度)內(nèi)砂巖含量百分比、砂泥組合層數(shù)等因素作為結(jié)構(gòu)指數(shù),將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理,得到巖性結(jié)構(gòu)指數(shù)。
砂- 泥巖互層組合越多,含導(dǎo)水性能就越弱,阻水性能越明顯,故其他條件不變的情況下砂泥互層層數(shù)與LII 負(fù)相關(guān),基于以上分析,巖性結(jié)構(gòu)指數(shù)表達(dá)式構(gòu)建如下:
表1 2-2 煤頂板導(dǎo)水裂縫帶內(nèi)部分巖性統(tǒng)計(jì)表
表2 2-2 煤頂板導(dǎo)水裂縫帶內(nèi)部分巖性結(jié)構(gòu)指數(shù)LII 統(tǒng)計(jì)表
式中:M 粗—粗砂巖厚度;M 中—中砂巖厚度;M 細(xì)—細(xì)砂巖厚度;a—中砂巖厚度等效系數(shù),為0.8;b—細(xì)砂巖厚度等效系數(shù),為0.6;n—砂巖層數(shù);LII—巖性結(jié)構(gòu)指數(shù);
巖性結(jié)構(gòu)指數(shù)是由多項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)建而成的綜合指標(biāo),但由于各指標(biāo)的性質(zhì)不同,其量綱和數(shù)量級也有所不同,若直接對指標(biāo)值進(jìn)行富水性分析會(huì)對結(jié)果造成較大誤差,因此為了更加可靠的對含水層進(jìn)行富水性分級分區(qū),須將巖性結(jié)構(gòu)指數(shù)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。
本文采用極差標(biāo)準(zhǔn)化公式將原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化[7]:
式中xik為某指標(biāo)的原始數(shù)據(jù),max {xik}(或min {xik})為這一指標(biāo)原始數(shù)據(jù)中的最值。
巖性結(jié)構(gòu)指數(shù)與砂巖含水層厚度成正比,與砂泥巖互層組合層數(shù)成反比,砂巖含水層厚度越大富水性越強(qiáng),砂泥巖互層組合層數(shù)越多富水性越弱,綜上巖性結(jié)構(gòu)指數(shù)越大,含水層富水性越強(qiáng)。
對所得的巖性結(jié)構(gòu)指數(shù)LII 的標(biāo)準(zhǔn)化值插值并繪制直方圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,從統(tǒng)計(jì)圖的拐點(diǎn)上可得到分區(qū)閾值,再依據(jù)閾值將采區(qū)按富水性強(qiáng)弱分區(qū)。
統(tǒng)計(jì)21 采區(qū)及附近鉆孔2- 2 煤導(dǎo)水裂縫帶范圍內(nèi)砂巖厚度、層數(shù)、粒度等數(shù)據(jù)(表1)做無量綱化計(jì)算并將得到的數(shù)據(jù)代入表達(dá)式(2),進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,得出各孔2- 2 煤頂板導(dǎo)水裂縫帶內(nèi)巖性結(jié)構(gòu)指數(shù)LII 值(表2),通過對研究區(qū)巖性結(jié)構(gòu)指數(shù)LII 值進(jìn)行插值計(jì)算得到直方圖統(tǒng)計(jì)分析圖(圖1)。
結(jié)合21 采區(qū)及附近鉆孔對砂巖含水層的抽水實(shí)驗(yàn)成果,將巖性結(jié)構(gòu)指數(shù)LII 等于0.2 和0.3 時(shí),定為分區(qū)閾值。LII<0.2 的區(qū)域?yàn)槿醺凰畢^(qū),0.2<LII<0.3 的區(qū)域?yàn)橹械雀凰畢^(qū),LII>0.3 的區(qū)域?yàn)閺?qiáng)富水區(qū)。以分區(qū)閾值作為界限,得到含水層的富水性分區(qū)(圖2)。
(1)根據(jù)研究區(qū)含水巖層富水性影響因素分析,選取影響因子并進(jìn)行了量化,構(gòu)建了巖性結(jié)構(gòu)指數(shù)LII。用極差標(biāo)準(zhǔn)化方法將原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后進(jìn)行插值并繪制直方圖,依據(jù)拐點(diǎn)確定出富水性強(qiáng)弱的分區(qū)閾值,進(jìn)行富水性分區(qū)。
(2)依據(jù)該方法對營盤壕煤礦21 采區(qū)2- 2 煤層頂板砂巖含水層富水性進(jìn)行了分區(qū)預(yù)測。結(jié)果表明,煤層頂板砂巖含水層在采區(qū)中部及邊緣為弱富水區(qū),在中東部和中西部為中等富水區(qū)或強(qiáng)富水區(qū)。
圖1 2-2 煤頂板導(dǎo)水裂縫帶內(nèi)巖性結(jié)構(gòu)指數(shù)LII 統(tǒng)計(jì)直方圖
圖2 2-2 煤頂板導(dǎo)水裂縫帶內(nèi)砂巖含水層富水性分區(qū)圖