慕秀琴

(山西省煤炭地质水文勘查研究院，山西太原 030006)

太原东山煤矿位于太原市东部杏花岭区，为地方国有重点煤矿，未来主要开采井田南部五、七采区15号煤层。生产面临深部下伏奥灰水的威胁(水压0.00 MPa～5.05 MPa)，本文用脆弱性指数法对煤层底板突水危险性进行评价。

1 五、七采区地质及水文条件

1.1 地层、构造

五、七采区地层据钻孔揭露由老到新为:奥陶系中统上马家沟组及峰峰组;石炭系中统本溪组、上统太原组;二叠系下统山西组、下石盒子组及上统上石盒子组;第四系中、上更新统和全新统。

井田位于太原东山背斜西翼，地层总的走向为北北西，向南西西倾伏于太原盆地，属单斜构造。五、七采区位于井田的最南部，地层倾向与全矿一致，东高西低，倾角12°左右。五、七采区自北而南分布3条断裂带，主断裂走向近东西向，在主断裂两侧或延展方向派生或伴生若干小断裂。陷落柱较发育，但规模较小。

1.2 含煤地层

井田含煤地层为二叠系山西组及石炭系太原组，可采煤层7层，山西组4层(3号，62号，8号，9号)，太原组3层(12号，13号，15号)。山西组煤层属局部可采煤层;太原组煤层以较稳定～稳定煤层为主。15号煤厚3.45 m～10.93 m，全区可采，为主要可采煤层。

1.3 含水层及其特征

1)奥陶系碳酸盐岩类岩溶裂隙含水层。a.上马家沟组灰岩含水层:区内该组地层厚度230 m左右，含水层以上段白云质灰岩、灰质白云岩、中段豹皮灰岩及白云质灰岩为主，钻孔揭露岩溶裂隙累计厚度44.23 m(测井解释)，钻探取芯观察，岩溶裂隙极为发育，岩溶形态以溶蚀裂隙为主，次为小型溶洞及溶孔，且连通性好，充填物极少。方解石含量80%～90%。DS1，DS3号孔抽水试验，岩溶水位标高 779.87 m ～781.39 m，单位涌水量 2.020 L/(s·m) ～9.392 L/(s·m)，富水性强～极强。水质类型HCO3·SO4—Ca· Mg型，矿化度460 mg/L～466 mg/L。b.峰峰组灰岩含水层:钻孔揭露全组厚130.30 m～149.60 m，含水层以上段石灰岩为主，厚40 m左右。受埋藏及构造条件影响，岩溶裂隙发育不均一，富水性弱～中等。钻孔测井显示出水段累积厚度6.6 m～7.4 m，抽(放)水试验，自然水位标高774.45 m～779.89 m。DS1孔峰峰组富水极弱，渗透系数 0.026 m/d;DS3孔单位涌水量 0.684 L/(s·m)～0.912 L/(s·m)，渗透系数 5.645 m/d ～6.692 m/d，富水性中等。水质类型为HCO3·SO4—Ca· Mg型，矿化度为500 mg/L。奥灰含水层水为15号煤层主要间接底板充水水源。五、七采区奥灰水位标高771.80 m～785 m，15号煤层底板标高280 m～1 000 m，本区西部带压开采。15号煤层底至奥灰顶界间距71.81 m～101.33 m，正常情况下奥灰水对15号煤层采掘影响不大，若在构造导通的情况下，峰峰组和上马家沟组岩溶水是15号煤带压开采的最主要威胁。2)石炭系碎屑岩及碳酸盐岩类岩溶裂隙含水层:含水层以 L4，L3，L2，L1四层石灰岩为主，总厚12 m左右。DS1，DS2孔该组灰岩仅见小型溶孔或溶蚀裂隙，且连通性较差，注水试验渗透系数0.034 m/d～0.036 m/d。表明灰岩裂隙不发育，地下水补、蓄条件及其循环条件差，富水性弱。但在局部构造裂隙发育地段，富水性较好。3)二叠系碎屑岩类裂隙承压水含水层:由上石盒子组、下石盒子组和山西组一套砂岩与泥质岩相互叠置的碎屑岩类所组成。钻孔简易水文观测，各孔消耗量0.05 m3/h～0.10 m3/h。表明含水层裂隙不发育，地下水补、蓄条件及其循环条件很差，含水层富水性弱。4)第四系松散岩类孔隙含水层:主要分布于沟谷与太原盆地接触带处，厚度0 m～15 m，含水层以透镜状砂砾石层和含砾砂土为主，富水性弱。

1.4 隔水层

15号煤底板至奥灰顶界间距71.81 m～101.33 m，平均83.37 m。隔水层主要为石炭系下段下部泥岩、炭质泥岩、砂质泥岩及粉砂岩，以及本溪组泥岩及铝土质泥岩隔水层。隔水层的岩性及厚度依次为:泥岩(含铝土质泥岩):厚度10.34 m～39.70 m，平均厚度为 26.69 m;砂质泥岩:厚度5.10 m ～37.95 m，平均厚度为21.88 m;粉砂岩:厚度0 m ～17.74 m，平均 7.37 m。隔水层累计厚度41.08 m～78.73 m，平均累计厚度55.94 m。隔水层厚度占地层总厚度的67.1%。

