趙寶峰，黃忠正，宗偉琴

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西省西安市，710054；2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西省西安市，710177；3.國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司，寧夏回族自治區(qū)銀川市，750011)

煤炭在我國一次能源結(jié)構(gòu)中占60%左右，在未來幾十年內(nèi)仍將是我國的主體能源。隨著我國東部地區(qū)煤炭資源逐漸枯竭，煤炭生產(chǎn)重點(diǎn)逐步向西轉(zhuǎn)移，西部侏羅紀(jì)煤炭資源開發(fā)已經(jīng)成為我國煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要支撐[1-2]。侏羅紀(jì)煤田主要面臨煤層頂板水害威脅，許多學(xué)者圍繞頂板水害防控開展了大量研究，在含水層富水性分區(qū)方面主要采用物探[3-4]、富水性指數(shù)[5-6]、綜合探查法[7-8]等，涌水量預(yù)測方面主要采用比擬法[9]、解析法[10]和數(shù)值法[11]等，以上研究成果對于頂板水害防控發(fā)揮了重要作用。

寧東煤田是我國批準(zhǔn)建設(shè)的14個億噸級煤炭生產(chǎn)基地之一，同時(shí)也是寧東煤化工基地的供煤產(chǎn)地，包括鴛鴦湖、馬家灘、碎石井、積家井等礦區(qū)，其探明儲量達(dá)331億t，占寧夏煤炭總儲量的85%[12]。寧東煤田大部分礦井主采侏羅系延安組煤層，其上部普遍發(fā)育直羅組砂巖含水層，在大規(guī)模機(jī)械化開采條件下，工作面開采后對頂板覆巖擾動強(qiáng)度大，形成的導(dǎo)水通道容易溝通上覆含水層，造成工作面頂板水害事故。鴛鴦湖礦區(qū)內(nèi)各礦井均面臨不同程度的頂板水害威脅，需要解決的防治水難題包括頂板含水層科學(xué)合理的富水性分區(qū)、工作面與礦井涌水量動態(tài)預(yù)測和頂板水疏放效果定量化評價(jià)等，為保障礦井的安全生產(chǎn)，需要對頂板水害防控方法與技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究。

1 鴛鴦湖礦區(qū)及其水文地質(zhì)條件

1.1 鴛鴦湖礦區(qū)概況

1.1.1 基本條件

鴛鴦湖礦區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)寧東煤田中部，總體呈南北條帶狀展布，鴛鴦湖礦區(qū)及各礦井平面位置如圖1所示，由北向南分別為清水營、梅花井、石槽村、紅柳和麥垛山煤礦，規(guī)劃產(chǎn)能44 Mt/a。

1.1.2 地層與構(gòu)造

根據(jù)鉆孔揭露資料，研究區(qū)地層由上向下分別為第四系、古近系、白堊系、侏羅系和三疊系，其中侏羅系延安組為礦區(qū)的含煤地層，2、6、10、12和18號煤層全區(qū)發(fā)育，全部或大部分可采。研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地西緣沖斷、推覆構(gòu)造帶中北部，北部以褶皺為主，向南逐漸斷層發(fā)育，破壞了褶皺的完整性。

1.2 鴛鴦湖礦區(qū)水文地質(zhì)條件

1.2.1 含水層

研究區(qū)含水層可劃分為孔隙潛水含水層和孔隙裂隙承壓含水層，后者又可劃分為白堊系、侏羅系和三疊系含水層，其中侏羅系含水層根據(jù)主要可采煤層可進(jìn)一步劃分為直羅組含水層、2～6號煤層、6～18號煤層和18號煤層以下含水層。

近年來，研究區(qū)主采2號煤層，其主要充水含水層為直羅組下段含水層，其平均厚度、鉆孔單位涌水量和滲透系數(shù)的平均值由北向南逐漸增大，其水文地質(zhì)條件也隨之逐漸復(fù)雜。鴛鴦湖礦區(qū)及各礦位置如圖1所示。鴛鴦湖礦區(qū)各礦井直羅組下段含水層概況見表1。

