赵官井田10煤层底板突水危险性评价_邱梅.pdf

第43卷第3期 2015年6月 煤田地质与勘探Vol. 43 No.3 Jun. 2015 COALGEOLOGY 2.山东省沉积成矿作用与沉积矿产 重点实验室，山东青岛266590;3.山东新矿赵官能源有限公司，山东德州251113 摘要从地质构造、含水层、隔水层、开采条件等方面详细分析了赵官井田10煤层底板交水的影 响因素，确定了断层强度指数、袖’皱分维值、“底板充水含水层组”水压、“底板充水含水层组”富 水性、奥灰富水性、隔水层厚度、泥岩比率、底板破坏深度8个主控因素作为10煤层底板突1J..危 险性评价的决策指标，并建立了各主控因素专题图；运用层次分析法（AHP）确定了各主控因素的权 重系数，建立了基于“脆弱性指数法”的底板突水危险性评价模型，对10煤层底板突水危险性进行 了定量评价，结果表明在井田的南部煤层露头处脆弱性指数小，交水可能性较小；在井田的北 部，特别是在井田东北部，脆弱性指数大，突水危险性较大。 关键词煤层底板突水；危险性坪价；脆弱性指数；层次分析法 中图分类号TD745文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.1001-l 986.2015.03.012 uation of water inrush risk for No.10 coal seam floor。fZhaoguan mine field Q町Mei1, SHI Longqing12, TENG Chao 1, XING Ton回u1,YUFang3 1. Shandong Provincial Key Laboratory of Depositional Mineralization 2. College of Geological Sciences 3. Zhaoguan Energy Co., Ltd,Xinwen Mining Group, Dezhou 251113, China Abstract The main factors influencing the water inrush of seam floor are studied based on geologic structure, aq- uifer, aquiclude and mining conditions. Eight parameters are taken as inds for forecasting the water inrush risk, including fault intensity index, fold fractal dimension, water pressure, water abundance of “lower aquifers”,water abundance of Ordovician limestone, aquiclude thickness, the percentage of mudstone and the depth of destroyed floor caused by coal mining. The paper uses analytic hierarchy process AHP to sequence the main con- trolling factors, and then to establish the vulnerability index for uating water inrush risk in the floor of coal seam 10. The uation results show that the value of vulnerability index and water inrush risk are small in the southern part and high in the north卢astof the minefield. Key words water inrush of coal seam ,floor; risk uation；刊lnerabilityindex; analytic hierarchy process 赵官井田位于山东省黄河北煤田的中西部，为 一走向北东、倾向北西的单斜构造。井田内发育少 量断层、次级节理及榴曲，并有三层岩浆岩侵入。 赵官井田为全隐蔽的华北型石炭－二叠系井田，含煤 地层为石炭二叠系的太原组和山西组，平均总厚度 260.85 m。其中山西组含煤1-4层，均为不稳定煤 层，仅4煤层局部可采；太原组共含煤12层，其 中可采煤层4层（7、10、11、13煤层）。井田内的 含水层有第四系砂砾层、新近系砂砾层、山西 收稿日期2014-03-21 组砂岩、太原组一至五灰、徐灰和奥陶系灰岩， 1～3层岩浆岩。 研究区目前开采7煤层，随着开采逐步向深部推 进，7煤层开采已经不能满足煤矿的生产需要，10 煤层开采不仅关系到安全生产问题，而且涉及到煤矿 可持续发展的经济效益。