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，對兩種方法的評價結(jié)果進(jìn)行對比分析，有利于提高評價結(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含水層的突水危險性進(jìn)行分析評價。在計算各鉆孔點(diǎn)突水系數(shù)時，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，計算各個鉆孔處的突水系數(shù)值，最后利用突水系數(shù)法分別計算出各鉆孔點(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性評價分區(qū)圖

表1 10#煤層奧灰突水系數(shù)統(tǒng)計表

由圖1，2 可知，井田內(nèi)10#煤層底板奧灰突水危險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)分級閾值將評價區(qū)10#煤層劃分為5個區(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)造的存在會破壞隔水層的連續(xù)性，其突水危險性極大，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因素考慮得出這樣的突水危險性分區(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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