圖1 鴛鴦湖礦區(qū)及各礦井平面位置

表1 鴛鴦湖礦區(qū)各礦井直羅組下段含水層概況

1.2.2 隔水層

研究區(qū)隔水層包括古近系清水營組、侏羅系安定組、直羅組、延安組煤層頂?shù)装甯羲畬樱瑤r性主要為泥巖、粉砂巖和砂質(zhì)泥巖。

1.2.3 地下水補(bǔ)徑排

潛水含水層地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給，沿地勢由高向低徑流，在溝谷洼地以泉的形式排出，還有一部分越流補(bǔ)給承壓含水層；承壓含水層地下水主要接受露頭區(qū)大氣降水補(bǔ)給、潛水含水層的越流補(bǔ)給，徑流方向大致與潛水含水層保持一致，最終以礦井排水的形式排出。

2 鴛鴦湖礦區(qū)頂板水害防控技術(shù)與應(yīng)用

2.1 頂板含水層富水性分區(qū)

2.1.1 含水層富水性分區(qū)存在的問題

鉆孔單位涌水量是含水層富水性評價(jià)的唯一直接指標(biāo)，主要是根據(jù)抽水試驗(yàn)得到的。研究區(qū)各礦井在水文補(bǔ)勘階段均施工了水文地質(zhì)鉆孔，在抽水試驗(yàn)后留設(shè)為地下水位長觀孔，為了避免受到采掘活動的影響和破壞，水文地質(zhì)鉆孔一般位于采區(qū)邊界外的保護(hù)煤柱內(nèi)，但是對礦井防治水工作具有指導(dǎo)意義的卻是采區(qū)內(nèi)煤層頂板含水層富水性條件，怎樣利用采區(qū)外水文地質(zhì)鉆孔的信息評價(jià)采區(qū)內(nèi)的煤層頂板含水層富水性是需要解決的重要問題。通常井田范圍內(nèi)地質(zhì)勘探鉆孔較多，而水文地質(zhì)鉆孔較少，怎樣有效利用大量地質(zhì)勘探鉆孔的水文信息對含水層富水性進(jìn)行評價(jià)也是防治水面臨的主要問題。

2.1.2 含水層富水性分區(qū)思路

建立采區(qū)外水文地質(zhì)鉆孔與采區(qū)內(nèi)地質(zhì)勘探鉆孔的水文信息相關(guān)關(guān)系，進(jìn)而利用地質(zhì)勘探鉆孔的水文信息對采區(qū)內(nèi)含水層進(jìn)行富水性分區(qū)成為首選思路?；谝陨纤悸罚岢隽嘶诘刭|(zhì)勘探鉆孔水文信息的含水層富水性分區(qū)技術(shù)，即選取與含水層富水性相關(guān)性較強(qiáng)的評價(jià)指標(biāo)，然后利用灰色關(guān)聯(lián)度、語氣算子比較法、隸屬度函數(shù)和模糊綜合評判法對煤層頂板含水層富水性進(jìn)行分區(qū)[13]?；诘刭|(zhì)勘探鉆孔水文信息的含水層富水性分區(qū)流程如圖2所示。

圖2 基于地質(zhì)勘探鉆孔水文信息的含水層富水性分區(qū)流程

2.1.3 含水層富水性分區(qū)步驟

(1)各評價(jià)指標(biāo)與鉆孔單位涌水量的關(guān)聯(lián)度計(jì)算。灰色關(guān)聯(lián)分析的具體計(jì)算步驟如下：設(shè)參考數(shù)列為：x0={x0(k)|k=1,2,…j}，各水文孔的單位涌水量為參考數(shù)列；設(shè)比較數(shù)列為：x1={x1(k)|k=1,2,…j}，x2={x2(k)|k=1,2,…j}，…，xi={xi(k)|k=1,2,…j}，含水層砂地比、含水層厚度、粗砂巖厚度、粗砂巖層數(shù)、斷層分維值和褶皺分維值為比較數(shù)列。

關(guān)聯(lián)系數(shù)表達(dá)式如下：

(1)

式中：ρ——分辨系數(shù)，通常取0.5。

關(guān)聯(lián)度r0i作為比較數(shù)列與參考數(shù)列關(guān)聯(lián)程度的數(shù)量表示，其計(jì)算公式如下：

(2)