本文主要研究10煤层开采 受水威胁情况，10煤层开采涉及到的底板含水层主 要有四灰、五灰和下层岩浆岩含水层组，下文中简称 “底板充水含水层组”。 基金项目教育部高等学校博士学科点专项科研基金（20133718110004）；青岛经济技术开发区重点科技发展计划项目 2013-1-62）；山东省自然科学基金重点项目（ZR2011EEZ002）；山东科技大学科研创新团队支持计划资助 20 l 2KYTD 10 l 作者简介邱梅（1987一），女，山东诸城人，博士，从事矿井水害防治方面的研究E-mailskdqiumei 引用格式邱梅，施龙青，滕超，等．赵官井田10煤层底板突水危险性评价［J］.煤田地质与勘探，2015,433 61-65. ChaoXing 第43卷煤田地质与勘探 62 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 000卜寸。叮 ocom寸。叮 OOOBmu -- y 图2裙皱分维值专题图 Fig.2 The fold仕actaldimension isoline 突水点涌水持久性，而含水层水压是底板突水的动 力，决定突水与否及突水量大小［4）。 赵官井田10煤层底板充水含水层为四、五灰和 下层岩浆岩含水层组；10煤层距奥灰百余米，对10 煤层影响不大，但据抽放水资料，“底板充水含水层 组”与奥灰有比较密切的水力联系。因此选取“底板充 水含水层组”水压，“底板充水含水层组”富水’性、强 水源补给（奥灰富水性）3个含水层参数。本文选取 2009-2012年水压平均值作为计算依据，生成“底板 充水含水层组”水压专题图（图3）；根据漏水钻孔分布 及水量情况，以漏水钻孔与不漏水钻孔中间插值法求 得其分界线，分为富水性弱区域和富水强区域，并分 别定量赋值为1 、2，以此生成“底板充水含水层组” 富水性专题图（图4）；根据研究区水文地质资料及文 献川中对奥灰含水层单位涌水量与埋深的相关研 究，生成奥灰富水性专题图（图5）。 20456000 1.1 主控因素分析及确定 控制10煤层开采的底板突水因素很多，通过对 赵官煤矿地质及水文地质条件、开采条件、突水规律 和现有勘探程度等资料分析，在主控因素的选择及数 据采集过程中，主要考虑4个方面地质构造因素、 含水层因素、隔水层因素、开采因素。 1.1.1 地质构造因素 地质构造，尤其是断裂构造和岩溶陷落柱，是引 起煤矿开采过程中底板突水的主要因素之一。地质构 造特别是断裂构造，对导水裂隙的形成，含水岩层的 变形破坏，地下水的径流、补给、排泄条件，以及井 田的水文地质条件都起着至关重要的作用。断层容易 引起突水，主要原因是一方面它破坏了底板岩层的 完整性，降低了岩层的强度，使底板岩层容易破坏， 出现导水裂隙；另一方面它缩短了煤层与对盘含水层 之间的距离，降低了隔水层的有效厚度，导致突水［I）。 赵官井田地质构造以断层为主，榴皱次之，未发 现岩溶陷落柱。采用断层强度指数［2）（单元面积内所 有断层的延伸长度与其落差的乘积之和）和榴皱分维 值［3）作为指标对井田构造进行评价；在10煤层底板 等高线图上，按1000 mxl 000 m的大小建立单元网 格，统计单元网格内所有断层长度及落差并提取网格 中心坐标，利用sufer软件生成断层强度指数专题图 （图1）；利用同样的方法，统计单元网格内榴皱轴线 生成榴皱分维专题图（图2）。 10煤层底板突水主控因素的确定及量化1 9.5 8.5 7.5 6.5 5.5 4.5 3.5 2.5 水压 /MP a 20456000 20460000 20464000 图3底板充水含水层组水压专题罔 The contour map of water pressure of“lower aquifers“ ooch啡。寸 coom叮O守 nu。。rOAUT句，＆nuoofOAAT 句，‘ 气，华 ZEE －－ i’tnυAυAυAU EE -- AUnununununυnUAUAυAUnυ 20464000 图l断层强度指数专题图 Fig. I The fault intensity index map 20460000 20456000 OOO －川寸。咕DDOB －uO叶飞 OODEmo寸 Fig.3 1.1.2 含水层因素 含水层因素包括含水层富水性和水压，是底板突 水的重要影响因素；含水层的富水性是突水的物质基 础，其富水程度和初始条件决定了突水水量大小和 ChaoXing 63 OOOMU寸。叮OODEmo寸 ，、“，、dζJ ，、，，、dh、d，、d 。。句’ ’rOF2，“『1d － 15 厚度Im 邱梅等赵官井田10煤层底板突水危险性评价 ooch－寸。寸coon寸。寸DDCBmO叮 第3期 DOCkh啡。苛 20464000 图6隔水层厚度专题图 Fig.6 Thickness contours of aquiclude 20460000 20456000 20464000 图4底板充水含水层组富水性专题图 Fig.4 The distribution map of water abundance of lower aquifers’ 20460000 20456000 AWJOXU『，，rnvp、Jda，句、d叫fh’Ea nυnununUAUnunυnUAU ooch寸。