郭建紅

(山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司 生產(chǎn)技術(shù)部，山西 太原 030024)

用突水系數(shù)法評價(jià)煤層底板帶壓開采是最為常見的方法，但是，由于突水系數(shù)法自身存在的缺陷，在具體評價(jià)中難以體現(xiàn)出應(yīng)有的數(shù)理意義。脆弱性指數(shù)法作為一種新的煤層底板突水評價(jià)方法，與突水系數(shù)法相比，它是多種突水影響因素的疊加，具有一定的優(yōu)越性。在同樣條件下，對兩種方法的評價(jià)結(jié)果進(jìn)行對比分析，有利于提高評價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性，以便更好地服務(wù)于煤礦防治水工作。

1 礦井水文地質(zhì)條件

李雅莊煤礦位于晉南汾西復(fù)向斜盆地的東南，屬于郭莊泉巖溶水系統(tǒng)，華北型石炭二疊系含煤建造，主要可采煤層為二疊系山西組2#煤和石炭系太原組10#煤，均為帶奧灰水壓開采。其中，10#煤隔水層厚度大部分＜50 m，隔水層底板最大帶壓近4 MPa，帶壓開采形勢嚴(yán)重。

2 突水系數(shù)法

針對李雅莊礦10#煤層，采用突水系數(shù)法對其底板奧陶系峰峰組灰?guī)r含水層的突水危險(xiǎn)性進(jìn)行分析評價(jià)。在計(jì)算各鉆孔點(diǎn)突水系數(shù)時(shí)，首先依據(jù)水文勘查鉆孔的水位資料插值生成峰峰組含水層的等水位線，進(jìn)而推測其他非水文孔處的水位，計(jì)算各個(gè)鉆孔處的突水系數(shù)值，最后利用突水系數(shù)法分別計(jì)算出各鉆孔點(diǎn)10#煤層底板奧灰突水系數(shù)值，見表1，然后插值生成煤層底板突水系數(shù)等值線圖及危險(xiǎn)性分區(qū)圖，見圖1，圖2。

圖1 10#煤底板奧灰突水系數(shù)等值線圖

圖2 10#煤層底板奧灰突水危險(xiǎn)性評價(jià)分區(qū)圖

表1 10#煤層奧灰突水系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

由圖1，2 可知，井田內(nèi)10#煤層底板奧灰突水危險(xiǎn)性只有北部一小部分處于安全區(qū)，主要分布在L -62、L-66 孔附近，其他大部都屬于危險(xiǎn)區(qū)。

3 基于GIS 的AHP 型“脆弱性指數(shù)法”

將鉆孔數(shù)據(jù)或水位點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)的坐標(biāo)及量化值等輸入到GIS 中，生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件，然后進(jìn)行網(wǎng)格剖分、插值等處理后，最終量化后的結(jié)果以圖形的形式顯示出來，并通過圖形輸出系統(tǒng)輸出成果圖，見圖3。

通過自然分級法對底板脆弱性指數(shù)進(jìn)行處理，可以得到最佳的五級分級結(jié)果。各級閾值分別為0.29、0.37、0.46、0.56。脆弱性指數(shù)越大，突水的可能性也就越大。

根據(jù)分級閾值將評價(jià)區(qū)10#煤層劃分為5個(gè)區(qū)域:

VI ＞0.56 煤層底板突水脆弱區(qū)

0.46 ＜VI ≤0.56 煤層底板突水較脆弱區(qū)

0.37 ＜VI ≤0.46 煤層底板突水過渡區(qū)

0.29 ＜VI ≤0.37 煤層底板突水較安全區(qū)

VI ≤0.29 煤層底板突水相對安全區(qū)

圖3 10#煤層底板奧灰突水脆弱性評價(jià)分區(qū)圖

由圖3 可知，李雅莊煤礦礦界范圍內(nèi)10#煤層底板沒有相對安全區(qū)，近一半?yún)^(qū)域?yàn)檩^安全區(qū)和過渡區(qū)，一半為較脆弱區(qū)以及脆弱區(qū)。主要是由于10#煤層距底板奧陶系峰峰組灰?guī)r較近(平均約36 m)，有效隔水層等效厚度較小(4.5 ～31.38 m)，在隔水層承受相同的奧灰水壓以及富水性等條件不變的情況下10#煤層底板奧灰突水的可能增加。