根據(jù)式(2)計(jì)算的關(guān)聯(lián)度大小排序，如果r0n

(2)各評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定。在確定各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重向量時(shí)，采用語氣算子比較法，具體算法如下：設(shè)有6項(xiàng)含水層富水性評價(jià)指標(biāo)組成的指標(biāo)集：D=(d1,d2,…，d6)，首先研究指標(biāo)集D對重要性的二元比較定性排序。指標(biāo)集D中的元素dk與dl就“重要性”作二元比較，若dk比dl重要，記定性標(biāo)度ekl=1，elk=0；dk與dl同樣重要，記ekl=0.5，elk=0.5；若dl比dk重要，記ekl=0，elk=1。其中，k=1,2,…，6；l=1,2,…,6。以下矩陣為指標(biāo)集D對重要性作二元比較的定性排序標(biāo)度矩陣E。

(3)

在二元比較過程中要求判斷思維不出現(xiàn)矛盾，即要求邏輯判斷的一致性，其一致性檢驗(yàn)條件為：若ehk>ehl，有ekl=0；若ehk

為了在二元定量對比中更便于語言習(xí)慣，大連理工大學(xué)的陳守煜教授給出了語氣算子與重要性定量標(biāo)度之間的對應(yīng)關(guān)系：語氣算子為同樣、稍稍、略為、較為、明顯、顯著、十分、非常、及其、極端、無可比擬時(shí)，對應(yīng)的相對隸屬度分別為1.000、0.818、0.667、0.538、0.429、0.333、0.250、0.176、0.111、0.053、0。

(3)建立模糊評判矩陣。選取研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)勘探鉆孔的砂地比、砂巖厚度、粗砂巖厚度、砂巖層數(shù)、斷層分維值和褶皺分維值作為含水層富水性評價(jià)的指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上建立模糊評判矩陣R[10]：

(4)

式中：rij——第i個因素對第j個評語的隸屬度。

式中R通常稱為模糊關(guān)系矩陣，由各單因素評判結(jié)果得到，隸屬函數(shù)的建立是用來刻畫模糊集合的，即用來計(jì)算rij。對模糊對象只有給出切合實(shí)際的隸屬函數(shù)，才能應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算。三角形隸屬度函數(shù)是最常見最簡單的一種模糊隸屬度函數(shù)，在此Ai均選取三角形隸屬度函數(shù)。

(4)含水層富水性模糊綜合評判。模糊綜合評判數(shù)學(xué)模型的基本形式為：

(5)

式中：B——評判對象的綜合評判結(jié)果；

A——n個參與模糊綜合評判因素的權(quán)重；

R——模糊綜合評判矩陣。

由于加權(quán)平均型算子對所有因素權(quán)重大小均衡兼顧，因此，在這里采用了加權(quán)平均算子。

2.1.4 現(xiàn)場應(yīng)用

利用模糊綜合評判結(jié)果，繪制紅柳煤礦首采區(qū)直羅組下段含水層富水性分區(qū)，如圖3所示。

圖3 紅柳煤礦首采區(qū)直羅組下段含水層富水性分區(qū)

根據(jù)對研究區(qū)內(nèi)各工作面涌水量的觀測臺賬，位于五級和四級富水性的工作面涌水量明顯大于位于三級和二級富水區(qū)的工作面，基于地質(zhì)勘探鉆孔水文信息的含水層富水性分區(qū)結(jié)果與實(shí)際井下工作面涌水量較為一致。

2.2 工作面與礦井涌水量動態(tài)預(yù)測

2.2.1 工作面與礦井涌水量預(yù)測存在的問題

以往針對鴛鴦湖礦區(qū)工作面涌水量預(yù)測主要采用大井法或集水廊道法，其預(yù)測值通常比實(shí)際值小，通過分析工作面頂板充水含水層水文地質(zhì)特征，認(rèn)為工作面頂板直羅組下段砂巖含水層以孔隙為主，裂隙發(fā)育，地下水主要為古封存水，加之鴛鴦湖礦區(qū)構(gòu)造發(fā)育，含水層平面上被斷層切割，連通性較差，以靜儲量為主。采用大井法或集水廊道法計(jì)算的涌水量僅是工作面的動態(tài)補(bǔ)給量，而忽視了頂板含水層的靜儲量。