寸ocom寸。－y ODDEmo - Y 20464000 图7泥岩比率专题图 Contour map of the percentage of mudstone Fig.7 没有底板破坏深度的实测资料，所以采用以下三个公 式计算底板破坏深度 h0.700 70.107 9L 1 h0.303L08 2 h0.008 5HO.l66 5α＋0.107 9L-4.357 9 3 式中h为底板导水破坏带深度，m;L为开采工作面 斜长，m;H为开采深度，m；α为煤层倾角。 赵官井田工作面斜长取150m, 10煤倾角平均 7。，开采深度根据钻孔资料，按三个公式计算后取均 值，生成10煤底板破坏深度等值线专题图（图的。 1.2 主控因素量化 综合以上分析，确定了8个主控因素作为10煤 层底板突水危险性评价的决策指标，分别为断层强度 指数、榴皱分维值、“底板充水含水层组”水压、 20460000 20456000 Fig.5 1.1.3 隔水层因素 隔水层的阻抗水能力是底板突水中的一个重要 参数，其与隔水层厚度、隔水层岩性和岩性组合有密 切关系。赵官井田10煤层与“底板充水含水层组”之 间的隔水层岩性组合为砂泥互层型，抗水能力较好， 但井田内不同区域的泥岩比率不同，使得其隔水能力 不同。因此选取隔水层厚度、泥岩比率作为隔水层阻 抗水性能的评价指标，根据研究区积累的大量勘探钻 孔柱状图进行统计，生成隔水层厚度专题图（图6）和 泥岩比率专题图（图7）。 1.1.4 开采因素 煤层开采形成的矿山压力是底板突水的诱导因 素，其主要作用是对底板的破坏［5］。由于赵官井田 单位涌水量 ／亿（ms）η 飞20464000 图5奥灰富水性专题图 The distribution map of water abundance of Ordovician limestone 16l616l6l 43322lloo DDDh寸。寸 ocomh寸。寸DDDEmo寸 20460000 20456000 ChaoXing 第43卷 0004 山mUO 叮 煤层底板破坏深度 G 图910煤层底板突水危险性评价层次结构模型 Fig.9 AHP of water inrush risk assessment of 10由coalseam floor 泥岩比率 G 隔水层厚度 G 奥灰富水性G 底板充水含水层组富水位G 底板充水含水层组水压G 裙皱分维值 G 断层强度指数 G C层次 煤田地质与勘探 18.1 17.9 17.7 17.5 17.3 17.1 16.9 16.7 16.5 16.3 底板破坏 深度Im 64 ooch啡。寸OOOR寸。咕 开采因素（B4）；模型的决策层（C层次）为8个具体的 主控因素，分别为断层强度指数（C1）、榴皱分维值 C2）、“底板充水含水层组”水压（C3）、“底板充水含水 层组”富水性（C4）、奥灰富水性（Cs）、隔水层厚度（C6） 、 泥岩比率（C1）、煤层底板破坏深度（Cs）。 2.1.2 构造AHP判断矩阵并确定权重 根据各主控因素对底板突水的影响程度，采用 “专家评分”的方法对各主控因素进行打分，采用九级 标度法［8］，给出每个因素的量化分值，由此建立10 煤层底板突水AHP评价的判断矩阵（表l一表4）。在 通过层次单排序一致性检验后，则可建立层次总排序 （表5）。由此确定8个煤层底板突水主控因素Ci-Cs 的权重值分别为0.068、0.022、0.146、0.146、0.073、 0.273、0.091、0.181。 20464000 图8底板破坏深度专题图 The depth of destroyed floor caused by coal mining 20460000 20456000 Fig.8 “底板充水含水层组”富水性、奥灰富水性、隔水层 厚度、泥岩比率、煤层底板破坏深度。其中，隔水 层厚度、泥岩比率2个因素与底板突水危险性的大 小成反比关系，即为逆向指标，其余6个因素为正 4 i 1,2,-,n 表1判断矩阵A-B层次 Table 1 The judge matrix from A to B B, B2 B3 B町AIB, I 1/4 1/4 1/2 O.o91 4 I I 2 0.364 4 I I 2 0.364 2 1/2 1/2 I 0.181 最大特征值Amax4，单层次排序通过一致性检验 A － AD町岛仇 5 i 1,2,,n b-ax; -minx; a maxx; -minx; 对于逆向指标采用式（5）进行量化 A; b-amaxx;-x; ＋α maxx; -minx; 式中A，为归一化处理后的数据；α，b为归一化范围 的下限和上限，本文取0.1、0.9;X；为采集到的原始 数据；minx；）为各主控因素量化值的最小值；maxx; 为各主控因素量化值的最大值，n为样本个数。 