贺 鑫，吕思图，刘生优，刘海义，潘 涛，陈汉章，曾一凡

（1.神华神东电力有限责任公司，陕西 西安 710076；2.中国矿业大学（北京），北京 100083；3.国源电力有限公司，北京 100033；4.国能信息技术有限公司，北京 100011）

1 概 况

准格尔煤田位于内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗境内，为一近南北向的石炭二叠纪煤田，探明储量达到380 亿t。准格尔煤田于20 世纪90 年代开始进行大规模开发建设，截至2022 年，已经开采或者正在建设的矿井有龙王沟煤矿、酸刺沟煤矿、黄玉川煤矿等。随着煤田内煤矿大规模开发建设，开采工作所面临的水文地质条件也变得越发复杂，尤其是煤层底板岩溶水害成为生产过程中面临的重大隐患[1-4]，为保障工人的生命安全，突水评价工作十分必要。

黄玉川煤矿位于准格尔煤田东部，现开采4 号和6上号煤层，2013 年进行超前探测的过程中在6上煤层发现一直径为3 m 的岩溶陷落柱，探查孔初始涌水量达到了291 m3/h，稳定后涌水量为220 m3/h，经化验涌水水源为奥灰含水层。此次探查情况说明黄玉川煤矿开采过程中面临底板奥灰含水层水害威胁，并且如果揭露导水构造极易产生涌水量较大的突水事故，对煤矿的安全生产造成威胁。为了保证煤矿的安全生产，此次研究选择脆弱性指数法作为水害评价方法，在对黄玉川煤矿地质资料进行分析的基础上提出底板含水层突水影响因素体系，利用层次分析法对各影响因素权重进行赋值，最后的得到研究区奥灰含水层水害评价结果图[5-7]。通过将研究区范围内已经存在的突水点投放至评价结果图的方法进行验证，最终根据分布结果验证结果的准确性。

2 研究区情况

黄玉川煤矿位于准格尔煤田中部，行政区划隶属于准格尔旗长滩乡和薛家湾镇管辖。煤矿北距薛家湾镇20 km，至呼和浩特市约120 km，向西至鄂尔多斯市约150 km。煤矿东与石岩沟、青春塔煤矿相邻，北邻酸刺沟煤矿，南靠长滩煤矿，西以南部详查区为界，如图1 所示。井田为一多边形，东西长约8.9 km，南北宽约5.5 km，面积约42.679 4 km2。

图1 黄玉川煤矿相对位置Fig.1 Relative position of Huangyuchuan Mine

准格尔煤田地层沉积序列与华北石炭二叠纪各煤田基本相似，地层区划属于华北地层区、鄂尔多斯地层分区、准格尔地层区，属晚古生代石炭二叠纪煤田。黄玉川井田大部分被第四系黄土和风积砂所覆盖，只有局部的梁顶或冲沟中才有基岩出露，但仅为非煤系地层。根据地表出露及钻孔揭露，井田地层层序自下而上为下奥陶统亮甲山组、中奥陶统马家沟组，中石炭统本溪组、上石炭统太原组，下二叠统山西组、下石盒子组，上二叠统上石盒子组、石千峰组，第三系上新统，第四系上更新统及全新统的近代沉积[8-12]。

研究区为鄂尔多斯黄土高原的一部分，黄土广泛覆盖，厚度大，部分为风积砂覆盖，植被致密。由于受水流风蚀等影响，井田内沟谷纵横交错，沟谷呈树枝状，十分发育。井田内地形基本呈东部高西部低形态，海拔最高为+1 292.2 m，最低为+1 030 m，相对高差262.2 m。

3 奥灰承压含水层水害分析

研究区正在开采4 号和6上煤层，4 号煤层距离下伏奥灰含水层平均间距约125 m，6上煤层距离下伏奥灰平均间距约61 m，图2 展示了三者相对位置，开采方法为大采高分层综采。2013 年1 月在216上01 面原回撤通道探查出陷落柱，其在6上煤层中陷落直径约3 m 并导通奥灰水，探查钻孔初始涌水量达291 m3/h，稳定后涌水量为220 m3/h；2016 年2 月—4 月在二水平南翼大巷DF6 断层带区域，探查发现DF6 断层带导通底板奥灰水，12个探查钻孔初始涌水量总计达280 m3/h，稳定后涌水量为200 m3/h（后通过注浆工程改造大巷底板，安全顺利通过），说明奥灰水一旦导通，其出水量较大。而矿井自生产以来，6上煤综放工作面带压回采区均未出现导通奥灰水现象。因此在底板隔水层完整的情况下，6上煤开采不受奥灰水害影响；在导水构造发育地区，隔水层基本失去隔水能力，6上煤开采部分地段受奥灰水害影响[13-14]。

图2 研究区开采煤层与含水层相对位置示意Fig.2 The relative position of mining coal seam and aquifer in the study area

煤层底板带压是底板突水的前提。如果煤层带压开采，那么煤层在开采过程中才有可能发生底板突水；如果煤层不带压开采，即使形成导水通道，煤层在开采过程中也不会发生底板突水。为确定研究区范围内的带压区域，通过对比目标煤层底板标高和奥灰含水层水位标高，分别得到4 号和6上煤层底板带压分布，如图3 所示。