以往預(yù)測礦井涌水量時(shí)，通常將整個預(yù)測區(qū)域作為大井或集水廊道，所得到的涌水量預(yù)測值為固定值，不能實(shí)時(shí)指導(dǎo)各采區(qū)或礦井排水系統(tǒng)的建立。而礦井涌水量實(shí)際上是一個隨著采掘空間和時(shí)間變化的動態(tài)值。

2.2.2 靜儲量結(jié)合動態(tài)補(bǔ)給量的工作面涌水量預(yù)測

基于以上分析，提出了靜儲量疊加動態(tài)補(bǔ)給量的“動靜結(jié)合”工作面涌水量預(yù)測方法，工作面涌水量包含垮落帶周邊的側(cè)向動態(tài)補(bǔ)給水量和垮落帶內(nèi)含水層的靜儲量，使工作面涌水量預(yù)測結(jié)果更加符合實(shí)際。

(1)靜儲量預(yù)測。靜態(tài)儲存量主要是指當(dāng)煤層回采產(chǎn)生的導(dǎo)水裂縫帶影響范圍內(nèi)的含水層由于重力作用而釋放出來的水量，計(jì)算式如下：

Q靜=LB1Mμ

(6)

式中：Q靜——含水層的靜儲量，m3/h；

L——工作面走向長度，m；

B1——垮落區(qū)寬度，m；

M——含水層厚度，m；

μ——含水層的給水度。

(2)動態(tài)補(bǔ)給量預(yù)測。對于工作面動態(tài)補(bǔ)給量的預(yù)測可以采用“大井法”，其計(jì)算式如下：

(7)

式中：Q動——工作面動態(tài)補(bǔ)給量，m3/h；

K——含水層的滲透系數(shù)，m/d；

H——水頭高度，m；

R0——引用影響半徑，m；

r0——引用半徑，m。

也可以采用集水廊道法，其計(jì)算式如下：

(8)

式中：c——巷道底板周長，m；

R1——影響半徑，m。

(3)工作面涌水量預(yù)測。工作面涌水量由頂板含水層的靜儲量和動態(tài)補(bǔ)給量組成，計(jì)算式如下：

Q工=Q靜+Q動

(9)

2.2.3 基于時(shí)空分區(qū)的礦井涌水量預(yù)測

為了使礦井涌水量能夠?qū)崟r(shí)指導(dǎo)防治水工作和排水系統(tǒng)的設(shè)置，提出了基于時(shí)空分區(qū)的礦井涌水量預(yù)測方法，即根據(jù)礦井采掘接續(xù)計(jì)劃將預(yù)測期劃分為若干時(shí)段，再分別預(yù)測各時(shí)段內(nèi)各分區(qū)(工作面或巷道)的涌水量，最終得到一個隨時(shí)間變化的礦井涌水量動態(tài)預(yù)測值[14]，計(jì)算式如下：

(10)

i=1,2,3…m；j=1,2,3…n

式中：Qi——第i時(shí)段礦井涌水量，m3/h；

qij——第i時(shí)段j處涌水量，m3/h。

基于時(shí)空分區(qū)的礦井涌水量也可以用于采區(qū)或不同水平涌水量預(yù)測。

2.2.4 現(xiàn)場應(yīng)用

麥垛山煤礦11采區(qū)是2號煤層首采區(qū)，為了給防治水工作和排水系統(tǒng)建立提供依據(jù)，需要對11采區(qū)進(jìn)行涌水量預(yù)測。根據(jù)11采區(qū)2021-2028年采掘接續(xù)方案，將預(yù)測期按照年度劃分為8個時(shí)間段，分別對各時(shí)間段內(nèi)不同工作面涌水量進(jìn)行預(yù)測，最終得到11采區(qū)涌水量動態(tài)預(yù)測值，如圖4所示。

圖4 麥垛山煤礦11采區(qū)涌水量預(yù)測曲線

2.3 工作面頂板水害威脅程度定量化評價(jià)