2 五、七采区15号煤层底板突水主控因素及其属性数据库的建立

通过对五、七采区底板承压含水层、底板隔水层、地质构造条件的分析，确定该区底板突水的主控因素为:奥灰含水层水压、奥灰含水层富水性、有效隔水层厚度、矿压破坏带以下脆性岩的厚度、断层及褶皱的分布、陷落柱的分布、断层与褶皱交点的分布。

采集区内 DS1，DS3，M4，M5，M9，M10，304，310，TS-20 共 9 个钻孔对应各主控因素的量化值，利用GIS对空间数据的管理功能，生成属性数据库及专题图。

3 层次分析法模型设计

3.1 建立层及结构分析模型

将研究对象分为3个层次。底板奥灰突水脆弱性评价是这一问题的最终目的，作为模型目标层(A层次);承压含水层、地质构造、底板隔水层决定了突水的可能性，为模型的准则层(B层次)，各个具体的主控因素指标为本模型的决策层(C层次)。

3.2 构造判断矩阵

运用“征集专家评分”方法，得到每个因素所起作用的量化分值，进而构建15号煤层底板突水层次分析法评价的判断矩阵(见表1，表2)。

表1 判断矩阵A～Bi(i=1～3)

表2 判断矩阵B～Ci

3.3 层次总排序

各指标Ci对总目标的权重见表3，WA/Ci为各指标Ci对总目标A的权重。C层总排序随机一致性比率CR为:

具有较满意的一致性，WA/Ci作为最终决策的依据(见表3)。

表3 各指标对总目标的权重

4 脆弱性指数法评价工作方法

4.1 单因素归一化专题图

单因素数据归一化处理后，作出单因素归一化专题图。

4.2 底板突水脆弱性模型

脆弱性指数VI的初始模型为:

其中，VI为脆弱性指数;Wk为影响因素权重;fk(x，y)为单因素影响值函数;x，y均为地理坐标;n为影响因素的个数。其计算值能反映出某一地理位置煤层底板突水的脆弱程度。fk(x，y)在煤层底板突水脆弱性评价中具体就是第k个主控因素量化值的归一化后的值。利用各影响因素权重值Wi可以得出15号煤层底板奥灰水突水脆弱性评价模型为:

5 煤层底板突水脆弱性评价分区

运用自然分级法对所得底板脆弱性指数进行处理，得到最佳五级分级结果。依分级阈值研究区可划分为五个区域:

VI＞0.455，煤层底板突水脆弱区;0.340 ＜ VI≤0.455，煤层底板突水较脆弱区;0.311 2＜VI≤0.340，煤层底板突水过渡区;0.254 8 ＜ VI≤0.311 3，煤层底板突水较安全区;VI≤0.254 8，煤层底板突水相对安全区。

6 脆弱性指数法评价与突水系数法评价的对比分析

根据《煤矿防治水规定》中突水系数法得15号煤层带压开采安全性分区见图1，突水系数除评价区西部边界大于0.06 MPa/m外(危险区)，其他区域皆小于0.06 MPa/m(安全区)。

图1 15号煤层突水系数法评价分区图

图2 15号煤层底板奥灰突水脆弱性评价分区图

从脆弱性评价分区图可以看出(见图2):太原东山煤矿五、七采区东北部大部分为安全和较安全区，中部小部分为过渡区，西北、西部和南部区域大部分是脆弱区和较脆弱区，发生突水的可能性较大，另外，在断层、陷落柱等构造分布区域突水可能性也较大。

此结果是综合考虑了煤层底板突水7个主控因素后得出的，相对于传统突水系数法仅考虑两个因素，脆弱性指数法考虑更全面。

从这两种方法所得评价分区图可以看出，突水系数法根据突水系数将矿区分为界限分明的区块，在边界处安全状况发生了突变，这是与实际情况不符的。而脆弱性指数法则在综合考虑各个影响因素的前提下将矿区分为安全区、较安全区、过渡区、较脆弱区和脆弱区，可以帮助工作人员对实际状况有个度的把握。过渡区域是从较安全区域到较脆弱区域的一个过渡，虽然总体上突水的可能性不大，但是由于其濒临较脆弱区，实际生产中应得到足够的重视。另外，突水系数法没有将断层、陷落柱、褶皱等构造因素考虑在内，而脆弱性指数法对这些构造分区有较为详尽的脆弱性划分，可以据此在生产中针对具体情况采取相应防范和治理措施，从而确保矿界的安全生产。

[1] 中国煤炭地质总局华盛水文地质勘察工程公司.太原东山煤矿有限责任公司五、七采区带压开采水文地质补充勘查报告[R].2013.

[2] 山西省煤炭地质148勘查院.太原东山煤矿有限责任公司生产矿井地质报告[R].2012.

[3] 武 强，刘守强，贾国凯.脆弱性指数法在煤层底板突水评价中的应用[J].中国煤炭，2010(6):71-72.