图3 煤层带压区范围分布Fig.3 The range distribution of coal seam pressure zone

结合研究区地质资料与已有涌水情况可知，研究区内部分区域由于奥灰含水层水位标高高于煤层底板标高将会处于带压开采状态，并且断层与陷落柱可能成为奥灰含水层突水通道，因此在评价过程中将含水层和隔水层作为影响因素的同时也要将断层和陷落柱考虑其中。研究区水害类型分析如图4所示。

图4 研究区水害类型分析Fig.4 Analysis diagram of water damage types in the study area

4 基于AHP 型脆弱性指数法的多煤层底板突水危险性分区

为对研究区煤层底板奥灰突水危险性进行准确评价，此次研究选择基于AHP 型脆弱性指数法，与传统评价方法相比，脆弱性指数法可以更全面的考虑底板突水的影响因素，对底板突水进行科学合理的评价[15-19]。

4.1 影响因素的确定和专题图的绘制

影响底板突水的因素众多，并且各因素之间存在一定关系，因此选择合理的煤层底板突水影响因素决定了评价结果的准确性[20]。通过分析黄玉川煤矿的地质资料，确定了研究区煤层底板突水影响因素：①奥陶系灰岩含水层水压；②奥陶系灰岩含水层富水性；③有效隔水层等效厚度（4 号、6上）；④矿压破坏带下脆性岩厚度（4 号、6上）；⑤陷落柱分布；⑥断层与褶皱分布；⑦断层规模指数；⑧构造交点和端点分布[21]。

根据收集的钻孔及其他地质资料，绘制各影响因素专题图，如图5 所示。

通过研究范围内奥灰含水层顶界面标高与水位高度绘制出了煤层底板隔水层承受奥灰含水层水压的专题图（图5a）。通过专题图可以看出，研究区范围内煤层底板隔水层所承受水压为0.86～3.85 MPa，呈现由西向东递减的趋势，西部边界区域水压最高，东部边界最低。

作为最能体现目标含水层富水性的指标，此次研究选择单位涌水量进行专题图的绘制（图5b），研究中的单位涌水量指的是钻孔孔径91 mm，抽水时水位下降10 m 时的涌水量，单位涌水量越大，该区域的含水层富水性越强。通过专题图可以看出，研究区域范围内含水层富水性呈现由北向南逐渐减弱的趋势，北部边界区域单位涌水量最大为0.007 5 L/s·m。

有效隔水层厚度指的是在未受矿压破坏范围内隔水层的等效厚度，矿压破坏带深度由研究区现场试验得出。由于隔水层是由多种岩石组成的，各种岩石的隔水能力并不相同，为了考虑不同岩石的隔水能力，此次研究采用中国矿业大学（北京） 提出的等效换算系数，对未受到矿压破坏影响区域的隔水层进行厚度换算，最后分别得到了4 号和6上煤层底板有效隔水层等效厚度的专题图（图5c、图5d）。通过专题图可以看出，4 号煤层底板有效隔水层等效厚度较大，最厚处可达114 m，而6上煤层隔水层厚度则相对较薄，最薄处仅为14 m。两煤层的隔水层等效厚度变化趋势相似，均为中间薄两边厚。

矿压破坏带下脆性岩厚度是指不受矿压破坏带影响的隔水层中脆性岩的厚度。隔水层中存在砂岩、灰岩等脆性岩，其岩性坚硬、抗压能力强，阻水抗压作用也就比较强，但当脆性岩的完整性受矿压破坏带影响时将失去阻水能力（图5e、图5f）。通过专题图可以看出4 号煤层矿压破坏带下脆性岩厚度较厚，而6上煤层则相对较薄，最薄处位于研究区西北边界，仅4 m。

地质构造对水害防治存在极大影响，它不但可以破坏隔水层完整性，拉近煤层与隔水层距离，也可以充当突水通道，对开采工作存在严重威胁。由于地质勘探工作的局限性，研究区范围内东部地区地质构造资料较为全面，因此与地质构造相关的专题图绘制仅限于研究区东部，由于陷落柱数量较少，因此将所有地质构造分布情况整合为一张图。由于地质构造在空间上形成交叉点，这些交叉点与断层端点岩体裂隙发育，应力也较集中，导水性能好，当受到开采影响时容易发生突水，因此也在专题图中进行考虑（图5g、图5h）。

断层规模指数指的是单位面积内断层长度和落差乘积，它的值越大，代表这个区域内的断层发育程度越好，该区域存在突水的可能性越大。通过专题图可以看出，研究区范围内断层规模指数与断层分布趋势基本相同（图5i）。

