横沟井田山西组煤层底板突水危险性评价

横沟井田山西组煤层底板突水危险性评价

崔凯

（陕西榆林能源集团资源开发有限公司，陕西 榆林 719200）

摘要：横沟井田煤层埋藏较深，煤层开采受底板太原组灰岩岩溶裂隙及砂岩裂隙含水层水、奥陶系灰岩岩溶含水层水威胁较大，为预测山西组煤层底板突水危险性，采用“突水系数法”和“脆弱性指数法”分别对井田山西组煤层底板突水危险性进行了评价，通过横向比较和分析，最终确定采用脆弱性指数法的评价结果。

关键词：横沟井田；煤层底板突水；突水系数法；脆弱性指数法

0引言

煤炭资源是我国主要的能源，随着煤层开采深度增加和强度加大，煤层顶底板突水的威胁愈发严重[1]。为有效防范底板突水危害，保障煤矿安全生产，开展煤层底板突水危险性评价工作迫在眉睫[2，3]。目前常用的底板突水危险性评价方法有“关键层”理论[4]、灰色系统理论、突水系数法[5]、“下三带说”[6]、“强渗流说”[7]、“岩-水应力关系说”[8]、 五图-双系数法[9]、脆弱性指数法[10，11] 、Logistic回归( LR )[12]等。

横沟井田位于鄂尔多斯盆地东缘、黄河西岸的吴堡矿区，横沟井田煤层埋藏较深，随着煤炭开采深度的增加，煤层开采受太原组灰岩岩溶裂隙及砂岩裂隙含水层、奥陶系灰岩岩溶含水层的突水威胁加大。本文以 “突水系数法”和“脆弱性指数法”分别对井田山西组煤层底板突水危险性进行评价预测，以期为后续煤层开采及水害防治工作提供依据和指导。

1研究区地质概况

横沟井田位于陕西省榆林市吴堡县北7km，行政区划隶属吴堡县管辖，井田处于鄂尔多斯盆地边缘地带，为一套地层走向近南北、倾角4～7°、向西缓倾的单斜层。井田规划开采煤层仅为山西组S3、S2、S1号煤层，其累计厚度0.88～7.96m。山西组煤层的底板充水水源有山西组K3砂岩裂隙水、太原组灰岩岩溶裂隙及砂岩裂隙承压水和奥陶系灰岩裂隙岩溶水。正常情况下S组煤层下部K3砂岩裂隙水不会对矿井开采造成较大影响。

2底板突水危险性评价

由于S3、S2、S1号煤层为近距离开采煤层群，因此统一按照S1号煤层进行太原组灰岩水、奥陶系灰岩水底板突水危险性评价。

2.1突水系数法

突水系数法反映的是煤层底板单位隔水层厚度所承受的水头压力，突水系数越大，发生煤层底板突水的危险性越大。

计算公式如下：

                                                                     （式2-1）

式中：Ts-突水系数（MPa/m）；

P-煤层底板隔水层承受的水压（MPa）；

M-煤层底板隔水层厚度（m）。

井田构造简单，大部区域煤层底板未遭构造破坏，故临界突水系数选择：正常块段0.10MPa/m、受断裂破坏块段0.06MPa/m。

（1）S1号煤层太灰突水危险性评价

隔水层底板承受的水头压力4.48～8.69MPa，隔水层厚度21.23～38.96m，计算的S1号煤层底板太灰水突水系数0.155～0.409MPa/m，均高于正常块段突水系数临界值0.10MPa/m。

（2）S1号煤层奥灰突水危险性评价

隔水层底板承受的水头压力6.57～9.91MPa，隔水层厚度114.52～149.96m，计算的S1号煤层底板奥灰水突水系数0.049～0.072MPa/m，划分为突水安全区、突水过渡区、突水危险区。

