泊江海子矿3-1煤顶板涌（突）水危险性评价与防治措施研究

2022-04-08穆金霞

煤炭与化工 2022年3期

关键词：富水含水层顶板

穆金霞

（中国煤炭地质总局第一水文地质队，河北邯郸 056004）

0 引言

内蒙古银宏能源开发有限公司泊江海子矿是一座大型现代化矿井，位于东胜煤田西北部塔然高勒矿区东南，矿井设计规模为300万t/a，服务年限为62.5 a，井田面积40.667 1 km2，主采煤层为侏罗系延安组3-1、4-2、5-1号煤层。

为进一步查明矿井水文地质条件、消除封闭不良钻孔水害威胁，制定切实可靠的防治水方案。中国煤炭地质总局第一水文地质队对该矿进行了水文地质补充勘探，对二盘区3-1号煤层顶板直接或间接充水含水层位置深入研究取得了丰富成果。

本文运用“三图-双预测”法对3-1号煤层顶板涌（突）水危险性进行评价[1]。

1 水文地质条件

通过充水因素分析，3-1煤顶板直接充水水源为侏罗系中统裂隙含水层[2]。据二盘区钻孔统计，侏罗系中统地层平均厚度253.38 m，含水层平均厚度180.88 m，占地层平均厚度69.52%。含水层岩性以灰—灰绿色中粗粒砂岩、含砾粗粒砂岩为主，紫红色细砂岩次之。水位标高+1 336.62—+1 360.27 m，统一口径单位涌水量0.000 8～0.023 5 L/s·m，渗透系数0.000 5～0.015 8 m/d，为弱富水含水层；3-1号煤层顶板与侏罗系中统裂隙含水层距离1.07～84.89 m，含水层平均厚度12.91 m，统一口径单位涌水量0.001 9～0.009 8 L/s·m，为弱富水含水层。

侏罗系中统底部普遍发育一层砾岩层，为稳定隔水层，但在西十勘探线以西侏罗系中统砾石层歼灭，出现天窗。侏罗系中统底部与中下统顶部间隔水层平均厚度14.65 m，隔水性能差。

对侏罗系中统与中下统含水层间的隔水层厚度、地下水水位和水化学资料分析，侏罗系中统与中下统含水层间厚度整体不大，地下水水位差不大，水化学类型属接近或一致。说明侏罗系中统与中下统在天然条件下存在水力联系。

侏罗系中统地下水主要从西北方向侧向流入矿井，由东南方向流出区外。

2 煤层顶板涌(突)水危险性分区评价

针对3-1煤顶板涌（突）水危险性评价，本文采用基于GIS与AHP耦合的“三图-双预测”法，运用多元地学信息复合叠加的原理，根据多个水文地质物理场不同特征，相互对比验证、互相弥补不足，编制3-1煤顶板直接充水含水层富水性分区图、顶板冒裂安全性分区图，叠加后形成3-1煤顶板涌（突）水条件综合分区图[3-6]。

2.1 煤层顶板直接充水含水层富水性分区

2.1.1 富水性影响因素分析及专题图编制

（1）直接充水含水层厚度。

直接充水含水层厚度为导水裂缝带范围内的含水层中、粗、细砂岩厚度，据二盘区28个钻孔资料统计，含水层厚度1.05～156.38 m，平均57.95 m。含水层厚度在中、东部相对较薄，大部分地段小于80 m，在南、北部较厚，均大于100 m。地层固结程度较高，含水介质以砂岩裂隙为主（图1）。

图1 1煤顶板侏罗系含水层厚度专题图Fig.1 Thematic map of Jurassic aquifer thickness on No.1 coal roof

（2）岩心采取率。

岩心采取率指钻探取心的长度与岩层厚度比值，通常用百分数表示，与富水性反相关。大部分地段岩心采取率大于80%，仅东南部岩心采取率较低，富水性相对较好；二盘区北部8号钻孔及其附近地段岩心采取率92%以上，富水性也相对较差。总体来说，侏罗系含水层岩心采取率整体由东北向西南逐渐递增，个别地段分布不均匀（图2）。