4.2 影响因素权重的确定

在确定黄玉川矿煤层底板突水影响因素的基础上，建立AHP 层次分析结构模型，通过专家打分的方式对各影响因素进行评分。模型的目标层（A层次） 为煤层底板突水脆弱性指数；模型的准则层（B 层次） 为解决问题的中间环节，含水层（B1）、底板隔水层（B2）、地质构造（B3） 决定了突水的可能性，但B 层次因素影响方式还需通过与其相关具体因素（如含水层通过水压和富水性两个指标） 来体现；而各个具体的突水影响因素指标则构成了该模型的决策层（C 层次），通过C 层的决策来求解目标层，如图6 所示。

图6 层次分析结构模型Fig.6 Analytical hierarchy process structure model

通过各组矩阵计算出λmax，Ci 与CR，存在的CR 值都小于0.1，判断矩阵通过一致性检验。表1 展示了利用层次分析法所计算出的影响因素权重值。

表1 影响煤层底板奥灰含水层突水各影响因素的权重Table 1 Weight of each influencing factor of water outburst from Ordovician limestone aquifer in coal seam floor

4.3 煤层底板突水脆弱性分区

引入脆弱性指数VI的初始模型来对煤层底板突水危险性进行评价。脆弱性指数定义为某一地区的某一地段的某一栅格位置上的各种影响因素对其产生的叠加影响总和。可用以下模型公式表示：

式中：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为地理坐标；n为影响因素的个数。

根据表1，在黄玉川4 号、6上煤层底板奥灰含水层突水危险性评价中各影响因素权重值分别为W1=0.275 1、W2=0.137 5、W3=0.218 3、W4=0.109 2、W5=0.077 4、W6=0.064 0、W7=0.054 5、W8=0.064 0。由此可以得出黄玉川矿4 号、6上煤层底板奥灰灰岩含水层突水危险性评价模型为：

通过自然分级法对隔水性指数进行处理，可以得到最佳的5 级分级结果。各级阈值分别为0.341 0、0.415 9、0.478 7、0.555 6，底板突水脆弱性指数越大，突水的危险性也就越大。黄玉川煤矿底板奥灰突水危险性评价分区如图7 所示。

图7 黄玉川煤矿底板奥灰突水危险性评价分区图Fig.7 Assessment zoning diagram of Ordovician limestone water outburst risk in floor of Huangyuchuan Mine

从图7 可以看出，在黄玉川矿矿区范围内4 号煤层底板奥灰含水层突水的可能性较小，大部分区域为较安全区和相对安全区，在西北部的小范围区域为较危险区，这是因为该区域范围内奥灰水压相对较大，但有效隔水层等效厚度及矿压破坏带下脆性岩厚度相对较小导致的。

6上煤层底板奥灰含水层突水的可能性较大，在矿区内大部分区域为过渡区、较危险区以及危险区，东北部构造发育的区域与西部区域部分属于较危险区。产生这种结果的原因是，从整体上看，6上煤层底板到奥灰含水层距离平均有65.49 m，有效隔水层等效厚度平均仅有22.85 m，虽然东北部6上煤层底板有效隔水层等效厚度与脆性岩厚度均相对较大，但是此区域范围内地质构造发育，多断层与陷落柱，因此发生突水的可能性相对较大；矿区的西部由于未进行详细勘察的原因导致对地质构造情况不清楚，但是由于6上煤层底板的隔水层较薄，水压较大，因此开采过程中可能发生奥灰含水层突水事故。相比6上煤层，4 号煤层底板距奥灰含水层顶部距离较大，发生突水可能性较小。

为验证评价结果的准确性，在6上评价结果图中寻找曾经发生奥灰含水层涌水情况的位置，如图8 所示。根据图8 可知，曾发生涌水情况的216上01 面原回撤通道导水陷落柱与导通奥灰水的二水平南翼大巷DF6 断层均位于较危险区中，说明评价结果具有一定准确性，由于研究区范围内没有更多奥灰含水层突水点，因此此次研究也选择了具有特征的钻孔进行辅助验证来保证模型的准确性。

图8 黄玉川煤矿底板奥灰突水危险性评价分区验证Fig.8 Assessment zoning verification of Ordovician limestone water outburst risk in floor of Huangyuchuan Mine

5 结 论

（1） 通过对研究区范围内奥灰水位和目标煤层底板标高的分析，得到了黄玉川矿4 号和6上煤层底板带压分布图，为后续评价提供条件。

（2） 通过分析黄玉川矿的地质资料，选定断层规模指数、断层与褶皱分布、断层与褶皱交端点分布、陷落柱分布、有效隔水层脆性岩厚度、有效隔水层厚度等效厚度、奥灰富水性、水压8 个主控指标，构建了黄玉川矿4 号和6上煤层底板突水多因素主控指标体系，对未来黄玉川矿井田内其他层位煤层的开采或周围其他矿井的开采，选取底板突水主控指标具有一定参考价值。

（3） 使用层次分析法（AHP） 得到各影响因素的综合权重，建立了煤层底板突水评价的危险性评价模型。并利用自然分级法对研究区进行评价分区，将研究区分为危险区、较危险区、过渡区、较安全区和相对安全区，其中危险区与较危险区多分布在6上煤层，安全区与较安全区多分布在4 号煤层。利用研究区范围内已经存在的突水点进行验证发现突水点均位于较危险区范围内，证明评价结果可靠。