王生全，武 超，彭 濤，武忠山，劉凱祥

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710021)

0 引 言

近年來，隨著煤炭資源開采逐漸向西部轉(zhuǎn)移，開采深度不斷加大、地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，煤層頂板冒裂導(dǎo)通上覆含水層而發(fā)生涌(突)水事故和惡化工作面生產(chǎn)環(huán)境的現(xiàn)象日益嚴(yán)重，開展煤層頂板含水層突水危險(xiǎn)性的評價(jià)，對提前做好工作面的防治水工作顯得尤為重要[1-7]。

目前針對含水層突水危險(xiǎn)性評價(jià)的研究，主要有劉天泉[8]提出的覆巖破壞學(xué)說，將上覆巖層分為“三帶”，即冒落帶、裂隙帶和整體彎曲下沉帶，目前國內(nèi)以此理論為研究頂板突水機(jī)理的基礎(chǔ)；高延法[9]提出巖移“四帶”模型，認(rèn)為巖層結(jié)構(gòu)力學(xué)模型應(yīng)劃分為破裂帶、離層帶、彎曲帶和松散沖積層帶，進(jìn)一步拓寬了對頂板突水機(jī)理的認(rèn)識(shí)；錢鳴高[10]創(chuàng)立關(guān)鍵層理論；武強(qiáng)[11-13]提出的“三圖-雙預(yù)測”理論。

通過對青龍寺煤礦地質(zhì)及水文地質(zhì)條件分析，充分挖掘勘探和生產(chǎn)過程中收集的資料，采用武強(qiáng)提出的“三圖-雙預(yù)測”理論[14-20]，對煤層頂板上覆含水層的富水性和因煤層開采造成的充水通道進(jìn)行評價(jià)，建立了煤層頂板含水層突水危險(xiǎn)性綜合分區(qū)圖，可作為礦井工作面防治水的地質(zhì)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

青龍寺煤礦位于陜西省榆林市府谷縣西北部，井田東西長約8.95 km，南北寬約5.85 km，面積為50.38 km2.地表屬典型黃土丘陵溝壑區(qū)地貌單元。

井田構(gòu)造形態(tài)為傾角1°左右向南西傾斜的單斜構(gòu)造，區(qū)內(nèi)無較大的斷層、褶曲、火成巖，僅在局部有少數(shù)微型沖刷構(gòu)造，構(gòu)造簡單，規(guī)律明顯。

井田含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，屬大型內(nèi)陸湖泊三角洲沉積，含可采煤層4層，其中主要可采煤層為3-1煤層和5-2煤層。其中5-2煤層為穩(wěn)定的全區(qū)可采中厚煤層，煤厚1.08～4.72 m，平均厚度2.68 m，為礦井目前主采煤層。

5-2煤頂板以上主要含水層為第四系孔隙潛水含水層、侏羅系延安組第五段裂隙承壓含水層、侏羅系延安組第四段裂隙承壓含水層、侏羅系延安組第三段裂隙承壓含水層和侏羅系延安組第二段裂隙承壓含水層；隔水層主要為新近系上新統(tǒng)保德組隔水層、侏羅系延安組第三段隔水層、3-1煤層和侏羅系延安組第二段隔水層。侏羅系延安組第二段裂隙承壓含水層是5-2煤層采后的直接充水含水層，如圖1所示。

圖1 5-2煤層頂板之上含(隔)水層柱狀Fig.1 Column diagram of aquifer(aquifuge)above the roof of 5-2 coal seam

青龍寺煤礦為新建礦井，首采盤區(qū)為5-201盤區(qū)，首采工作面為5-20101工作面，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力300萬t/a，采用長壁、后退式采煤法，全部冒落法管理頂板。

2 煤層頂板充水含水層富水性評價(jià)與分區(qū)

由于含水層富水性強(qiáng)弱是多個(gè)因素共同作用的結(jié)果，具有復(fù)雜性、多變性的特點(diǎn)。基于此，在對青龍寺煤礦水文地質(zhì)、礦區(qū)構(gòu)造、巖性巖相特征以及勘探和生產(chǎn)資料研究的基礎(chǔ)上，確定影響充水含水層富水性的主控因素為：巖性巖相變化特征、含水層厚度、巖心采取率、單位涌水量和滲透系數(shù)。