图2 3-1煤顶板侏罗系含水层岩心采取率专题图Fig.2 Thematic map of Jurassic aquifer core adopts rate on No.3-1 coal roof

（3）冲洗液消耗量。

钻孔消耗量能够反应出岩层透水性能的标志，也是进行叠加分析的多源信息之一，钻探冲洗液的水位和稠度变化，能反映出岩层的水力性质，冲洗液漏失段往往渗透系数较高[7]。

由图3可知，侏罗系含水层的冲洗液消耗量在二盘区北部、东南部较大，8、13、W12-2号钻孔南部地段含水层冲洗液消耗量较小。表明北部、东南部裂隙较发育，南部裂隙不发育。

图3 3-1煤顶板侏罗系含水层冲洗液消耗量专题图Fig.3 Thematic map of Jurassic aquifer flushing fluid consumption on No.3-1 coal roof

（4）单位涌水量。

抽水试验是目前检验地下水渗流场特征的重要方法。首先根据充水含水层钻孔抽（注）水试验建立充水含水层涌水量数据库，然后采用suffer差分法生成含水层单位涌水量专题图（图4）。由于二盘区内仅水J13、水J15钻孔进行了侏罗系中统抽水，故此影响因子分析借助一盘区与二盘区钻孔综合结果进行繁衍，推测得出相对应的煤层顶板充水含水层单位涌水量专题图，并根据冲洗液和岩心采取率对此因子图纸做验证对比，繁衍侏罗系中统含水层单位涌水量专题图具有参考价值。

图4 3-1煤顶板侏罗系含水层单位涌水量专题图Fig.4 Thematic map of Jurassic aquifer unit water inflowon No.3-1 coal roof

（5）渗透系数。

岩层透水性通常用渗透系数表示。渗透系数不仅与粒度成分、充填情况、颗粒排列、发育程度、裂隙性质等岩石的性质有关，而且与流体的物理性质有关，根据渗流系数的大小绘制出专题图，可以看出区内充水含水层渗透系数大小变化的区域分布（图5）。二盘区内3-1号煤层顶板侏罗系含水层渗透系数由西南向东北逐渐增大。

图5 3-1煤顶板侏罗系含水层渗透系数专题图Fig.5 Thematic map of Jurassic aquifer permeability coefficient on No.3-1 coal roof

2.1.2 基于GIS与AHP耦合的“富水性指数”方法

（1）建立层次结构分析模型。

根据对反映含水层富水性各多元信息的分析，建立A、B、C层次结构分析模型（图6）。

图6 充水含水层富水性评价层次分析结构模型Fig.6 Analytic hierarchy process structure model for water abundance evaluation of water filled aquifer

（2）层次单排序及一致性检验。

根据判断矩阵计算出各层单排序的权值见表1～表4中W列。

表1 判断矩阵A1～Bi（i=1～3）Table 1 Judgement matrix A1～Bi(i=1～3)

表4 判断矩阵B3～Ci（i=5～5）Table 4 Judgement matrix B3～Ci(i=5～5)

各组矩阵计算出λmax，CI与CR，存在的CR值都小于0.1，判断矩阵具有令人满意的一致性，可以通过一致性检验。

（3）层次总排序及一致性检验。

表2 判断矩阵B1～Ci（i=1～3）Table 2 Judgement matrix B1～Ci(i=1～3)

表3 判断矩阵B2～Ci（i=4～4）Table 3 Judgement matrix B2～Ci(i=4～4)

各指标CI对总目标的权重，即指标层各指标CI经过B i层对目标层A的权重结果，符号A/CI表示各指标CI相对于总目标A，WA/CI为各指标CI对总目标A的权重。

计算可得C层总排序随机一致性比率：

式中：n=1、2。

经计算CR小于0.1，具有较满意的一致性，WA/CI可以作为最终决策依据，从而确定多元信息在充水含水层富水性分区研究中叠加的权重值（表5）。

表5 3-1煤顶板侏罗系含水层富水性权重Table 5 Jurassic aquifer water abundance weight on No.3-1 coal roof