2 水危险性评价层次结构模型（图9）。研究对象即模型 的目标层（A层次）为煤层底板突水危险性评价；模型 的准则层（B层次）包含4个指标，分别为地质构造因 素（BI）、含水层因素（B2）、隔水层因素（B3）、 ChaoXing 65 表4判断矩阵BrC层次 Table 4 The judge matrix from B3 to C Bi C6 C1 WBiC, C6 I 3 0.750 C7 1/3 I 0.250 最大特征值Amax2，单层、次排序通过一致性检验 邱梅等赵官井回10煤层底板突水危险性评价 ooohh啡。－Y 第3期 ocon －qD 寸 表5层次总排序 Table 5 The level of total order 0.60 0.50 0.55 0.45 0.40 0.35 0.30 OOOAMmo -v 20456000 图1010煤层底板突水脆弱性指数等值钱图 Fig.10 The vulnerable index map of water inrush in IOh coal seam floor 验 nw－。。句’－κυζuq3 ’31 且’ A －M肝』 h川－au句，＆A丛 YA吨句，吁’ ny。。－ιt lA二ρρ11ρ2ρ1 －h 乍 刷一00000000一致 一一过 一一通 忡忡一 ω一序 。一 ρ一排 IM -- B 一一总 一一次 4 一一层 ζυ－ AUAU 一 。一 72 －1 ，扩－ 00 －O B -- －－句 F 4 一－ 0 6 － 000 一（ ’ 3 - AUAUAU - nu o － 442 一一－ uc－ 00 。一 α B 一一一一率 ’ι －－ b心 而明－OVAU －－← t I －55 A －L 忆 。υ－匀，呼 ， “－ h呆 B 一一 ，μ －00 一斗 －u训。 GGGGGGGG 一随 A 因素的影响权重。 b.运用“脆弱性指数法”对10煤层底板突水危险 性进行了定量评价，为10煤层安全开采提供了理论 依据。 脆弱性评价模型的建立 利用“脆弱性指数法”对煤层底板突水危险性进 行评价，该模型表示为［9-10] 2.2 参考文献 [I］李娜娜赵官煤矿下组煤底板突水预测及防治技术研究[DJ.青 岛山东科技大学，2011. [2］邱梅，施龙青，滕超，构造预测与定盘评价模型的构建及应 用［J］.煤矿安全，2013,449 7一10. [3] QIU Mei, SID Longqing. Study on geological structural charac- teristics in Zhaoguan Mine Field[J]. Applied Mechanics and Mate- rials, 2012, 229/231 2729一2732. [4］施龙青，魏久传，于小鸽，等．基于信息融合的底板突水预 测［M］.徐州中国矿业大学出版社，200980-87. [5］孙姿姿，王中华，孙燕青，等．煤层底板破坏流固藕合数值模 拟［J］.煤田地质与勘探，20日，41355- 58. [6］吕伟，胡荣华．基于AHP法的侵蚀离子对水泥土桩强度影响研 究［J］.煤田地质与勘探，2014,423 65-67. [7］崔连训，邵先杰，重新秀，等煤层气井评价指标体系及评价 方法［巧煤田地质与勘探，2014,423 26-30. [8］施龙青，邱梅，韩进，等．矿井地质构造定盘化预测［M］.北京 煤炭工业出版社，2014171-172. [9］武强，张志龙，马积福．煤层底板突7.Jc评价的新型实用方法 I一一－主控指标体系的建立[J］，煤炭学报，2007,321 阿＝IWk.fi山，y 式中VJ为脆弱性指数；既为第k个主控因素的权重； Jicx,y）为第k个主控因素归一化后影响值函数；（x,y 为地理坐标；n为影响因素个数。 由此得出赵官井田10煤层底板突水脆弱性指数 法评价模型为 VI 0.068λ（x,y 0.022/2 x,y 0.146元（x,y 0.146儿巾，y 0.073/5x,y 073/6x,y 0.091β（x,y 0.181/8x,y 评价结果分析 根据底板突水危险性评价模型式（7）绘制10煤层 底板突水脆弱性指数等值线图（图10）。由图10可以 看出，赵官井田10煤层底板突水危险性指数为 0.31～0.64；在井田的南部煤层露头部位，10煤层底 板突水脆弱性指数小，突水的可能性小；在井田的中 北部和西北部，脆弱性指数变大，突水危险性增大； 在井田的东北部，脆弱性指数最大，煤层底板突水的 可能性最大。 6 7 2.3 42-47. [10］武强，张志龙，张生元，等．煤层底板突水评价的新型实用 方法II一一脆弱性指数法［J］.煤炭学报，2007,3211 （责任编辑张宏） 1121-1126. 结论 a.通过对赵官井田10煤层底板突水的影响因素 进行分析，确定了断层强度指数、榴皱分维值、“底 板充水含水层组”水压、“底板充水含水层组”富水’性、 奥灰富水性、隔水层厚度、泥岩比率、底板破坏深度 8个主控因素，运用层次分析法确定了8个主控 3 ChaoXing