2.1 巖性巖相變化特征

巖性巖相變化直接影響著巖石的結(jié)構(gòu)及其物理性質(zhì)。從巖石力學(xué)角度來看，脆性巖主要包括細(xì)粒砂巖、中粒砂巖和粗粒砂巖等，受應(yīng)力破壞后，裂隙較發(fā)育，透水性強(qiáng)；塑性巖主要包括砂質(zhì)泥巖、泥巖和粉砂巖，巖石蠕變變形較大，抵抗破壞能力強(qiáng)，裂隙不發(fā)育，具有隔水性。一般情況下，當(dāng)其它控制因素相同時(shí)，脆塑比越大，含水層富水性越強(qiáng)。采用含水層中脆性巖和塑性巖的厚度比值(脆塑比)，繪制了含水層脆塑比變化圖如圖2所示。

圖2 含水層脆塑比變化Fig.2 Change diagram of brittleness to plasticity ratio of aquifer

2.2 含水層厚度

含水層主要由細(xì)粒砂巖、中粒砂巖和粗粒砂巖組成，其厚度約為50.36～105.87 m，平均厚度約為83.57 m.一般情況下，當(dāng)其它控制因素相同時(shí)，含水層厚度越大，則富水性越強(qiáng)。含水層厚度變化如圖3所示。

2.3 巖心采取率

一般情況下，巖心采取率低，說明巖層完整性差，較破碎，裂隙較發(fā)育。所以當(dāng)其它控制因素相同時(shí)，巖心采取率低，富水性較好。巖心采取率變化如圖4所示。

圖3 含水層厚度變化Fig.3 Change diagram of aquifer thickness

2.4 單位涌水量

一般情況下，當(dāng)其它控制因素相同時(shí)，單位涌水量越大，則含水層富水性越強(qiáng)。單位涌水量變化如圖5所示。

圖4 巖心采取率變化Fig.4 Change diagram of core recovery rate

圖5 單位涌水量變化Fig.5 Change diagram of unit water inflow

2.5 滲透系數(shù)

一般情況下，當(dāng)含水層厚度較厚時(shí)，滲透系數(shù)越大，代表含水層富水性越強(qiáng)。但是當(dāng)含水層厚度有限時(shí)，即使?jié)B透系數(shù)再大，那它的出水能力也是有限的。滲透系數(shù)變化如圖6所示。

圖6 滲透系數(shù)變化Fig.6 Change diagram of coefficient

2.6 含水層富水性綜合評價(jià)與分區(qū)

根據(jù)對影響青龍寺煤礦5-2煤層頂板充水含水層富水性強(qiáng)弱的各主控因素研究，構(gòu)建了5-2煤層頂板直接充水含水層富水性判斷矩陣[21-27]。根據(jù)判斷矩陣，計(jì)算出各主控因素的權(quán)重值，見表1.

表1 基于AHP模型的各主控因素權(quán)重值Table 1 Based on the AHP model of the master weight value

根據(jù)上述各主控因素權(quán)重值及所得到的專題圖，利用GIS進(jìn)行無量綱化后，建立了煤層頂板直接充水含水層富水性綜合分區(qū)圖，如圖7所示。從整體來看，在礦區(qū)西北、東北部和西南局部富水性較弱，東南部富水性較強(qiáng)。

圖7 含水層富水性分區(qū)Fig.7 Water-rich zone diagram of aquifer

3 煤層頂板冒裂安全性評價(jià)與分區(qū)

3.1 導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算

通過礦區(qū)鉆孔統(tǒng)計(jì)資料和巖石力學(xué)參數(shù)的分析，確定選用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》(以下簡稱《三下采煤規(guī)程》)厚煤層分層開采的導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算公式”中的“中硬”巖性計(jì)算公式，計(jì)算5-2煤層的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度。其計(jì)算公式為

(1)

式中 Hli為冒裂帶高度，m；∑M為煤層累計(jì)采厚，m.

根據(jù)各鉆孔5-2煤層厚度，通過式(1)算出青龍寺煤礦5-2煤開采后導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度范圍為19.7～76.2m，平面分布趨勢和5-2煤層厚度變化趨勢一致，總體由西南至東北呈現(xiàn)逐漸增大的特點(diǎn)，如圖8所示。

圖8 5-2煤層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度分布Fig.8 Height distribution diagram of water conduction fracture zone in 5-2 coal seam