2.3.1 工作面頂板含水層疏放水效果評價(jià)存在的問題

以往對工作面受底板灰?guī)r水害威脅程度通常采用突水系數(shù)法，底板受構(gòu)造破壞的地段突水系數(shù)一般不得大于0.06 MPa/m，隔水層完整無斷裂構(gòu)造破壞的地段不得大于0.10 MPa/m。由于突水系數(shù)簡單易用，是評價(jià)工作面底板水害威脅程度的常用定量化方法。

受頂板砂巖水害威脅的工作面常采用頂板水疏放的防治水方法，但是由于缺少頂板水疏放效果定量化評價(jià)方法，一方面在未達(dá)到疏放水效果的情況下盲目開采會導(dǎo)致工作面涌水量較大，甚至發(fā)生水害事故，另一方面在達(dá)到疏放水效果時(shí)繼續(xù)對頂板含水層進(jìn)行疏放，不僅破壞了地下水資源，同時(shí)還使礦井涌水量增大，對礦區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境造成不良影響。

2.3.2 工作面頂板含水層疏放水效果定量化評價(jià)

基于受頂板水害威脅工作面的涌水量組成分析，影響和威脅工作面安全回采的主要為頂板含水層的靜儲量，這部分水量如果未經(jīng)疏放，在工作面回采時(shí)會經(jīng)過導(dǎo)水裂縫帶進(jìn)入采空區(qū)，導(dǎo)致涌水量增大。工作面回采時(shí)頂板含水層的動態(tài)補(bǔ)給量在短時(shí)間內(nèi)是無法疏干的，配備滿足要求的排水系統(tǒng)即可。

建立“雙因素四指標(biāo)”疏放水效果評價(jià)方法：工作面疏放總水量大于等于靜態(tài)儲存量，并且疏放水殘余總水量小于等于動態(tài)補(bǔ)給量時(shí)，可以判斷工作面頂板含水層的靜態(tài)儲存量得到了充分疏放，利用工作面疏放水觀測值和涌水量預(yù)測值雙因素中的靜態(tài)儲存量、動態(tài)補(bǔ)給量、疏放總水量和殘余總水量4個指標(biāo)進(jìn)行比對，實(shí)現(xiàn)了對頂板水疏放效果的定量化評價(jià)[15]，評價(jià)流程如圖5所示。

圖5 工作面頂板水疏放效果定量化評價(jià)流程

2.3.3 現(xiàn)場應(yīng)用

利用“雙因素四指標(biāo)”法對鴛鴦湖礦區(qū)典型工作面疏放水效果進(jìn)行了定量化評價(jià)，見表2。

表2 典型工作面頂板水疏放效果定量化評價(jià)

由表2可以看出 ，各工作面疏放總水量均大于靜儲量預(yù)測值，疏放水鉆孔的殘余水量與動態(tài)補(bǔ)給量預(yù)測值接近，說明工作面頂板含水層的靜儲量得到了有效疏放，鉆孔殘余水量為動態(tài)補(bǔ)給量，各工作面在回采過程中無集中涌水現(xiàn)象發(fā)生，均實(shí)現(xiàn)了安全回采。

3 結(jié)語

(1)通過建立水文地質(zhì)鉆孔與水文信息之間的相關(guān)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上利用地質(zhì)勘探鉆孔的水文信息對含水層進(jìn)行富水性分區(qū)，有效地利用了井田范圍內(nèi)的地質(zhì)勘探鉆孔，為頂板水害防控提供了依據(jù)。

(2)考慮了靜儲量和動態(tài)補(bǔ)給量工作面涌水量預(yù)測與實(shí)際涌水量更為接近，而基于時(shí)空分區(qū)的礦井涌水量預(yù)測提供的動態(tài)預(yù)測值能夠更好地指導(dǎo)礦井防治水工作和排水系統(tǒng)建立。

(3)“雙因素四指標(biāo)”評價(jià)方法實(shí)現(xiàn)了對頂板水疏放效果的定量化評價(jià)，避免了頂板水疏放不足造成水害事故，同時(shí)也能夠顯著減少頂板水的過度疏放。