2.2脆弱性指数法

1）层次分析法（AHP）模型

根据影响横沟井田底板突水的主控因素分析，把研究对象划分成为3个层次，构建了横沟井田煤层底板突水危险性评价模型（图2-1）。

2）确定主控因素权重

运用“征集专家评分”的方法，构建判断矩阵，再经过调整和计算，最终获得影响煤层底板突水各主控因素的权重，最终各因素对A的影响权重见表2-1。

表2-1影响底板突水各主控因素的权重

3）突水危险性分区与评价

在进行主控因素叠加之前，用归一化处理后的主控因素对各个栅格进行表征，不同主控因素在栅格上的表征值（Ei）与对应的权重（Wi）之积的和，即为此网格的脆弱性指数K。

                                                                   （式2-2）

（1）山西组煤层底板太原组含水层突水脆弱性评价分区

太原组含水层突水脆弱性分区阈值分别为0.310、0.364、0.406、0.466。脆弱性指数如果越大，则突水可能性也越大。依据分级阈值把研究区域划分成为五个区域（底板突水脆弱区、底板突水较脆弱区、底板突水过渡区、底板突水较安全区、底板突水安全区）。太原组含水层突水危险性主要呈现由北向南的过渡态势，突水脆弱区主要分布在井田北侧。

（2）山西组煤层底板奥陶系含水层突水脆弱性评价分区

奥陶系含水层突水脆弱性分区阈值分别为0.243、0.292、0.356、0.414。脆弱性指数如果越大，则突水可能性也将越大。依据分级阈值把研究区域划分成为五个区域。井田北部主要为较脆弱～脆弱区，南部及中部大部分区域为过渡区，东南部主要为较安全～相对安全区。

3评价结果的对比分析

突水系数法是考虑构造破坏地段与正常地段的差异性，明确两种区域的临界值，考虑因素较少，但本方法的临界值是经过多年多地区矿山开采确定的，具有一定的实践指导性。

脆弱性指数法是以多元信息集成理论为理论基础，利用GIS 的强大的空间信息处理能力为技术支撑，综合考虑了含水层水压、富水性、地质构造等对底板突水危险性的影响，主控因素考虑全面，评价结果可靠程度高。

以上两种评价方法均认为井田西北部的底板突水危险性大于东南部。经过对比分析，脆弱性指数法考虑因素更全面，划分的评价区域更详细具体。

4结论

煤层底板突水是一个由多种主控因素影响、控制的一个复杂问题，通过横向比较和分析，横沟井田山西组煤层底板突水危险性评价分区最终确定采用脆弱性指数法的评价结果。

参考文献

 [1]武强, 涂坤, 曾一凡, et al. 打造我国主体能源(煤炭)升级版面临的主要问题与对策探讨[J]. 煤炭学报, 2019, 44(06): 1625-1636.

[2]武强. 我国矿井水防控与资源化利用的研究进展、问题和展望[J]. 煤炭学报, 2014, 39(05): 795-805.

[3]Zhaodan C, Qixiong G, Zhen H, et al. Risk assessment of fault water inrush during deep mining[J]. International Journal of Mining Science and Technology, 2022, 32(2)

[4]李利平, 李术才, 崔金声. 岩溶突水治理浆材的试验研究[J]. 岩土力学, 2009, 30(12): 3642-3648.

[5]乔伟, 李文平, 赵成喜. 煤矿底板突水评价突水系数–单位涌水量法[J]. 岩石力学与工程学报, 2009, 28(12): 2466-2474.

[6]刘宗才, 于红. “下三带”理论与底板突水机理[J]. 中国煤田地质, 1991, (02): 42-45.

[7]孙明贵, 李天珍, 黄先伍, et al. 基于层状岩体渗流失稳条件的煤矿突水机理[J]. 中国矿业大学学报, 2005, (03): 284-288+293.

[8]施龙青. 底板突水机理研究综述[J]. 山东科技大学学报(自然科学版), 2009, 28(03): 17-23.

[9]李建林, 陈国胜, 张波, et al. 基于五图双系数法的煤层底板突水危险性评价[J]. 河南理工大学学报(自然科学版), 2017, 36(02): 30-34+40.

[10]武强, 张志龙, 张生元, et al. 煤层底板突水评价的新型实用方法Ⅱ——脆弱性指数法[J]. 煤炭学报, 2007, (11): 1121-1126.

[11]Li J-l, Wang S-w, Wang Y, et al. Water Inrush Risk Assessment of Coal Floor After CBM Development Based on the Fractal-AHP-Vulnerlability Index Method[J]. Geotechnical and Geological Engineering, 2021, (prepublish)

[12]Qiqing W, Yuxiang L, Wenping L, et al. GIS-based evaluation of water-inrush risk from coal floor using logistic regression and certainty factor models[J]. Arabian Journal of Geosciences, 2022, 15(3)