3.2 5-2煤層頂板隔水層厚度變化分析

5-2煤層之上，延安組第二段含水層之下存在著由粉砂巖、泥巖和炭質(zhì)泥巖等組成的侏羅系延安組第二段隔水層，其厚度為0～32.48m，平均厚度為5.35m，在礦區(qū)內(nèi)呈中間厚、向東西邊界變薄的特點(diǎn)，其中厚度小于5m的區(qū)域占礦區(qū)總面積的60%以上，如圖9所示?？偟膩砜矗?-2煤層頂板隔水巖段厚度較小，在5-2煤層開采后大部分處于冒落帶內(nèi)，基本起不到隔水作用。

圖9 5-2煤層頂板隔水層厚度分布Fig.9 Distribution diagram of thickness of water-resisting layer in roof of 5-2 coal seam

3.3 煤層開采頂板冒裂安全性評價(jià)與分區(qū)

若5-2煤層頂板隔水層厚度大于導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，則煤層以上充水含水層中的水一般不容易泄入巷道，劃分為冒裂安全區(qū)；反之，若5-2煤層頂板隔水層厚度小于導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，即導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)入直接充水含水層，則容易發(fā)生突水事故，劃分為冒裂非安全區(qū)。此外，以導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)入直接充水含水層層位的二分之一為界限，將大于二分之一的區(qū)域劃分為冒裂非安全嚴(yán)重區(qū)，反之為冒裂非安全一般區(qū)?；谏鲜龇謪^(qū)原則，在綜合分析青龍寺井田125個(gè)鉆孔的基礎(chǔ)上，考慮頂板隔水層厚度變化、地質(zhì)構(gòu)造以及開采方法對冒裂帶發(fā)育高度的影響，建立了5-2煤層開采頂板冒裂安全性分區(qū)圖，如圖10所示。青龍寺5-2煤層開采造成的導(dǎo)水裂隙帶在全區(qū)范圍內(nèi)都大于頂板隔水層厚度，即導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育到直接充水含水層中，故無冒裂安全區(qū)。

圖10 5-2煤層開采頂板冒裂安全性分區(qū)Fig.10 Safety zoning diagram of roof burst in 5-2 Coal seam

4 煤層頂板突水危險(xiǎn)性綜合評價(jià)與分區(qū)

煤層頂板涌(突)水災(zāi)害的發(fā)生，主要取決于冒裂帶是否導(dǎo)通上覆充水含水層和上覆含水層富水性強(qiáng)弱2個(gè)因素[28-31]?？紤]水文地質(zhì)條件和地質(zhì)構(gòu)造等因素，按照表2所示的疊加原則，疊加直接充水含水層富水性分區(qū)圖和頂板冒裂安全性分區(qū)圖，得出煤層頂板危險(xiǎn)性綜合分區(qū)圖，如圖11所示?？梢钥闯?，在礦區(qū)西北、東北和中部主要為相對安全區(qū)和較安全區(qū)，而礦區(qū)西南和東南部主要為較危險(xiǎn)區(qū)和危險(xiǎn)區(qū)。

表2 煤層頂板突水危險(xiǎn)性綜合分區(qū)原則Table 2 Principle of comprehensive zoning of water inrush in coal seam roof

圖11 5-2煤層頂板突水危險(xiǎn)性綜合分區(qū)Fig.11 Comprehensive zonal diagram of roof water inrush risk in 5-2 coal seam

5 結(jié) 論

1)在對青龍寺煤礦水文地質(zhì)條件和充水因素分析基礎(chǔ)上，認(rèn)為侏羅系延安組第二段裂隙承壓含水層是5-2煤層頂板突水的直接充水含水層，基于地理信息系統(tǒng)及層次分析法，對該含水層富水性進(jìn)行了評價(jià)與分區(qū)；

2)通過對礦區(qū)鉆孔統(tǒng)計(jì)資料和巖石物理力學(xué)參數(shù)的分析，采用《“三下”采煤規(guī)程》中計(jì)算導(dǎo)水裂縫帶高度公式，考慮5-2煤層頂板隔水層厚度變化，對5-2煤層頂板冒裂安全性進(jìn)行了評價(jià)與分區(qū)；

3)疊加含水層富水性分區(qū)圖與頂板冒裂安全性分區(qū)圖，建立了5-2煤層頂板涌(突)水危險(xiǎn)性綜合分區(qū)圖，并劃分為4個(gè)區(qū)域。劃分區(qū)域與實(shí)際涌(突)水監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合程度較高，從而對即將進(jìn)行生產(chǎn)的5-20102和5-20104工作面煤層頂板水害防治方案的制定提供了科學(xué)依據(jù)。