綜合分析，較安全區(qū)分布在礦區(qū)的西北部，L -66、L-62 鉆孔附近;較安全區(qū)到較脆弱區(qū)的過渡區(qū)呈西北至東北呈條帶狀分布，主要分布在LK5、L-15孔附近，在一定條件下仍然有發(fā)生突水事故的可能，生產(chǎn)中也應(yīng)得到一定的重視;突水危險(xiǎn)性較大的較脆弱區(qū)主要分布在礦區(qū)范圍的東南部，主要在鉆孔L -8、L-9、L-51、LK9、LK10 附近，這些鉆孔附近10#煤層底板隔水層等效厚度整體偏小，而奧灰水壓大，富水性較好;在礦區(qū)東南部鉆孔LK1、LK12 附近，有一較小區(qū)域?yàn)橥凰ｋU(xiǎn)性最大的脆弱區(qū)。

圖3 中，斷層、褶皺以及陷落柱這些構(gòu)造主要分布在鉆孔LK1、LK12 附近，原因是構(gòu)造的存在會(huì)破壞隔水層的連續(xù)性，其突水危險(xiǎn)性極大，所以井田內(nèi)的這些構(gòu)造影響帶范圍都處于突水危險(xiǎn)性最大的脆弱區(qū)。

4 脆弱性指數(shù)法與突水系數(shù)法評價(jià)的對比分析

從圖2，3 可以看出，傳統(tǒng)突水系數(shù)法把礦區(qū)范圍內(nèi)大部分區(qū)域預(yù)測為危險(xiǎn)區(qū)，只有北部一小塊區(qū)域?yàn)榘踩珔^(qū)，原因在于南部奧灰含水層水壓較大(0.97 ～3.75 MPa)，隔水層厚度較小(平均厚36 m)。突水系數(shù)法從10#煤層底板隔水層厚度和隔水層承受的水壓兩個(gè)因素考慮得出這樣的突水危險(xiǎn)性分區(qū)與水文地質(zhì)條件及生產(chǎn)實(shí)際存在較大差異。

從圖3 可以看出，李雅莊煤礦北部大部分為較安全區(qū)和過渡區(qū)，東南部區(qū)域大部分是較脆弱區(qū)，在鉆孔LK1、LK12 附近的區(qū)域?yàn)榇嗳鯀^(qū)，發(fā)生突水的可能性較大。另外，在斷層、褶皺和陷落柱等構(gòu)造分布區(qū)域也為脆弱區(qū)，突水可能性較大。此結(jié)果是在綜合考慮了10#煤層底板有效隔水層等效厚度、礦壓破壞帶以下脆性巖厚度、奧灰頂部古風(fēng)化殼厚度、斷層與褶皺分布、斷層與褶皺交端點(diǎn)分布、陷落柱分布、奧灰含水層的富水性、奧灰含水層的水壓后得出，相對于傳統(tǒng)突水系數(shù)法僅考慮兩個(gè)因素，脆弱性指數(shù)法考慮更全面，其結(jié)果也更能有效指導(dǎo)礦井防治水。

5 結(jié) 論

針對兩種方法由圖2 可以看出，傳統(tǒng)的突水系數(shù)法根據(jù)突水系數(shù)將礦區(qū)分為界限分明的區(qū)塊，在邊界處安全狀況發(fā)生了突變，顯然這與實(shí)際情況不符。而脆弱性指數(shù)法則在綜合考慮各個(gè)影響因素的前提下將礦區(qū)分為相對安全區(qū)、較安全區(qū)、過渡區(qū)、較脆弱區(qū)和脆弱區(qū)，有利于技術(shù)人員對實(shí)際狀況的把握。過渡區(qū)域是從較安全區(qū)域到較脆弱區(qū)域的一個(gè)過渡，雖然總體上突水的可能性不大，但是由于其瀕臨較脆弱區(qū)，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)得到足夠的重視。另外，突水系數(shù)法沒有將斷層、陷落柱、褶皺等構(gòu)造因素考慮在內(nèi)，而脆弱性指數(shù)法對這些構(gòu)造分區(qū)有較詳盡的脆弱性劃分，可以據(jù)此在生產(chǎn)中針對具體情況采取相應(yīng)防范和治理措施，從而確保煤礦的安全生產(chǎn)。

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