2.1.3 煤层顶板充水含水层富水性分区

综合上述各场分析结论，通过GIS的AHP方法的耦合技术叠加分析富水性，利用层次分析法（AHP）得出含水层厚度、岩心采取率、单位涌水量、渗透系数、冲洗液消耗量对富水性的贡献权重，并且根据这些权重贡献值大小对煤层顶板充水含水层进行了富水性分区，再应用GIS强大的数据管理与空间分析功能和信息融合技术对AHP的计算结果进行处理，以直观的5个专题图进行复合叠加，生成煤层顶板充水含水层富水性分区图（图7）。

图7 3-1号煤层顶板侏罗系含水层富水性分区图Fig.7 Zoning map of Jurassic aquifer water abundance on No.3-1 coal roof

3-1号煤层顶板侏罗系砂岩裂隙含水层根据多因子叠加后划分为富水性弱区、富水性较弱区、富水性中等区、富水性较好区和富水性好区五个分区，二盘区东部富水性好，由于W11-3、15号钻孔的侏罗系中统含水层厚度小、采取率较高，因此在这两个钻孔附近富水性弱。

2.2 煤层顶板冒裂安全性分区

泊江海子矿采用立井开拓方式，一次采全高长壁综采，全部冒落法管理项板。3-1号煤层倾角1°～3°，局部10°，可采厚度1.34～7.26 m，平均4.60 m。煤层顶板覆岩岩性主要以粉砂岩、细砂岩和砂质泥岩为主，根据二盘区内30个勘探钻孔资料，采用唐山煤科院方法[8]计算了二盘区内3-1号煤层顶板导水裂缝带高度36.80～158.80 m，3-1号煤层顶板至侏罗系中统底板距离1.07～84.89 m，至白垩系志丹群底板距离217.53～336.29 m，全部钻孔导水裂缝带均沟通至侏罗系中统地层，均未沟通白垩系。

导水裂缝带发育高度是煤层开采顶板涌（突）水灾害发生的基础。综合考虑导水裂缝带高度、主采煤层顶板至主要含水层距离等因素，制定分区评价原则：①以3-1号煤层顶板100 m为界，导水裂缝带发育高度在其上部，评价为危险性大区；②导水裂缝带发育高度在其下部，评价为危险性较大区。

3-1号煤层开采后形成的导水裂缝带全部沟通二盘区侏罗系中统，导水裂缝带高度小于100 m，评定为顶板冒裂危险性较大区（浅色区域），其余导水裂缝带高度大于100 m，评定为顶板冒裂危险性大区（深色区域）（图8）。

图8 3-1煤顶板侏罗系含水层冒裂安全性分区图Fig.8 Zoning map of Jurassic aquifer fracturing safety on No.3-1 coal roof

2.3 煤层顶板涌（突）水条件综合分区评价

煤层顶板充水条件综合分区图（图9）是通过煤层顶板充水含水层富水性分区图和冒裂安全性分区图叠加得到，按照分区原则共分顶板涌水相对危险区、顶板涌水相对较危险区、顶板涌水过渡区、顶板涌水相对较安全区、顶板涌水相对安全区5个区。由图9可知，二盘区煤层顶板涌水危险性由二盘区东、西部逐渐向中部过渡，东、西部为顶板涌水相对危险区，中部W13-3钻孔附近为顶板涌水相对安全区。

图9 3-1煤顶板侏罗系含水层涌（突）水条件综合分区图Fig.9 Comprehensive zoning map of Jurassic aquifer water inflow(outburst)conditions on No.3-1 coal roof

3 防治水措施

通过上述分析，3-1号煤层顶板直接充水水源为侏罗系中统裂隙水，由于回采时顶板直接充水含水层总厚度较大，分布范围较广，静储量大，在生产期间主要以井下疏放为主。此外，还存在侏罗系中统裂隙水通过断层、封闭不良钻孔、天窗地带导入矿坑的风险。因此，针对存在的水害问题要加强矿井、盘区和工作面排水系统建设和维护，确保工作面涌水能够及时排出；超前疏放受采掘破坏或影响的含水层；超前启封封闭不良的钻孔；加强对钻孔、断层和天窗等导水通道的探查与防范。